WO2021133229A1 - Estimating the force on a robotic surgical instrument - Google Patents
Estimating the force on a robotic surgical instrument Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021133229A1 WO2021133229A1 PCT/RU2020/050375 RU2020050375W WO2021133229A1 WO 2021133229 A1 WO2021133229 A1 WO 2021133229A1 RU 2020050375 W RU2020050375 W RU 2020050375W WO 2021133229 A1 WO2021133229 A1 WO 2021133229A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- instrument
- forces
- force
- tool
- surgical instrument
- 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
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
- A61B34/76—Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
- B25J19/02—Sensing devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
Definitions
- the invention relates to assisting surgical systems for minimally invasive surgical operations. More specifically, the invention relates to medical systems for minimally invasive intervention with a device for assessing the force arising at the tip of a surgical instrument when it touches the patient's tissue, as well as the forces at the level of the access opening of the surgical instrument into the patient's body and other forces that accidentally or expectedly act in the process. work on the part of the surgical instrument located in the patient's body.
- Feedback is a method that allows the surgeon to determine the amount and quality of influences applied to the tissues.
- the surgeon's feedback is the visual perception of what is happening, as well as tactile sensations caused by touching the tissue with the hands or the surgical instrument used.
- Accurate force feedback is an essential feature that ensures safety and improves the quality of procedures performed during robotic surgery.
- the task of creating force feedback is one of the key tasks for developers of robotic surgical systems and it is solved using various approaches.
- US2018194013 A1 describes a method for assessing the forces acting on an instrument of a robotic surgical system, which consists in indirect control, in which the actions of forces on the tip of the instrument are estimated / calculated by analyzing the forces arising in this case on the other, opposite end of the tool. For this, the forces acting from the tool on the console of the tool holder, on which this end of the tool is fixed, are measured by six degrees of freedom. Additionally, the distance from the instrument attachment unit to the trocar is calculated, according to the results of which correction factors are introduced when assessing forces.
- the force feedback system has the ability to indirectly estimate the position of the tool tip using a strain gauge external to the tool; the measuring elements of the system are located in a zone remote from the zone of electrocoagulation interference; and the system has the ability to calculate and compensate for the forces arising from contact with the trocar.
- the force feedback described in the application does not have the ability to control the compression force of the jaws of a surgical instrument (one tactile sensation) and does not have the ability to assess the additional forces arising from the contact of the instrument and the trocar.
- the use of a strain gauge sensor with six degrees of freedom does not allow to unambiguously determine the nature of the measured forces, which reduces the efficiency of the system. In this arrangement, the same set of forces can be caused both by contact with the patient's tissues and by touching the trocar.
- the existing force feedback loops for assisting surgical complexes do not allow solving the following set of problems, which reduces the efficiency of the robotic surgical complex as a whole:
- the technical problem to be solved by the present invention is to reliably determine the sources of forces acting on a surgical instrument during operation along seven or more axes, as well as to accurately measure these forces in conditions of increased electromagnetic noise.
- the technical result of the present invention consists in the development of a medical system for minimal invasive intervention with a new design and algorithm of the system for assessing the forces acting on the instrument of the robotic surgical system to solve the problem of obtaining data necessary for the implementation of a tactile feedback system in real time, while the system for assessing forces simultaneously meets the following requirements:
- the force assessment system should have a minimal effect on the design of the tool used
- the developed design and algorithm of the force assessment system should accurately and differentially measure the impact forces on the surgical instrument during operation and transfer the measured data to the higher-level control system.
- the proposed system according to the present invention is designed to measure the forces acting on an instrument during a robotic surgery and transmit information containing the measurement results.
- the system is an integral part of the actuator of the robot-assisted surgical complex and implements the measurement functionality for the implementation of tactile feedback by the complex.
- the force evaluation system used in the force feedback loop should have the following functions:
- the medical system of minimally invasive intervention includes a manipulator having a support configured to secure the trocar and to secure the drive of the surgical instrument of minimally invasive intervention, as well as a system for assessing the forces acting on the instrument during surgical operation, and the system for assessing forces includes a three-axis lower strain gauge sensor located on the support of the manipulator at the place of fixation of the trocar and being in direct contact with it, for measuring the forces applied to the instrument and directed along the x and y axes, a three-axis upper strain gauge sensor located on the support of the manipulator under the drive of the surgical instrument, for measuring the force applied to the instrument and directed along the z-axis, the sensor of the gripping force of the actuating surfaces of the tool, made in the form of a current sensor for the electric motor a tool drive that provides compression of the tool's actu
- the medical system is characterized in that digital processing modules and motor control systems are connected to a data bus processing module, which is a wired or wireless connection.
- the medical system is characterized in that the digital processing modules are located near the strain gauges.
- the force assessment system which is part of the force feedback loop of the robotic surgical complex, solves the problem and achieves a technical result due to the presence of the following features:
- FIG. 1 shows a block diagram of an implementation of a force feedback system integrated into a robot-assisted surgical complex.
- FIG. 2 illustrates a schematic representation of a surgical instrument positioned on a support attached to a manipulator.
- Fig. 3 depicts the architecture of the force assessment system.
- FIG. 4 illustrates a surgical instrument and strain gauges in relation to a Cartesian coordinate system.
- FIG. 5 illustrates a block diagram of a digital processing module.
- FIG. 6 shows the frequency response of the low pass filter of the digital processing unit.
- FIG. 7 shows the frequency response of a bandstop (notch) filter.
- FIG. 8 illustrates a block diagram for measuring current drawn by a motor.
- FIG. 9 schematically depicts a visualization of the operation of the synchronization algorithm.
- robot technological complex means complex systems or complexes in surgery using a robot 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.
- surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
- surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
- surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
- surgeon refers to the performing the operation of the surgeon.
- surgeon and “surgeon” in the present description of the invention are synonymous.
- manipulator is understood as a mechatronic mechanism designed to fix 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 "surgical instrument”, "instrument” means a special instrument of small size, which is fixed in a surgical robot for performing operations. During surgery, instruments can move, rotate, and rotate over a much wider range and much more accurate than the human hand. Depending on the type of operation, the appropriate tool is used that allows it to be carried out most efficiently.
- a miniature robotic surgical instrument performs tissue dissection, tissue movement, clamping, suturing, etc., which allows you to work with hard-to-reach parts of organs without the risk of damaging healthy tissues.
- tools execution surfaces "tool execution part” means the tool surfaces or part of the tool with which the tool performs its service purpose.
- the actuation surfaces such as jaws, are located at the end of the instrument inserted into the patient's body and perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.
- connection means functionally connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
- the present solution refers in general to an integrated system for evaluating the forces in the force feedback loop, which is an integral part of the control system of the assisting surgical complex.
- the present solution is aimed at creating a system for assessing the forces affecting the patient's tissues and organs with a tool during a robotic-surgical operation.
- the use of such a system allows the surgeon to realize tactile sensations from the contact of the instrument surfaces with the patient's tissues, without creating sensations from the contact of the instrument with the trocar, which are forced to arise in the form of friction and various lateral forces when the instrument moves in the trocar during operation.
- the system has direct or indirect mechanical connections with patient tissues and a hardware wired or wireless interface for data exchange with the control system of the robotic surgical system.
- the necessary connections for the implementation of the system are shown in the block diagram shown in Fig. one.
- the structural diagram shows that the contour "Control system of the robotic surgical system - Manipulator - Instrument - Patient tissue” is a direct way of transferring the planned impacts from the control system to the patient.
- the “Patient tissue - Force assessment system - Robotic surgical system control system” contour is reversed and serves to control the actual exposure applied to the patient.
- the instrument of a robotic surgical system is a complex device that has high requirements for the materials used, temperature ranges and tightness, which is caused by the need to sterilize it.
- Force assessment systems elements of which are integrated directly into the instrument, as a rule, have a complex design, may require periodic calibration, and are susceptible to interference from electrocoagulation systems, which are widely used in minimally invasive robotic surgical interventions.
- the solution proposed according to the present invention is an instrument fastening structure located on the manipulator of a robotic-assisting surgical complex, which makes it possible to measure the forces acting on the working surfaces at the tool tip in a feedback loop.
- FIG. 2 shows a schematic representation of a surgical instrument attachment structure.
- the attachment design is a support configured to position and secure the trocar thereon and to secure the instrument by securing the instrument drive.
- a trocar holder is used in the mount design.
- numbers indicate the following structural elements: 1 - three-axis strain gauge (upper strain gauge); 2 - three-axis strain gauge sensor (bottom strain gauge gauge); 3 - trocar holder. The designations adopted in FIG.
- the mechanical interaction of the elements of the instrument, the structure of the fastening of the surgical instrument and the elements of the manipulator is realized through two multi-axis strain gauges, one of which is located at one end of the instrument under the instrument drive, and the other at the place where the trocar is fixed.
- the location of the strain gauges is shown in FIG. 2.
- strain gauges As multi-axis strain gauges, bending gauges based on strain gages, capacitive strain gauges or gauges of any other principle can be used. actions that allow you to measure the effort applied to them.
- strain gauges with a sensitive element in the form of a strain gauge can be used as strain gauges.
- Sensors of this type have a high output impedance, and the signal has a low power, which limits its propagation in space.
- the executive surfaces located at the end of the instrument inserted into the patient's body perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.
- the executive part of the instrument When resistance arises to the movement of the executive part of the instrument or when parts of the instrument come into contact with the patient's tissue, a bending of the sensitive element of the strain gauge along the corresponding axis occurs. Since the instrument, located in the fastening structure of the surgical instrument, contacts the manipulator at two points, one of which is the trocar location zone, and the other is the location of the surgical instrument drive, the effort is measured at both points and further joint processing of these signals.
- the outputs of the strain gauges are connected directly to the digital processing modules, which amplify the signals and convert them into digital form.
- the digital processing modules can be located directly next to the strain gauges. The specified location is optional and can be changed if necessary, for example, when using strain gauges with a signal amplification board. However, the location of the digital signal processing module of strain gauges in close proximity to each used strain gauge is preferable, since it provides a high signal-to-noise ratio and resistance to external electromagnetic disturbances.
- an electric motor current sensor can be used, which provides rotation around this axis.
- the principle of torque measurement is to increase the current consumed by the electric motor when resistance to movement occurs.
- the motors that rotate around the z-axis are part of the drive for the surgical instrument.
- electric motors are used as motors.
- Each of the current sensors of the surgical instrument drive motors can be connected to a motor control system.
- the digital processing modules and motor control systems are connected to the processing module via a data bus.
- the data bus can be RS485, CAN, Bluetooth, or some other wired or wireless data interface.
- the processing module is designed for group processing and synchronization of signals from strain gauges, torque transducer and gripping force transducer. The use of a separate device as a processing unit is optional. It can be combined with any digital processing module or with a control system.
- the control system uses the data received from the processing module to further organize feedback and transmit signals to the surgeon.
- the architecture of the force assessment system is shown in FIG. 3.
- the evaluation of the torques is possible due to the location of the strain gauge transducer in direct contact with the trocar (lower transducer), and the second transducer on the drive of the surgical instrument (upper transducer).
- the rotational moments will be proportional to the difference in the readings of the strain gauges, taking into account the correction for the arm length.
- M c is the moment of rotation about the x axis
- M y is the moment of rotation about the y axis
- F xj are the readings of the upper strain gauge along the x axis
- F yi are the readings of the upper strain gauge along the y axis
- F X2 are the readings of the lower strain gauge along the axis x
- F y2 - readings of the lower strain gauge along the y axis 5 - distance from the zero point to the point of contact of the surgical instrument drive with the strain gauge.
- electric motors are used as motors.
- the dependence of the consumed current on the load applied to it is close to linear, with the exception of the dynamic characteristics located on the axis of rotation of the elements.
- M Rz is the rotational moment around the z axis, is the current consumed by the motor of the rz axis
- kz is the coefficient of conversion of current into the torque for the motor of the rz axis
- M G is the torque of resistance to the gripper
- I G is the current consumed by the motor of the gripping axis
- kg is the coefficient converting the current into the force for the gripper axis motor.
- the block diagram of the digital processing module is shown in Fig. 5.
- Signals about the value of the force in three degrees of freedom, coming from the strain gauge, are converted into digital form by means of an analog-to-digital converter, and then fed to the microprocessor.
- the microprocessor carries out primary signal processing, which may include filtering, deadband algorithms, subtraction of the influence of gravity, and others. If necessary, the microprocessor can transmit the processed data using the transmit and receive module.
- the data bus can be a wired or wireless connection, for example, Bluetooth, Wi-fi, RS485, CAN or others.
- a digital low-pass filter is an algorithm used to suppress signals that exceed a specified frequency.
- An example of the frequency response of a low pass filter is shown in FIG. 6.
- strain gauges The force exerted on strain gauges is caused by two main components: external forces arising as a result of resistance when the instrument touches the patient's tissues, and the force of gravity of the structural elements of the fastening of the instrument and the instrument itself.
- the signal generated by the force of gravity acting on the structural members is not useful for the system for evaluating the forces applied to the tool and needs to be eliminated (subtracted).
- the tool in contact with the strain gauges always exerts a gravity-induced effect on them through the tool holder system.
- Signals caused by gravity acting on structural elements and tools are undesirable for onward transmission to the control system.
- One of the methods of gravity compensation is the subtraction of constant values from the signal of strain gauges, corresponding to the force of gravity and obtained before the operation by the calibration method.
- the principle of the technique is to determine the readings of strain gauges in the absence of external forces applied to the tool, except for the gravity of structural elements. For this, the values of the signals received from the strain gauges, when the tool is in a position ready for operation, are memorized by the processing module as a zero state.
- the signals arising in the system will be the sum of the effects of gravity and the forces applied to the actuator of the tool, which will effectively subtract the gravitational component.
- the main advantages of the method are simplicity of implementation and low requirements for the computational power of the digital processing module.
- the disadvantage is the limitation of use for operations that require a significant in speed and amplitude of movement of the manipulator structure elements, which can create a different distribution of gravity loads on strain gauges.
- the described method of compensating for the influence of gravity is not the only one possible for implementation within the framework of the described system for assessing the forces applied to the tool. It is possible to implement other algorithms that more effectively solve the problem of gravity compensation, for example, algorithms based on the motion model of the manipulator used, algorithms with frequency division of signals, for example, based on a high-pass filter, and others.
- the implementation of more efficient algorithms for compensation of gravity forces does not cause changes in the design and principle of operation of the described system for assessing the forces applied to the tool.
- Measuring the torque MR Z AND the gripping force MG MAY be realized by measuring the current drawn by the motors. It is advisable to implement this measurement principle by integrating the measuring circuit into the motor control system, since the control system contains a microprocessor and a circuit for measuring the current flowing through the electric motor. To carry out the integration, a block diagram was developed as shown in FIG. eight.
- the force applied to the structural elements causes resistance to movement, which is provided by the operation of the electric motor of the surgical instrument and causes an increase in the current consumed by it, flowing through the inverter and the current sensor.
- the current sensor readings are digitized using an analog-to-digital converter and transmitted to the motor control system.
- Electric motor control system has a connection with other elements of the system due to the module for receiving and transmitting data.
- a data synchronization algorithm is used in the preferred embodiment of the invention to process the data supplied to the processing module (FIG. 3), which is the central unit for the force estimation system.
- Algorithm for data synchronization in time - an algorithm that allows you to restore the sequence of events occurring in the system.
- One of the common methods is the organization of controlled delays, the duration of which depends on the type of event occurring and the structure of the information transmission path. A demonstration of this type of algorithm is shown in FIG. nine.
- Simultaneous events 1, 2, and 3 have different latency times in the processing path, as can be seen on the left side of FIG. 9. Restoration of the sequence of events close to the real sequence is possible due to the organization of delays 1, 2, 3.
- Data from the data processing module goes to the control system of the robotic surgical complex and is transmitted to the control system of the surgeon's controller.
- the surgeon holds the controller in his hands and, moving it, generates a digital signal with the help of which the instrument is controlled through the control system of the robotic-surgical complex and the manipulator (Fig. 1).
- the force assessment system determines these forces, converts the information into a digital signal, which is transmitted to the surgeon's controller in the reverse order through the control system of the robotic surgical complex.
- the surgeon's controller is designed in such a way that it receives these signals and converts them into mechanical movements of the controller in the direction opposite to the movements of the surgeon's hand controlling the instrument.
- the resulting resistance creates a sensation on the hand as if it were touching tissue.
- the intuitive movement of the instrument that coincides with the movements of the hand, as well as the sense of touching the tissue with the instrument, makes the surgeon feel that he is holding the instrument directly in the hand during the operation on the robotic surgical complex.
- the number of degrees of freedom for assessing the effort - 7 three linear degrees of freedom along the x, y, z axes, three rotational degrees of freedom around the x, y, z axes, the degree of freedom at capture;
- Type of sensors for measuring forces 3x-axis strain gauges, sensors of current consumed by motors;
- Reception and transmission of signals / commands in the control system of the force assessment system can be realized by wire or wireless;
- This system provides a contribution to robotic and / or computer-assisted surgery for minimally invasive intervention, offering a reliably accurate and source-differentiated assessment of the effect of forces on a robotic surgical instrument in conditions of electromagnetic noise, which would transfer the measured data to the superior control system of the robotic surgical complex.
- test bench was assembled using two 3-axis strain gauges, one of which is located at the attachment point of the surgical instrument drive, and the other at the attachment point of the trocar holder.
- Hexapod is a mechanism consisting of two platforms - fixed and movable, driven by six independent precision servo motors. Each servo is equipped with position and developed force sensors, so that positioning can be carried out along 3 linear (X, U, Z) and three angular coordinates (rotation around the corresponding axes Ox, Oy, Oz), as well as assess the efforts along each of the coordinates ...
- the distal end of the surgical instrument was attached to the movable platform of the hexapod by means of fasteners. With the help of the hexapod control system, increments were made for each of the degrees of freedom with fixing the developed effort.
- a hollow flexible rubber tube of small diameter from 4 mm to 6 mm was used. One end of this tube is blocked, and a high-precision pressure sensor is connected to the other. With the help of the servo-drive of the tool, which provides compression of the executive surfaces of the tool, this tube was pinched and the created pressure inside the tube was recorded. By comparing the readings of the motor current sensor, which provides compression of the actuating surfaces, and the pressure inside the tube, the possibility of measuring the closing force (compression force) was evaluated.
- the proposed design of the force assessment system makes it possible to evaluate the forces acting on a surgical instrument of a robotic surgical system applied to any part of its structure, to assess the gripping forces that arise when the jaws of a surgical instrument are closed, to unambiguously determine the numerical values of the forces and their directions. In this case, the design of the surgical instrument itself does not undergo any changes.
- Standard conditions for robotic surgery include electromagnetic interference (coagulation, manipulators, control systems, mobile phones, power cables, and others).
- electromagnetic interference coagulation, manipulators, control systems, mobile phones, power cables, and others.
- the study of the influence of electromagnetic interference on the assessment of forces was carried out using a medical electrocoagulator, which is widely used in surgical interventions.
- Electrocoagulation is the main source of broadband interference caused by the generation of electrical discharges between the treated tissue and the surface of the surgical instrument.
- the second most common source of interference is the home network 240V 50Hz.
- Studies of the influence of the household network were carried out due to the sequential arrangement of the prototype of the force assessment system at several points in space with different distances from the 240V 50Hz power wire supplying the 500W load.
- the output signals were processed with the Fast Fourier Transform algorithm to construct a spectral representation of the signals to assess the impact at 50 Hz.
- Tests were carried out with the following initial data: nominal load for strain gauges - 100 N, gain of the measuring path - 2000, number of analog-to-digital converter bits - 16 bits, sampling frequency - 14.7 kHz, the maximum current for the sensor for evaluating the torque of the drive of the z-axis, the compression axis of the tool working surfaces is 5 A.
- the average error estimate is 5% of the measuring range, while the maximum error in the presence of external interference in the form of coagulation and electromagnetic interference using digital processing methods is up to 10%.
- the level of estimation error is satisfactory for most tasks in surgical laparoscopy.
- the total signal delay achieved with the help of the prototype, taking into account the amplification path and the module for receiving and transmitting data is no more than 3 ms, which makes the system widely suitable for telecontrol.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Surgery (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
ОЦЕНКА УСИЛИЯ НА РОБОТОХИРУРГИЧЕСКОМ ИНСТРУМЕНТЕ ASSESSMENT OF EFFORT ON A ROBOTIC SURGICAL INSTRUMENT
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Изобретение относится к ассистирующим хирургическим комплексам для проведения минимально инвазивных хирургических операций. Более конкретно, изобретение относится к медицинским системам минимального инвазивного вмешательства с устройством для оценки усилия, возникающего на кончике хирургического инструмента при касании им ткани пациента, а также усилий на уровне отверстия доступа хирургического инструмента в тело пациента и иных сил, случайно или ожидаемо действующих в процессе работы на расположенную в теле пациента часть хирургического инструмента. The invention relates to assisting surgical systems for minimally invasive surgical operations. More specifically, the invention relates to medical systems for minimally invasive intervention with a device for assessing the force arising at the tip of a surgical instrument when it touches the patient's tissue, as well as the forces at the level of the access opening of the surgical instrument into the patient's body and other forces that accidentally or expectedly act in the process. work on the part of the surgical instrument located in the patient's body.
Предпосылки создания изобретения Background of the invention
Актуальным направлением развития роботохирургии является разработка и внедрение систем обратной связи. Обратная связь - метод, позволяющий определять хирургу количество и качество прикладываемых к тканям воздействий. При проведении классической полостной операции обратной связью для хирурга являются визуальное восприятие происходящего, а также тактильные ощущения, вызываемые прикосновениями к ткани руками или используемым хирургическим инструментом. The development and implementation of feedback systems is an urgent direction in the development of robotic surgery. Feedback is a method that allows the surgeon to determine the amount and quality of influences applied to the tissues. In a classic abdominal operation, the surgeon's feedback is the visual perception of what is happening, as well as tactile sensations caused by touching the tissue with the hands or the surgical instrument used.
Направление развития роботохирургии стремится обеспечить хирургу ощущения, привычные ему из опыта открытой операции: качественный обзор рабочего поля и интуитивно понятное и логичное управление инструментами, - но в условиях использования современных малоинвазивных технологий. Для передачи хирургу тактильных воздействий от соприкосновения с тканями пациента необходимо комплексное решение нескольких задач: The direction of development of robotic surgery seeks to provide the surgeon with the sensations familiar to him from the experience of open surgery: a high-quality view of the working field and intuitive and logical control of instruments, but in the conditions of using modern minimally invasive technologies. To transfer tactile influences to the surgeon from contact with the patient's tissues, a complex solution of several problems is necessary:
• Создание системы оценки сил, действующих на исполнительный механизм - инструмент; • Creation of a system for assessing the forces acting on the actuator - tool;
• Обработка данных о приложенных силах с использованием системы управления;• Processing of data on applied forces using the control system;
• Передача обработанных данных о действующих силах хирургу для восприятия, оценки и принятия им решений. • Transfer of processed data about the acting forces to the surgeon for perception, assessment and decision-making.
Точная силовая обратная связь (тактильная силовая обратная связь) - важнейший признак, обеспечивающий безопасность и улучшающий качество процедур, выполняемых в течение роботохирургической операции. Задача создания силовой обратной связи является одной из ключевых задач для разработчиков роботохирургических комплексов и решается она с использованием различных подходов. Accurate force feedback (tactile force feedback) is an essential feature that ensures safety and improves the quality of procedures performed during robotic surgery. The task of creating force feedback is one of the key tasks for developers of robotic surgical systems and it is solved using various approaches.
Возможные подходы к созданию систем обратной связи, их анализ и недостатки подробно изложены в заявке US2018194013 А1, опубликованной 12.07.2018. US2018194013 А1 описывает способ оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы, который заключается в косвенном контроле, при котором действия сил на кончик инструмента оцениваются/вычисляются через анализ сил, возникающих при этом на другом, противоположном конце инструмента. Для этого по шести степеням свободы измеряются силы, действующие со стороны инструмента на консоль блока крепления инструмента, на котором этот конец инструмента закреплен. Дополнительно рассчитывается расстояние от блока крепления инструмента до троакара, по результатам которого вводятся поправочные коэффициенты при оценке сил. Система силовой обратной связи имеет возможность косвенно оценивать положение кончика инструмента с использованием внешнего по отношению к инструменту тензометрического датчика; измерительные элементы системы расположены в зоне, удаленной от зоны помех электрокоагуляции; а также система имеет возможность рассчитывать и компенсировать силы, возникающие от контакта с троакаром. Possible approaches to the creation of feedback systems, their analysis and disadvantages are detailed in the application US2018194013 A1, published on 12.07.2018. US2018194013 A1 describes a method for assessing the forces acting on an instrument of a robotic surgical system, which consists in indirect control, in which the actions of forces on the tip of the instrument are estimated / calculated by analyzing the forces arising in this case on the other, opposite end of the tool. For this, the forces acting from the tool on the console of the tool holder, on which this end of the tool is fixed, are measured by six degrees of freedom. Additionally, the distance from the instrument attachment unit to the trocar is calculated, according to the results of which correction factors are introduced when assessing forces. The force feedback system has the ability to indirectly estimate the position of the tool tip using a strain gauge external to the tool; the measuring elements of the system are located in a zone remote from the zone of electrocoagulation interference; and the system has the ability to calculate and compensate for the forces arising from contact with the trocar.
Тем не менее, описанная в заявке силовая обратная связь не имеет возможности контролировать силу сжатия браншей хирургического инструмента (одно тактильное ощущение) и не имеет возможности оценивать дополнительные силы, возникающие при соприкосновении инструмента и троакара. Использование тензометрического датчика, обладающего шестью степенями свободы, не позволяет однозначно определить природу измеряемых сил, что снижает эффективность системы. В данной компоновке один и тот же набор сил может быть вызван как контактом с тканями пациента, так и от касания троакара. However, the force feedback described in the application does not have the ability to control the compression force of the jaws of a surgical instrument (one tactile sensation) and does not have the ability to assess the additional forces arising from the contact of the instrument and the trocar. The use of a strain gauge sensor with six degrees of freedom does not allow to unambiguously determine the nature of the measured forces, which reduces the efficiency of the system. In this arrangement, the same set of forces can be caused both by contact with the patient's tissues and by touching the trocar.
Существующие контуры силовой обратной связи для ассистирующих хирургических комплексов не позволяют решить следующую совокупность проблем, что понижает эффективность роботохирургического комплекса в целом: The existing force feedback loops for assisting surgical complexes do not allow solving the following set of problems, which reduces the efficiency of the robotic surgical complex as a whole:
1. Достаточно достоверно и точно оценивать силы, воздействующие на инструмент при взаимодействии исполнительных поверхностей инструмента и тканей по семи и более осям; 1. It is sufficiently reliable and accurate to estimate the forces acting on the tool during the interaction of the executive surfaces of the tool and tissues along seven or more axes;
2. Достаточно достоверно и точно выделять и оценивать силы как контролируемые, так и непроизвольно возникающие как результат взаимодействия иных, не исполнительных поверхностей инструмента, с органами и тканями пациента; 2. It is sufficient to reliably and accurately identify and evaluate forces, both controlled and involuntarily arising as a result of the interaction of other, non-executive surfaces of the instrument, with the patient's organs and tissues;
3. Достаточно достоверно и точно выделять и оценивать силы, воздействующие на инструмент при контакте с троакаром; 3. It is sufficient to reliably and accurately identify and evaluate the forces acting on the instrument in contact with the trocar;
4. Обеспечивать возможность работы в условиях повышенного электромагнитного шума, вызываемого электрокоагуляционными приборами. 4. Provide the ability to work in conditions of increased electromagnetic noise caused by electrocoagulation devices.
Таким образом, существует потребность в усовершенствовании системы оценки сил для использования ее в контуре силовой обратной связи для роботизированного хирургического устройства. Именно решению перечисленных проблем посвящено настоящее изобретение. Thus, there is a need to improve the force estimation system for use in a force feedback loop for a robotic surgical device. It is the solution of the listed problems that the present invention is devoted to.
Суть изобретения The essence of the invention
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является достоверное определение источников сил, воздействующих на хирургический инструмент во время работы, по семи и более осям, а также точное измерение этих сил в условиях повышенного электромагнитного шума. Технический результат настоящего изобретения состоит в разработке медицинской системы минимального инвазивного вмешательства с новой конструкцией и алгоритмом системы оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы для решения задачи получения данных, необходимых для внедрения системы тактильной обратной связи в режиме реального времени, при этом система оценки сил одновременно удовлетворяет следующим требованиям: The technical problem to be solved by the present invention is to reliably determine the sources of forces acting on a surgical instrument during operation along seven or more axes, as well as to accurately measure these forces in conditions of increased electromagnetic noise. The technical result of the present invention consists in the development of a medical system for minimal invasive intervention with a new design and algorithm of the system for assessing the forces acting on the instrument of the robotic surgical system to solve the problem of obtaining data necessary for the implementation of a tactile feedback system in real time, while the system for assessing forces simultaneously meets the following requirements:
1. Возможность оценки сил, действующих на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенных к любой части его конструкции; 1. The ability to assess the forces acting on a surgical instrument of a robotic surgical system, applied to any part of its structure;
2. Однозначность определения направления и численного значения приложенной к хирургическому инструменту силы; 2. Unambiguous determination of the direction and numerical value of the force applied to the surgical instrument;
3. Возможность бесперебойной работы системы оценки сил в условиях использования электрокоагуляции хирургическим инструментом; 3. Possibility of uninterrupted operation of the force assessment system under conditions of using electrocoagulation with a surgical instrument;
4. Возможность измерения силы захвата, возникающей при смыкании браншей хирургического инструмента; 4. The ability to measure the gripping force that occurs when the jaws of a surgical instrument are closed;
5. Система оценки сил должна минимальным образом влиять на конструкцию используемого инструмента; 5. The force assessment system should have a minimal effect on the design of the tool used;
6. Обеспечение возможности передачи данных об измеренных силах на внешние системы управления роботохирургическим комплексом; 6. Ensuring the possibility of transmitting data on measured forces to external control systems of the robotic-surgical complex;
7. Устойчивость к электромагнитным помехам от бытовой сети; 7. Resistance to electromagnetic interference from a household network;
8. Возможность использования измерительных датчиков различного типа и принципа действия для разных степеней свободы. 8. Possibility of using measuring sensors of various types and operating principles for different degrees of freedom.
Разрабатываемая конструкция и алгоритм системы оценки сил должна точно и дифференцированно по источникам измерять силы воздействия на хирургический инструмент в процессе работы и осуществлять передачу измеренных данных на вышестоящую систему управления. The developed design and algorithm of the force assessment system should accurately and differentially measure the impact forces on the surgical instrument during operation and transfer the measured data to the higher-level control system.
Решение поставленной задачи и достижение технического результата обеспечивается, прежде всего, новой схемой и структурой системы оценки сил, которая позволяет повысить эффективность и функциональность роботохирургического комплекса. The solution to the problem and the achievement of the technical result is ensured, first of all, by a new scheme and structure of the force assessment system, which makes it possible to increase the efficiency and functionality of the robotic surgical complex.
Предлагаемая система согласно настоящему изобретению предназначена для измерения сил, воздействующих на инструмент в процессе проведения роботохирургической операции, и передачи информации, содержащей результаты измерений. Система является составной частью исполнительного механизма робот-ассистированного хирургического комплекса и реализует функционал измерения для реализации комплексом тактильной обратной связи. Система оценки сил, используемая в контуре силовой обратной связи, должна обладать следующими функциями: The proposed system according to the present invention is designed to measure the forces acting on an instrument during a robotic surgery and transmit information containing the measurement results. The system is an integral part of the actuator of the robot-assisted surgical complex and implements the measurement functionality for the implementation of tactile feedback by the complex. The force evaluation system used in the force feedback loop should have the following functions:
• Измерение данных прикладываемых к инструменту сил с использованием нескольких многоосевых тензометрических датчиков; • Первичная обработка данных о прикладываемых силах с обеспечением условия ограничения частотных характеристик сигналов с целью уменьшения измерительных шумов и подавления влияния электромагнитных наводок; • Measurement of data of forces applied to the tool using several multi-axis strain gauges; • Primary processing of data on applied forces with the provision of conditions for limiting the frequency characteristics of signals in order to reduce measurement noise and suppress the influence of electromagnetic interference;
• Передача обработанных данных в режиме реального времени на вышестоящую систему управления с использованием проводного или беспроводного интерфейса связи. Более конкретно, техническая задача и технический результат достигаются за счет того, что медицинская система минимального инвазивного вмешательства включает манипулятор, имеющий опору, сконфигурированную для закрепления троакара и для закрепления привода хирургического инструмента минимального инвазивного вмешательства, а также систему оценки сил, воздействующих на инструмент в течение хирургической операции, причем система оценки сил включает трехосевой нижний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора в месте закрепления троакара и находящийся в непосредственном контакте с ним, для измерения сил, приложенных к инструменту и направленных вдоль осей х и у, трехосевой верхний тензометрический датчик, расположенный на опоре манипулятора под приводом хирургического инструмента, для измерения силы, приложенной к инструменту и направленной вдоль оси z, датчик усилия захвата исполнительных поверхностей инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей инструмента, датчик момента вращения хирургического инструмента, выполненный в виде датчика силы тока для электродвигателя привода инструмента, обеспечивающего вращение хирургического инструмента вокруг его продольной оси, причем тензометрические датчики соединены с соответствующими модулями цифровой обработки данных, причем датчик усилия захвата и датчик момента вращения соединены с соответствующими системами управления электродвигателем, модули цифровой обработки и системы управления электродвигателями соединены с модулем обработки, который запрограммирован для осуществления вычисления посредством групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика момента вращения и датчика усилия захвата: сил, направленных вдоль линейных осей, вращательных моментов инструмента вдоль осей х и у относительно точки ввода троакара в тело пациента, вращательного момента инструмента вдоль оси z относительно точки ввода троакара в тело пациента, усилия сжатия исполнительных поверхностей инструмента, при этом каждый модуль цифровой обработки запрограммирован для использования цифрового фильтра нижних частот и алгоритма по лосно -заграждающего фильтра для данных усилия, измеренных тензометрическим датчиком, а модуль обработки запрограммирован для компенсации силы тяжести, действующей на опору манипулятора и инструмента, компенсации сил, вызываемых сопротивлением троакара движению инструмента, и компенсации динамических характеристик элементов, размещенных на оси вращения электродвигателей, модуль обработки выполнен с возможностью передачи данных на систему управления роботохирургическим комплексом. • Transmission of processed data in real time to a higher-level control system using a wired or wireless communication interface. More specifically, the technical problem and the technical result are achieved due to the fact that the medical system of minimally invasive intervention includes a manipulator having a support configured to secure the trocar and to secure the drive of the surgical instrument of minimally invasive intervention, as well as a system for assessing the forces acting on the instrument during surgical operation, and the system for assessing forces includes a three-axis lower strain gauge sensor located on the support of the manipulator at the place of fixation of the trocar and being in direct contact with it, for measuring the forces applied to the instrument and directed along the x and y axes, a three-axis upper strain gauge sensor located on the support of the manipulator under the drive of the surgical instrument, for measuring the force applied to the instrument and directed along the z-axis, the sensor of the gripping force of the actuating surfaces of the tool, made in the form of a current sensor for the electric motor a tool drive that provides compression of the tool's actuating surfaces, a torque sensor of a surgical instrument, made in the form of a current sensor for an electric motor of a tool drive, which ensures rotation of a surgical instrument around its longitudinal axis, and the strain gauges are connected to the corresponding digital data processing modules, and the gripping force sensor and the torque sensor are connected to the corresponding motor control systems, the digital processing modules and the electric motor control systems are connected to the processing module, which is programmed to perform calculations by means of batch processing and synchronization of signals from strain gauges, a torque sensor and a gripping force sensor: forces directed along linear axes, instrument torques along the x and y axes relative to the trocar insertion point into the patient's body, instrument torque along the z axis, relate the point of entry of the trocar into the patient's body, the compressive forces of the instrument's executive surfaces, with each digital processing module programmed to use a digital low-pass filter and band-stop filter algorithm for the force data measured by the strain gauge, and the processing module is programmed to compensate for the force of gravity acting on the support of the manipulator and the instrument, compensating the forces caused by the trocar resistance to the movement of the instrument, and compensating for the dynamic characteristics of the elements located on the axis of rotation of the electric motors, the processing module is configured to transmit data to the control system of the robotic surgical complex.
В некоторых вариантах осуществления изобретения медицинская система характеризуется тем, что модули цифровой обработки и системы управления электродвигателями соединены с модулем обработки посредством шины данных, которая представляет проводное или беспроводное соединение. In some embodiments of the invention, the medical system is characterized in that digital processing modules and motor control systems are connected to a data bus processing module, which is a wired or wireless connection.
В некоторых вариантах осуществления изобретения медицинская система характеризуется тем, что что модули цифровой обработки расположены возле тензометрических датчиков. In some embodiments of the invention, the medical system is characterized in that the digital processing modules are located near the strain gauges.
Система оценки сил, входящая в контур силовой обратной связи роботохирургического комплекса, решает задачу и достигает технический результат благодаря наличию в составе следующих признаков: The force assessment system, which is part of the force feedback loop of the robotic surgical complex, solves the problem and achieves a technical result due to the presence of the following features:
1. Введение как минимум двух точек контроля сил, действующих на инструмент, при этом в каждой точке используются датчики силы. 1. Introduction of at least two points of control of the forces acting on the tool, with force transducers used at each point.
2. Расположение датчиков силы относительно друг друга таким образом, чтобы получить максимально полную и достоверную информацию, что в итоге повышает точность и упрощает и, как следствие, сокращает время расчетов. 2. The location of the force sensors relative to each other in such a way as to obtain the most complete and reliable information, which ultimately increases the accuracy and simplifies and, as a consequence, reduces the calculation time.
3. Расположение одного из датчиков силы непосредственно в месте крепления троакара.3. Location of one of the force transducers directly at the trocar attachment site.
4. Понижение требований к датчикам силы и замена 6-DOF датчиков на датчики 3-DOF как следствие смены схемы измерения, что значительно удешевляет конструкцию, но при этом повышает надежность и достоверность измерения. 4. Reducing the requirements for force sensors and replacing 6-DOF sensors with 3-DOF sensors as a result of changing the measurement scheme, which significantly reduces the cost of the design, but at the same time increases the reliability and reliability of the measurement.
5. Использование датчика силы тока, измеряющего усилия смыкания браншей. 5. The use of a current sensor that measures the force of closing the jaws.
6. Использование датчика силы тока, измеряющего вращательный момент поворота инструмента вокруг продольной оси. 6. Using a current sensor that measures the rotational moment of the tool rotation around the longitudinal axis.
Краткое описание чертежей Brief Description of Drawings
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 его осуществления служат для пояснения принципов настоящего изобретения. 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 embodiments thereof, serve to explain the principles of the present invention.
Фиг. 1 изображает структурную схему реализации системы силовой обратной связи, интегрированную в робот-ассистирующий хирургический комплекс. FIG. 1 shows a block diagram of an implementation of a force feedback system integrated into a robot-assisted surgical complex.
Фиг. 2 иллюстрирует схематическое изображение хирургического инструмента, расположенного на опоре, закрепленной на манипуляторе. FIG. 2 illustrates a schematic representation of a surgical instrument positioned on a support attached to a manipulator.
Фиг.З изображает архитектуру системы оценки сил. Fig. 3 depicts the architecture of the force assessment system.
Фиг. 4 иллюстрирует хирургический инструмент и тензометрические датчики по отношению к декартовой системе координат. FIG. 4 illustrates a surgical instrument and strain gauges in relation to a Cartesian coordinate system.
Фиг. 5 иллюстрирует структурную схему модуля цифровой обработки. FIG. 5 illustrates a block diagram of a digital processing module.
Фиг. 6 представляет амплитудно-частотную характеристику фильтра нижних частот модуля цифровой обработки. FIG. 6 shows the frequency response of the low pass filter of the digital processing unit.
Фиг. 7 представляет амплитудно-частотную характеристику полосно-заграждающего (режекторного) фильтра. FIG. 7 shows the frequency response of a bandstop (notch) filter.
Фиг. 8 иллюстрирует структурную схему для измерения тока, потребляемого двигателем. Фиг. 9 схематически изображает визуализацию работы алгоритма синхронизации. FIG. 8 illustrates a block diagram for measuring current drawn by a motor. FIG. 9 schematically depicts a visualization of the operation of the synchronization algorithm.
Термины и определения Terms and Definitions
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. 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.
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». 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 a non-exclusive sense (ie, in the sense of "including"). Only expressions of the type “consisting of” should be considered as an exhaustive list.
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. 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 robot 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.
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. 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.
В настоящей заявке под термином «оператор» понимают производящего операции врача- хирурга. Признаки «оператор» и «хирург» в настоящем описании изобретения являются синонимами. 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.
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. In these application materials, the term "manipulator" is understood as a mechatronic mechanism designed to fix 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.
В настоящей заявке под термином «хирургический инструмент», «инструмент» понимают специальный инструмент небольшого размера, который закрепляют в хирургическом роботе для проведения операций. Во время хирургической операции инструменты могут перемещаться, поворачиваться и вращаться в гораздо большем диапазоне и гораздо точнее, чем человеческая рука. В зависимости от типа операции используется соответствующий инструмент, который позволяет ее выполнить наиболее эффективно. Миниатюрный роботохирургический инструмент производит рассечение тканей, перемещение тканей, зажим, наложение швов и прочее, что позволяет работать с труднодоступными участками органов без риска повреждения здоровых тканей. В настоящей заявке под признаком «исполнительные поверхности инструмента», «исполнительная часть инструмента» понимают поверхности инструмента или часть инструмента, с помощью которых инструмент выполняет свое служебное назначение. Как правило, исполнительные поверхности, например, бранши, расположены на конце вводимого в тело пациента инструмента и совершают сложные движения, инициируемые и контролируемые хирургом. In this application, the term "surgical instrument", "instrument" means a special instrument of small size, which is fixed in a surgical robot for performing operations. During surgery, instruments can move, rotate, and rotate over a much wider range and much more accurate than the human hand. Depending on the type of operation, the appropriate tool is used that allows it to be carried out most efficiently. A miniature robotic surgical instrument performs tissue dissection, tissue movement, clamping, suturing, etc., which allows you to work with hard-to-reach parts of organs without the risk of damaging healthy tissues. In the present application, under the sign "tool execution surfaces", "tool execution part" means the tool surfaces or part of the tool with which the tool performs its service purpose. Typically, the actuation surfaces, such as jaws, are located at the end of the instrument inserted into the patient's body and perform complex movements initiated and controlled by the surgeon.
Термин «соединенный» означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов). The term "connected" means functionally connected, and any number or combination of intermediate elements between the connected components (including the absence of intermediate elements) can be used.
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. 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
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. The description of exemplary embodiments of the present invention below is provided by way of example only and is intended for illustrative purposes and is not intended to limit the scope of the disclosed invention.
Настоящее решение относится в целом к интегрированной системе оценке сил в контуре силовой обратной связи, которая является составной частью системы управления ассистирующим хирургическим комплексом. В частности, настоящее решение направлено на создание системы оценки сил воздействия на ткани и органы пациента инструментом в процессе роботохиругической операции. Использование такой системы позволяет реализовать тактильные ощущения для хирурга от контакта поверхностей инструмента с тканями пациента, не создавая ощущений от контакта инструмента с троакаром, которые вынужденно возникают в виде трения и различных боковых сил при перемещении инструмента в троакаре во время работы. The present solution refers in general to an integrated system for evaluating the forces in the force feedback loop, which is an integral part of the control system of the assisting surgical complex. In particular, the present solution is aimed at creating a system for assessing the forces affecting the patient's tissues and organs with a tool during a robotic-surgical operation. The use of such a system allows the surgeon to realize tactile sensations from the contact of the instrument surfaces with the patient's tissues, without creating sensations from the contact of the instrument with the trocar, which are forced to arise in the form of friction and various lateral forces when the instrument moves in the trocar during operation.
Система имеет прямые или косвенные механические связи с тканями пациента и аппаратный проводной или беспроводной интерфейс для обмена данными с системой управления роботизированной хирургической системы. Необходимые связи для реализации системы отражены на структурной схеме, приведенной на фиг. 1. The system has direct or indirect mechanical connections with patient tissues and a hardware wired or wireless interface for data exchange with the control system of the robotic surgical system. The necessary connections for the implementation of the system are shown in the block diagram shown in Fig. one.
На структурной схеме отображено, что контур «Система управления роботизированной хирургической системы - Манипулятор - Инструмент - Ткани пациента» представляет собой прямой способ передачи планируемых воздействий от системы управления к пациенту. Контур «Ткани пациента - Система оценки сил - Система управления роботизированной хирургической системы» является обратным и служит для контроля фактического, прикладываемого к пациенту воздействия. The structural diagram shows that the contour "Control system of the robotic surgical system - Manipulator - Instrument - Patient tissue" is a direct way of transferring the planned impacts from the control system to the patient. The “Patient tissue - Force assessment system - Robotic surgical system control system” contour is reversed and serves to control the actual exposure applied to the patient.
Инструмент роботизированной хирургической системы является сложным устройством, к которому предъявляются высокие требования по применяемым материалам, температурным диапазонам и герметичности, что вызвано необходимостью его стерилизации. Системы оценки сил, элементы которых интегрированы непосредственно в инструмент, как правило, обладают сложной конструкцией, могут требовать периодической калибровки и подвержены помехам от систем электрокоагуляции, широко применяемой при малоинвазивных роботизированных хирургических вмешательствах. The instrument of a robotic surgical system is a complex device that has high requirements for the materials used, temperature ranges and tightness, which is caused by the need to sterilize it. Force assessment systems, elements of which are integrated directly into the instrument, as a rule, have a complex design, may require periodic calibration, and are susceptible to interference from electrocoagulation systems, which are widely used in minimally invasive robotic surgical interventions.
Следует отметить, что силы обратной связи воздействуют не только непосредственно на хирургический инструмент, но и, через него, на элементы конструкции крепления инструмента и троакар, который обеспечивает доступ в оперируемую область. It should be noted that the feedback forces act not only directly on the surgical instrument, but also, through it, on the structural elements of the instrument attachment and the trocar, which provides access to the operated area.
Предлагаемое согласно настоящему изобретению решение представляет собой конструкцию крепления инструмента, находящуюся на манипуляторе робот-ассистирующего хирургического комплекса, позволяющую обеспечить измерение сил, действующих на находящиеся на кончике инструмента рабочие поверхности, в контуре обратной связи. The solution proposed according to the present invention is an instrument fastening structure located on the manipulator of a robotic-assisting surgical complex, which makes it possible to measure the forces acting on the working surfaces at the tool tip in a feedback loop.
На фиг. 2 приведено схематическое изображение конструкции крепления хирургического инструмента. Конструкция крепления представляет опору, сконфигурированную для расположения и закрепления на ней троакара и закрепления инструмента путем закрепления привода инструмента. Для точного позиционирования инструмента в конструкции крепления используется держатель троакара. На фиг. 2 цифрами обозначены следующие конструктивные элементы: 1 - трехосевой тензометрический датчик (верхний тензометрический датчик); 2 - трехосевой тензометрический датчик (нижний тензометрический датчик); 3 - держатель троакара. Принятые обозначения на фиг. 2: 01- точка ввода троакара в тело пациента, вокруг которой осуществляются два поворота введенного в троакар инструмента во время операции (нулевая точка), точка находится внутри троакара; А - положение конца хирургического инструмента, который вводится в тело пациента; В - положение противоположного конца хирургического инструмента, установленного в привод хирургического инструмента. Углы ориентации (углы вращения) хирургического инструмента в горизонтальной плоскости и наклона рассматриваются относительного точки вращения (нулевая точка). Нулевая точка 01 определяется как начало отсчета. FIG. 2 shows a schematic representation of a surgical instrument attachment structure. The attachment design is a support configured to position and secure the trocar thereon and to secure the instrument by securing the instrument drive. For precise positioning of the instrument, a trocar holder is used in the mount design. FIG. 2, numbers indicate the following structural elements: 1 - three-axis strain gauge (upper strain gauge); 2 - three-axis strain gauge sensor (bottom strain gauge gauge); 3 - trocar holder. The designations adopted in FIG. 2: 01 - the point of insertion of the trocar into the patient's body, around which two rotations of the instrument inserted into the trocar are made during the operation (zero point), the point is inside the trocar; A - the position of the end of the surgical instrument, which is inserted into the patient's body; B - the position of the opposite end of the surgical instrument installed in the drive of the surgical instrument. The angles of orientation (angles of rotation) of the surgical instrument in the horizontal plane and tilt are considered relative to the pivot point (zero point). Zero point 01 is defined as the origin.
Механическое взаимодействие элементов инструмента, конструкции крепления хирургического инструмента и элементов манипулятора реализуется через два многоосевых тензометрических датчика, один из которых расположен на одном конце инструмента под приводом инструмента, а другой - в месте закрепления троакара. Расположение тензометрических датчиков представлено на фиг. 2. The mechanical interaction of the elements of the instrument, the structure of the fastening of the surgical instrument and the elements of the manipulator is realized through two multi-axis strain gauges, one of which is located at one end of the instrument under the instrument drive, and the other at the place where the trocar is fixed. The location of the strain gauges is shown in FIG. 2.
Такое расположение тензометрических датчиков обладает следующими преимуществами: This arrangement of strain gauges has the following advantages:
• Физическое отдаление чувствительных элементов датчиков от зоны помех электрокоагуляции; • Physical distance of the sensitive elements of the sensors from the electrocoagulation interference zone;
• Предоставляет возможность использования различных инструментов без изменения их конструкции; • Provides the ability to use various tools without changing their design;
• Позволяет производить оценку сил по нескольким степеням свободы. • Allows you to evaluate forces in several degrees of freedom.
В качестве многоосевых тензометрических датчиков могут быть применены датчики изгиба на основе тензорезисторов, емкостные датчики деформации или датчики любого иного принципа действия, позволяющие произвести измерение приложенного к ним усилия. As multi-axis strain gauges, bending gauges based on strain gages, capacitive strain gauges or gauges of any other principle can be used. actions that allow you to measure the effort applied to them.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве тензометрических датчиков могут быть использованы датчики деформации с чувствительным элементом в виде тензорезистора. Датчики такого типа обладают высоким выходным сопротивлением, а сигнал имеет малую мощность, что ограничивает его распространение в пространстве. In a preferred embodiment of the invention, strain gauges with a sensitive element in the form of a strain gauge can be used as strain gauges. Sensors of this type have a high output impedance, and the signal has a low power, which limits its propagation in space.
Конструкция позволяет реализовать следующие возможности: The design allows you to implement the following features:
• Производить оценку сил, действующих на инструмент как минимум в пяти степенях свободы с использованием двух трехосевых тензометрических датчиков (три линейные степени свободы вдоль осей х, у, z и вращательные моменты вокруг осей х и у); • Assess the forces acting on the tool in at least five degrees of freedom using two three-axis strain gauges (three linear degrees of freedom along the x, y, z axes and rotational moments around the x and y axes);
• Производить оценку усилия захвата (усилия сжатия), контролируя одну степень свободы (степень свободы при захвате, сжатии исполнительных поверхностей хирургического инструмента); • Evaluate the gripping force (compression force), controlling one degree of freedom (the degree of freedom when gripping, compressing the executive surfaces of the surgical instrument);
• Производить оценку вращательной/скручивающей силы, действующей на инструмент (три вращательные степени свободы вокруг осей х, у, z); • Assess the rotational / twisting force acting on the tool (three rotational degrees of freedom around the x, y, z axes);
• При оценке сил учитывать силы, возникающие в месте контакта троакара с телом пациента; • When evaluating forces, take into account the forces arising at the point of contact of the trocar with the patient's body;
• Обеспечивать достаточную достоверность данных об усилиях в условиях электромагнитных помех, создаваемых электрокоагуляцией. • Ensure sufficient reliability of effort data in the presence of electromagnetic interference from electrocoagulation.
Во время работы исполнительные поверхности, расположенные на конце инструмента, введенного в тело пациента (исполнительная часть инструмента), совершают сложные движения, инициируемые и контролируемые хирургом. При возникновении сопротивления движению исполнительной части инструмента или при соприкосновении частей инструмента с тканью пациента возникает изгиб чувствительного элемента тензометрического датчика по соответствующей оси. Так как инструмент, располагаясь в конструкции крепления хирургического инструмента, контактирует с манипулятором в двух точках, одной из которых является зона расположения троакара, а другая - зона расположения привода хирургического инструмента, то выполняется измерение усилий в обоих точках и дальнейшая совместная обработка данных сигналов. During operation, the executive surfaces located at the end of the instrument inserted into the patient's body (the executive part of the instrument) perform complex movements initiated and controlled by the surgeon. When resistance arises to the movement of the executive part of the instrument or when parts of the instrument come into contact with the patient's tissue, a bending of the sensitive element of the strain gauge along the corresponding axis occurs. Since the instrument, located in the fastening structure of the surgical instrument, contacts the manipulator at two points, one of which is the trocar location zone, and the other is the location of the surgical instrument drive, the effort is measured at both points and further joint processing of these signals.
Выходы тензометрических датчиков подключены непосредственно к модулям цифровой обработки, которые производят усиление сигналов и их перевод в цифровую форму. Модули цифровой обработки могут быть расположены непосредственно возле тензометрических датчиков. Указанное расположение не является обязательным и может быть изменено при необходимости, например, при использовании тензометрических датчиков с платой усиления сигнала. Однако, расположение модуля цифровой обработки сигналов тензометрических датчиков в непосредственной близости к каждому используемому тензометрическому датчику является предпочтительным, так как обеспечивается высокое отношение сигнал-шум и устойчивость к внешним электромагнитным возмущениям. The outputs of the strain gauges are connected directly to the digital processing modules, which amplify the signals and convert them into digital form. The digital processing modules can be located directly next to the strain gauges. The specified location is optional and can be changed if necessary, for example, when using strain gauges with a signal amplification board. However, the location of the digital signal processing module of strain gauges in close proximity to each used strain gauge is preferable, since it provides a high signal-to-noise ratio and resistance to external electromagnetic disturbances.
Для измерения силы захвата/сжатия на исполнительных поверхностях хирургического инструмента, например, браншей, могут быть использованы датчики силы тока для двигателей, реализующих захват/сжатие. Принцип измерения усилия сжатия заключается в увеличении потребления тока двигателями при возникновении сопротивления движению захватывающих элементов конструкции инструмента. Двигатели, реализующие сжатие, являются частью привода хирургического инструмента. To measure the gripping / compressive force on the executive surfaces of the surgical tools such as jaws, current sensors for gripping / squeezing motors can be used. The principle of measuring the compression force is to increase the current consumption of the motors when resistance to the movement of the gripping elements of the tool structure occurs. Compression motors are part of the drive of the surgical instrument.
Для измерения вращательного момента вокруг оси z может быть применен датчик тока электродвигателя, обеспечивающего вращения вокруг данной оси. Принцип измерения вращательного момента заключается в увеличении потребляемого электродвигателем тока при возникновении сопротивления движению. Двигатели, реализующие вращение вокруг оси z, являются частью привода хирургического инструмента. To measure the torque around the z axis, an electric motor current sensor can be used, which provides rotation around this axis. The principle of torque measurement is to increase the current consumed by the electric motor when resistance to movement occurs. The motors that rotate around the z-axis are part of the drive for the surgical instrument.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве двигателей используют электрические двигатели (электродвигатели). Каждый из датчиков тока двигателей привода хирургического инструмента может быть соединен с системой управления электродвигателем. In a preferred embodiment of the invention, electric motors (electric motors) are used as motors. Each of the current sensors of the surgical instrument drive motors can be connected to a motor control system.
Модули цифровой обработки и системы управления электродвигателем соединены с модулем обработки за счет шины данных. Шина данных может представлять собой интерфейс RS485, CAN, Bluetooth или какой-либо другой проводной или беспроводной интерфейс передачи данных. Модуль обработки предназначен для групповой обработки и синхронизации сигналов от тензометрических датчиков, датчика вращательного момента и датчика усилия захвата. Использование отдельного устройства в качестве модуля обработки не является обязательным. Он может быть совмещен с каким-либо модулем цифровой обработки или с системой управления. Система управления использует данные, полученные от модуля обработки для дальнейшей организации обратной связи и передачи сигналов хирургу. Архитектура системы оценки сил представлена на фиг. 3. The digital processing modules and motor control systems are connected to the processing module via a data bus. The data bus can be RS485, CAN, Bluetooth, or some other wired or wireless data interface. The processing module is designed for group processing and synchronization of signals from strain gauges, torque transducer and gripping force transducer. The use of a separate device as a processing unit is optional. It can be combined with any digital processing module or with a control system. The control system uses the data received from the processing module to further organize feedback and transmit signals to the surgeon. The architecture of the force assessment system is shown in FIG. 3.
Ниже приведен один из возможных вариантов осуществления оценки сил, приложенных к инструменту. Инструмент и тензометрические датчики по отношению к рассматриваемой системе координат изображены на фиг.4. Below is one of the possible options for assessing the forces applied to the tool. The tool and strain gauges with respect to the considered coordinate system are shown in Fig. 4.
Силы, приложенные к инструменту и направленные вдоль осей х, у, z, будут вызывать деформацию тензометрических датчиков по соответствующим осям. При этом силы, направленные вдоль осей х и у, будут равны показаниям соответствующих осей тензометрического датчика, расположенного возле троакара (нижний тензометрический датчик). Сила, направленная вдоль оси z, будет равна показаниям тензометрического датчика, расположенного возле привода хирургического инструмента (верхний тензометрический датчик) по оси z. Линейные силы по соответствующим осям: где Fx - сила, направленная вдоль оси х, F, - сила, направленная вдоль оси у, F - сила, направленная вдоль оси z, Fzi - показания верхнего тензометрического датчика вдоль оси z, FX2 - показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси х, Fy2 - показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси у. Forces applied to the tool and directed along the x, y, z axes will cause strain gauges to deform along the corresponding axes. In this case, the forces directed along the x and y axes will be equal to the readings of the corresponding axes of the strain gauge sensor located near the trocar (lower strain gauge sensor). The force directed along the z-axis will be equal to the reading of the strain gauge located near the drive of the surgical instrument (upper strain gauge) on the z-axis. Linear forces along the corresponding axes: where F x is the force directed along the x axis, F is the force directed along the y axis, F is the force directed along the z axis, F zi - readings of the upper strain gauge along the z axis, F X2 - readings of the lower strain gauge along the x axis, F y2 - readings of the lower strain gauge along the y axis.
Оценка вращательных моментов возможна за счет расположения тензометрического датчика в непосредственном контакте с троакаром (нижний датчик), а второго датчика - на приводе хирургического инструмента (верхний датчик). При этом вращательные моменты будут пропорциональны разности показаний тензометрических датчиков с учетом поправки на длину плеча. За счет этого справедливы следующие выражения: где Mc - момент вращения вокруг оси х, Му - момент вращения вокруг оси у, Fxj - показания верхнего тензометрического датчика вдоль оси х, Fyi - показания верхнего тензометрического датчика вдоль оси у, FX2 - показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси х, Fy2 - показания нижнего тензометрического датчика вдоль оси у, 5 - расстояние от нулевой точки до места контакта привода хирургического инструмента с тензометрическим датчиком. The evaluation of the torques is possible due to the location of the strain gauge transducer in direct contact with the trocar (lower transducer), and the second transducer on the drive of the surgical instrument (upper transducer). In this case, the rotational moments will be proportional to the difference in the readings of the strain gauges, taking into account the correction for the arm length. Due to this, the following expressions are valid: where M c is the moment of rotation about the x axis, M y is the moment of rotation about the y axis, F xj are the readings of the upper strain gauge along the x axis, F yi are the readings of the upper strain gauge along the y axis, F X2 are the readings of the lower strain gauge along the axis x, F y2 - readings of the lower strain gauge along the y axis, 5 - distance from the zero point to the point of contact of the surgical instrument drive with the strain gauge.
Для оценки вращательного момента вокруг оси z, а также оценки усилия захвата, необходимо произвести измерение силы тока, потребляемого двигателями, обеспечивающими вращение вокруг оси z и перемещение браншей инструмента во время захвата/сжатия. В предпочтительном варианте осуществления в качестве двигателей используются электрические двигатели (электродвигатели). Как правило, для электрических двигателей зависимость потребляемого тока от приложенной к нему нагрузки близка к линейной, за исключением динамических характеристик, размещенных на оси вращения элементов. где MRz - вращательный момент вокруг оси z, -потребляемый двигателем оси rz ток, kz - коэффициент перевода тока во вращательный момент для двигателя оси rz, MG - вращательный момент сопротивления захвату, IG - потребляемый двигателем оси захвата ток, kg - коэффициент перевода силы тока в усилие для двигателя оси захвата. To estimate the torque around the z-axis, as well as to estimate the gripping force, it is necessary to measure the amperage consumed by the motors that rotate around the z-axis and move the jaws of the tool during gripping / squeezing. In a preferred embodiment, electric motors (electric motors) are used as motors. As a rule, for electric motors, the dependence of the consumed current on the load applied to it is close to linear, with the exception of the dynamic characteristics located on the axis of rotation of the elements. where M Rz is the rotational moment around the z axis, is the current consumed by the motor of the rz axis, kz is the coefficient of conversion of current into the torque for the motor of the rz axis, M G is the torque of resistance to the gripper, I G is the current consumed by the motor of the gripping axis, kg is the coefficient converting the current into the force for the gripper axis motor.
Приведенные выражения не являются единственно возможным вариантом осуществления оценки сил, приложенных к инструменту, но они являются достаточными для получения достоверных данных, необходимых для работы системы обратной связи в составе роботохирургического комплекса. The above expressions are not the only possible option for assessing the forces applied to the instrument, but they are sufficient to obtain reliable data necessary for the operation of the feedback system as part of a robotic surgical complex.
При разработке архитектуры системы были учтены предъявляемые к системе требования, а также особенности передачи аналоговых и цифровых сигналов в системах реального времени. When developing the system architecture, the requirements for the system were taken into account, as well as the features of the transmission of analog and digital signals in real-time systems.
Для более точной обработки данных тензометрических датчиков и датчиков силы тока двигателей в описываемой конструкции и способе оценки сил, к модулю преобразования и цифровой обработки предъявлены следующие требования: For more accurate processing of data from strain gauges and motor current sensors in the described design and method for assessing forces, the following requirements are imposed on the conversion and digital processing module:
• Обеспечение возможности преобразования сигналов от трехосевого тензометрического датчика на основе тензорезисторов в цифровую форму; • Providing the ability to convert signals from a three-axis strain gauge based on strain gages in digital form;
• Наличие микропроцессора для возможности фильтрации и цифровой обработки данных; • Presence of a microprocessor for filtering and digital data processing;
• Наличие цифрового интерфейса передачи обработанных данных. • Availability of a digital interface for transferring processed data.
Структурная схема модуля цифровой обработки представлена на фиг. 5. Сигналы о значении силы по трем степеням свободы, поступающие от тензометрического датчика, преобразуются в цифровую форму за счет аналого-цифрового преобразователя, затем поступают на микропроцессор. Микропроцессор осуществляет первичную обработку сигналов, в состав которой может входить фильтрация, алгоритмы зоны нечувствительности, вычитание влияния силы тяжести и другие. При необходимости микропроцессор может передать обработанные данные с использованием модуля приема и передачи. В качестве шины данных может выступать проводное или беспроводное соединение, например, Bluetooth, Wi-fi, RS485, CAN или другое. The block diagram of the digital processing module is shown in Fig. 5. Signals about the value of the force in three degrees of freedom, coming from the strain gauge, are converted into digital form by means of an analog-to-digital converter, and then fed to the microprocessor. The microprocessor carries out primary signal processing, which may include filtering, deadband algorithms, subtraction of the influence of gravity, and others. If necessary, the microprocessor can transmit the processed data using the transmit and receive module. The data bus can be a wired or wireless connection, for example, Bluetooth, Wi-fi, RS485, CAN or others.
С целью обеспечения работы системы в условиях электромагнитных помех целесообразно использование цифрового фильтра нижних частот, а также полосно-заграждающего (режекторного) фильтра с центральной частотой 50 Гц для первичной обработки сигналов от тензометрического датчика. Цифровой фильтр нижних частот - алгоритм, применяемый для подавления сигналов, частота которых превышает заданную. Пример амплитудно-частотной характеристики фильтра нижних частот представлен на фиг. 6. In order to ensure the operation of the system in conditions of electromagnetic interference, it is advisable to use a digital low-pass filter, as well as a band-stop (notch) filter with a central frequency of 50 Hz for primary processing of signals from a strain gauge sensor. A digital low-pass filter is an algorithm used to suppress signals that exceed a specified frequency. An example of the frequency response of a low pass filter is shown in FIG. 6.
Использование алгоритма фильтрации в данной системе позволит произвести подавление заведомо шумовых сигналов, частота которых превышает частоту полезных возмущений, возникающих в системе. The use of a filtering algorithm in this system will allow suppression of obviously noise signals, the frequency of which exceeds the frequency of useful disturbances arising in the system.
В связи с использованием в условиях операционной большого количества электроприборов, работающих от электрической сети 220 В 50 Гц, существует необходимость применения дополнительной фильтрации аналоговых сигналов с наличием полосы подавления в зоне 50 Гц. Так как устройство цифровой обработки имеет микропроцессор, является целесообразным применение алгоритма режекторного фильтра. Пример амплитудно-частотной характеристики фильтров подобного типа приведен на фиг. 7. In connection with the use in the operating room of a large number of electrical appliances operating from a 220 V 50 Hz electrical network, there is a need for additional filtering of analog signals with a suppression band in the 50 Hz zone. Since the digital processing device has a microprocessor, it is advisable to use a notch filter algorithm. An example of the frequency response of filters of this type is shown in FIG. 7.
Сила воздействия на тензометрические датчики вызывается двумя основными компонентами: внешними силами, возникающими как результат сопротивления при касании инструментом тканей пациента, и силой тяжести элементов конструкции крепления инструмента и самого инструмента. Сигнал, создаваемый силой тяжести, воздействующей на элементы конструкции, не является полезным для системы оценки сил, приложенных к инструменту, и требует устранения (вычитания). The force exerted on strain gauges is caused by two main components: external forces arising as a result of resistance when the instrument touches the patient's tissues, and the force of gravity of the structural elements of the fastening of the instrument and the instrument itself. The signal generated by the force of gravity acting on the structural members is not useful for the system for evaluating the forces applied to the tool and needs to be eliminated (subtracted).
Инструмент, находящийся в контакте с тензометрическими датчиками, через систему крепления инструмента всегда оказывает на них воздействие, вызванное силой тяжести. Сигналы, вызываемые силой тяжести, действующей на элементы конструкции и инструмент, являются нежелательными для дальнейшей передачи на систему управления. Одним из методов компенсации силы тяжести является вычитание из сигнала тензометрических датчиков постоянных значений, соответствующих силе тяжести и полученных до начала операции методом калибровки. Принцип методики заключается в определении показаний тензометрических датчиков при отсутствии приложенных к инструменту внешних сил, кроме силы тяжести элементов конструкции. Для этого величины сигналов, поступаемых от тензодатчиков, при нахождении инструмента в положении, готовом к работе, запоминаются модулем обработки в качестве нулевого состояния. При дальнейшей работе сигналы, возникающие в системе, будут являться суммой воздействий силы тяжести и сил, прикладываемых к исполнительному механизму инструмента, что позволит эффективно вычитать гравитационную составляющую. Основные преимущества метода состоят в простоте реализации и малых требованиях к вычислительной мощности модуля цифровой обработки. Недостатком является ограничение применения для проведения операций, которые требуют значительного по скорости и амплитуде перемещения элементов конструкции манипулятора, что может создать иное распределение нагрузок от силы тяжести на тензометрические датчики. The tool in contact with the strain gauges always exerts a gravity-induced effect on them through the tool holder system. Signals caused by gravity acting on structural elements and tools are undesirable for onward transmission to the control system. One of the methods of gravity compensation is the subtraction of constant values from the signal of strain gauges, corresponding to the force of gravity and obtained before the operation by the calibration method. The principle of the technique is to determine the readings of strain gauges in the absence of external forces applied to the tool, except for the gravity of structural elements. For this, the values of the signals received from the strain gauges, when the tool is in a position ready for operation, are memorized by the processing module as a zero state. During further operation, the signals arising in the system will be the sum of the effects of gravity and the forces applied to the actuator of the tool, which will effectively subtract the gravitational component. The main advantages of the method are simplicity of implementation and low requirements for the computational power of the digital processing module. The disadvantage is the limitation of use for operations that require a significant in speed and amplitude of movement of the manipulator structure elements, which can create a different distribution of gravity loads on strain gauges.
Описанная методика компенсации влияния силы тяжести не является единственно возможной для реализации в рамках описываемой системы оценки сил, приложенных к инструменту. Возможны реализации иных алгоритмов, более эффективно решающих задачу компенсации сил тяжести, например, алгоритмов, основанных на модели движения используемого манипулятора, алгоритмов с частотным разделением сигналов, например, на основе фильтра верхних частот, и других. Реализация более эффективных алгоритмов компенсации сил тяжести не вызывает изменений конструкции и принципа работы описываемой системы оценки сил, приложенных к инструменту. The described method of compensating for the influence of gravity is not the only one possible for implementation within the framework of the described system for assessing the forces applied to the tool. It is possible to implement other algorithms that more effectively solve the problem of gravity compensation, for example, algorithms based on the motion model of the manipulator used, algorithms with frequency division of signals, for example, based on a high-pass filter, and others. The implementation of more efficient algorithms for compensation of gravity forces does not cause changes in the design and principle of operation of the described system for assessing the forces applied to the tool.
Существует возможность применения в системе оценки сил алгоритмов компенсации сил, вызываемых сопротивлением троакара движению инструмента, и компенсации динамических характеристик элементов, размещенных на оси вращения двигателей. Использование каких-либо алгоритмов компенсации сопротивления троакара движению инструмента и компенсации динамических характеристик элементов не вызывает изменений конструкции и принципа работы описываемой системы оценки сил, приложенных к инструменту. There is a possibility of using algorithms for the compensation of forces caused by the resistance of the trocar to the movement of the instrument and compensation for the dynamic characteristics of elements located on the axis of rotation of the motors in the force assessment system. The use of any algorithms for compensating the resistance of the trocar to the movement of the instrument and compensating for the dynamic characteristics of the elements does not cause changes in the design and the principle of operation of the described system for assessing the forces applied to the instrument.
Измерение вращательного момента MRZ И усилия захвата MG ВОЗМОЖНО реализовать за счет измерения силы тока, потребляемого двигателями. Реализацию данного принципа измерений целесообразно производить за счет интеграции измерительного контура в систему управления двигателями, так как система управления содержит в себе микропроцессор и контур измерения силы тока, протекающего через электродвигатель. Для проведения интеграции была разработана структурная схема, изображенная на фиг. 8. Measuring the torque MR Z AND the gripping force MG MAY be realized by measuring the current drawn by the motors. It is advisable to implement this measurement principle by integrating the measuring circuit into the motor control system, since the control system contains a microprocessor and a circuit for measuring the current flowing through the electric motor. To carry out the integration, a block diagram was developed as shown in FIG. eight.
Прикладываемая к элементам конструкции сила вызывает сопротивление движению, которое обеспечивается работой электродвигателя хирургического инструмента и вызывает увеличение потребляемого им тока, протекающего через инвертор и датчик тока. Показания датчика тока переводятся в цифровой вид за счет использования аналого-цифрового преобразователя и передаются в систему управления электродвигателем. Система управления электродвигателем имеет связь с другими элементами системы за счет модуля приема и передачи данных. The force applied to the structural elements causes resistance to movement, which is provided by the operation of the electric motor of the surgical instrument and causes an increase in the current consumed by it, flowing through the inverter and the current sensor. The current sensor readings are digitized using an analog-to-digital converter and transmitted to the motor control system. Electric motor control system has a connection with other elements of the system due to the module for receiving and transmitting data.
Таким образом, информация о приложенных силах получена за счет различных контуров контроля, часть - за счет использования тензометрических датчиков, часть - за счет измерения силы тока двигателей. Для обработки данных, поступающих на модуль обработки (фиг. 3), который является центральным устройством для системы оценки сил, в предпочтительном варианте изобретения используется алгоритм синхронизации данных. Thus, information about the applied forces was obtained due to various control loops, partly due to the use of strain gauges, and partly due to measuring the current strength of the motors. A data synchronization algorithm is used in the preferred embodiment of the invention to process the data supplied to the processing module (FIG. 3), which is the central unit for the force estimation system.
Алгоритм синхронизации данных во времени - алгоритм, позволяющий восстановить последовательность событий, происходящих в системе. Одним из распространенных методов является организация контролируемых задержек, длительность которых зависит от типа возникающего события и структуры тракта передачи информации. Демонстрация работы алгоритма такого типа приведена на фиг. 9. Algorithm for data synchronization in time - an algorithm that allows you to restore the sequence of events occurring in the system. One of the common methods is the organization of controlled delays, the duration of which depends on the type of event occurring and the structure of the information transmission path. A demonstration of this type of algorithm is shown in FIG. nine.
Одновременные события 1, 2 и 3 имеют различное время запаздывания в тракте обработки, что видно на левой части фиг. 9. Восстановление последовательности событий, приближенной к реальной последовательности, возможно за счет организации задержек 1, 2, 3. Simultaneous events 1, 2, and 3 have different latency times in the processing path, as can be seen on the left side of FIG. 9. Restoration of the sequence of events close to the real sequence is possible due to the organization of delays 1, 2, 3.
Недостатком алгоритмов подобного типа является увеличение общей задержки системы, но в современных условиях производительности систем реального времени на основе микропроцессоров данный недостаток не является существенным в связи с высокой частотой дискретизации . The disadvantage of algorithms of this type is an increase in the total system delay, but in modern conditions of performance of real-time systems based on microprocessors, this disadvantage is not significant due to the high sampling rate.
Данные с модуля обработки данных поступают на систему управления роботохирургическим комплексом и передаются в систему управления контроллера хирурга. Data from the data processing module goes to the control system of the robotic surgical complex and is transmitted to the control system of the surgeon's controller.
Хирург удерживает в руках контроллер и, перемещая его, формирует цифровой сигнал, с помощью которого через систему управления роботохиругическим комплексом и манипулятор происходит управление инструментом (Фиг. 1). При соприкосновении инструмента с тканями пациента или троакаром возникают силы, воздействующие на инструмент. Система оценки сил определяет эти силы, преобразует информацию в цифровой сигнал, который через систему управления роботохирургическим комплексом в обратном порядке передается на контроллер хирурга. Контроллер хирурга устроен таким образом, что получает эти сигналы и преобразовывает их в механическое движения контроллера по направлению, противоположному движениям руки хирурга, управляющей инструментом. The surgeon holds the controller in his hands and, moving it, generates a digital signal with the help of which the instrument is controlled through the control system of the robotic-surgical complex and the manipulator (Fig. 1). When the instrument comes into contact with the patient's tissue or trocar, forces are generated that act on the instrument. The force assessment system determines these forces, converts the information into a digital signal, which is transmitted to the surgeon's controller in the reverse order through the control system of the robotic surgical complex. The surgeon's controller is designed in such a way that it receives these signals and converts them into mechanical movements of the controller in the direction opposite to the movements of the surgeon's hand controlling the instrument.
Возникающее сопротивление создает на руке ощущение, как если бы она касалась тканей. Интуитивно понятное и совпадающее с движениями руки перемещение инструмента, а также осязание касания инструментом тканей создает у хирурга ощущения, что он во время операции на роботохирургическом комплексе удерживает инструмент непосредственно в руке. The resulting resistance creates a sensation on the hand as if it were touching tissue. The intuitive movement of the instrument that coincides with the movements of the hand, as well as the sense of touching the tissue with the instrument, makes the surgeon feel that he is holding the instrument directly in the hand during the operation on the robotic surgical complex.
Дальнейшая реализация приведенных методов и разработанных конструкций позволит достичь следующих технических характеристик для системы оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы: Further implementation of the above methods and the developed designs will allow achieving the following technical characteristics for the system for assessing the forces acting on the instrument of the robotic surgical system:
1. Количество степеней свободы оценки усилия - 7 : три линейные степени свободы вдоль осей х, у, z, три вращательные степени свободы вокруг осей х, у, z, степень свободы при захвате; 1. The number of degrees of freedom for assessing the effort - 7: three linear degrees of freedom along the x, y, z axes, three rotational degrees of freedom around the x, y, z axes, the degree of freedom at capture;
2. Частота дискретизации: не менее 250 Гц; 2. Sampling frequency: not less than 250 Hz;
3. Тип датчиков для измерения усилий: Зх-осевые тензометрические датчики, датчики потребляемого двигателями тока; 3. Type of sensors for measuring forces: 3x-axis strain gauges, sensors of current consumed by motors;
4. Возможность работы в условиях помех, создаваемых инструментом с электрокоагуляцией. 4. Ability to work in conditions of interference created by the instrument with electrocoagulation.
Проведенное моделирование, проектирование элементов конструкции, разработка принципов работы, принципов и методов обработки и передачи данных позволяют сделать вывод о состоятельности предложенных гипотез, выбранные подходы к разработке были теоретически обоснованы, указаны их достоинства и недостатки. Разработанная конструкция позволит реализовать метод оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы, не обладающий недостатками уже существующих конструкций и позволяющий полностью решить поставленную задачу. The carried out modeling, design of structural elements, development of operating principles, principles and methods of data processing and transmission allow us to conclude about the consistency of the proposed hypotheses, the selected development approaches were theoretically substantiated, their advantages and disadvantages were indicated. The developed design will make it possible to implement a method for assessing the forces acting on the instrument of a robotic surgical system, which does not have the drawbacks of existing designs and allows you to completely solve the problem.
Применение системы оценки сил, действующих на инструмент роботизированной хирургической системы, позволит качественно проводить операции за счет точных действий хирурга, достоверного определения типа и механических характеристик оперируемой ткани. Это достигается благодаря следующим характеристикам: The use of a system for assessing the forces acting on the instrument of a robotic surgical system will allow high-quality operations due to the precise actions of the surgeon, reliable determination of the type and mechanical characteristics of the operated tissue. This is achieved due to the following characteristics:
1. Обеспечение семи степеней свободы при измерении действующих на инструмент сил: трех линейных степеней, трех вращательных и одной степени свободы при захвате; 1. Providing seven degrees of freedom when measuring the forces acting on the tool: three linear degrees, three rotational and one degree of freedom when gripping;
2. Использования по меньшей мере двух многоосевых тензометрических датчиков для определения направления и модуля действующих сил; 2. The use of at least two multi-axis strain gauges to determine the direction and modulus of acting forces;
3. Расположения измерительных и прочих электрических цепей, чувствительных к электромагнитным помехам, на удалении от зоны воздействия электрокоагуляции; 3. Location of measuring and other electrical circuits, sensitive to electromagnetic interference, at a distance from the zone of exposure to electrocoagulation;
4. Использования дополнительного контура оценки силы движения захвата; 4. Using an additional contour for evaluating the force of the gripper movement;
5. Использование внешних, не расположенных непосредственно в инструменте, конструкций для установки измерительных элементов, электрических цепей и механизмов. 5. The use of external, not located directly in the tool, structures for the installation of measuring elements, electrical circuits and mechanisms.
6. Прием и передача сигналов/команд в системе управления системы оценки силы может быть реализована проводным или беспроводным способом; 6. Reception and transmission of signals / commands in the control system of the force assessment system can be realized by wire or wireless;
7. Использование цифровой обработки сигналов с целью устранения помех; 7. Use of digital signal processing to eliminate interference;
8. Использование модуля цифровой обработки с поддержкой различных алгоритмов обработки измеряемых данных. 8. Use of a digital processing module with support for various algorithms for processing measured data.
Данная система обеспечивает вклад в роботизированную и/или компьютерную хирургию минимального инвазивного вмешательства, предлагая достоверно точную и дифференцированную по источникам оценку воздействия сил на роботохирургический инструмент в условиях электромагнитного шума, которая бы осуществляла передачу измеренных данных на вышестоящую систему управления роботохирургического комплекса. This system provides a contribution to robotic and / or computer-assisted surgery for minimally invasive intervention, offering a reliably accurate and source-differentiated assessment of the effect of forces on a robotic surgical instrument in conditions of electromagnetic noise, which would transfer the measured data to the superior control system of the robotic surgical complex.
Пример. Лабораторные испытания прототипа системы выполнялись из условия оценки погрешности измерения сил в стандартных условиях для роботохирургии. Example. Laboratory tests of the prototype of the system were carried out from the condition of evaluating the error in measuring the forces under standard conditions for robotic surgery.
Для испытания возможности оценки сил, действующих на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенных к любой части его конструкции было произведено следующее. To test the possibility of evaluating the forces acting on a surgical instrument of a robotic surgical system, applied to any part of its structure, the following was performed.
Был собран испытательный стенд с использованием двух 3-х осевых тензометрических датчиков, один из которых расположен в точке крепления привода хирургического инструмента, а второй в точке крепления держателя троакара. A test bench was assembled using two 3-axis strain gauges, one of which is located at the attachment point of the surgical instrument drive, and the other at the attachment point of the trocar holder.
К сервоприводу поворота инструмента вокруг продольной оси (вращение вокруг оси z) и сервоприводу, обеспечивающему сжатие исполнительных поверхностей хирургического инструмента, были подключены датчики силы тока для измерения вращательного момента, создаваемого двигателями. В блок привода инструмента был установлен инструмент с заранее известными параметрами длины и жесткости. Расстояние между тензометрическими датчиками было зафиксировано и измерено. Current sensors were connected to the servo-drive for rotating the instrument around the longitudinal axis (rotation around the z-axis) and the servo drive, which provides compression of the executive surfaces of the surgical instrument, to measure the torque generated by the motors. A tool with previously known parameters of length and stiffness was installed in the tool drive unit. The distance between the strain gauges was recorded and measured.
Для обеспечения тестового воздействия на испытательный стенд по шести степеням свободы был применен параллельный механизм типа гексапод. Гексапод - это механизм, состоящий из двух площадок - неподвижно закрепленной и подвижной, приводимой в движение при помощи шести независимых прецизионных серводвигателей. Каждый сервопривод оборудован датчиками положения и развиваемого усилия, благодаря чему можно проводить позиционирование по 3-м линейным (X, U, Z) и трем угловым координатам (вращение вокруг соответствующих осей Ох, Оу, Oz), а также оценивать усилия по каждой из координат. К подвижной платформе гексапода посредством крепежных элементов был присоединен дистальный конец хирургического инструмента. При помощи системы управления гексапода по каждой из степеней свободы производились приращения с фиксированием развиваемого усилия. A parallel mechanism of the hexapod type was used to provide a test effect on the test bench in six degrees of freedom. Hexapod is a mechanism consisting of two platforms - fixed and movable, driven by six independent precision servo motors. Each servo is equipped with position and developed force sensors, so that positioning can be carried out along 3 linear (X, U, Z) and three angular coordinates (rotation around the corresponding axes Ox, Oy, Oz), as well as assess the efforts along each of the coordinates ... The distal end of the surgical instrument was attached to the movable platform of the hexapod by means of fasteners. With the help of the hexapod control system, increments were made for each of the degrees of freedom with fixing the developed effort.
Сигналы по пяти степеням получены из показаний тензометрических датчиков. Сигнал о шестой степени свободы - вращение вокруг оси z - из показаний датчика силы тока привода, с использованием коэффициента перевода. Signals in five degrees are obtained from readings of strain gauges. Sixth degree of freedom signal - rotation around the z-axis - from the drive current sensor, using a conversion factor.
В результате выполненных испытаний была выявлена возможность оценки сил по шести степеням свободы не хуже, чем 10% процентов от показаний, принятых эталонными. As a result of the tests performed, the possibility of evaluating the forces by six degrees of freedom was found to be no worse than 10% of the readings taken as reference.
Для измерения усилия сжатия исполнительных поверхностей хирургического инструмента использовалась полая гибкая резиновая трубка малого диаметра от 4 мм до 6 мм. Один конец данной трубки закупорен, а ко второму подключен высокоточный датчик давления. При помощи сервопривода инструмента, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей инструмента, данная трубка пережималась и фиксировалось создаваемое давление внутри трубки. За счет сравнения показаний датчика силы тока двигателя, обеспечивающего сжатие исполнительных поверхностей, и давления внутри трубки оценивалась возможность измерения силы смыкания (силы сжатия). Таким образом, предлагаемая конструкция системы оценки сил позволяет оценить силы, действующие на хирургический инструмент роботизированной хирургической системы, приложенные к любой части его конструкции, оценить силы захвата, возникающие при смыкании браншей хирургического инструмента, однозначно определить численные значения сил и их направления. При этом конструкция самого хирургического инструмента не подвергается при этом никаким изменениям. To measure the compressive force of the executive surfaces of the surgical instrument, a hollow flexible rubber tube of small diameter from 4 mm to 6 mm was used. One end of this tube is blocked, and a high-precision pressure sensor is connected to the other. With the help of the servo-drive of the tool, which provides compression of the executive surfaces of the tool, this tube was pinched and the created pressure inside the tube was recorded. By comparing the readings of the motor current sensor, which provides compression of the actuating surfaces, and the pressure inside the tube, the possibility of measuring the closing force (compression force) was evaluated. Thus, the proposed design of the force assessment system makes it possible to evaluate the forces acting on a surgical instrument of a robotic surgical system applied to any part of its structure, to assess the gripping forces that arise when the jaws of a surgical instrument are closed, to unambiguously determine the numerical values of the forces and their directions. In this case, the design of the surgical instrument itself does not undergo any changes.
Стандартные условия для роботохирургии включают наличие электромагнитных помех (коагуляция, работа манипуляторов, работа системы управления, работа мобильных телефонов, наличие силовых электрических кабелей и другие). Исследование влияния электромагнитных помех на оценку сил производилось с использованием медицинского электрокоагулятора, широко применяемого при хирургических вмешательствах. Электрокоагуляция является основным источником широкополосных помех, вызываемых возникновением электрических разрядов между обрабатываемой тканью и поверхностью хирургического инструмента. Standard conditions for robotic surgery include electromagnetic interference (coagulation, manipulators, control systems, mobile phones, power cables, and others). The study of the influence of electromagnetic interference on the assessment of forces was carried out using a medical electrocoagulator, which is widely used in surgical interventions. Electrocoagulation is the main source of broadband interference caused by the generation of electrical discharges between the treated tissue and the surface of the surgical instrument.
Исследования влияния помех электрокоагулятора производились за счет записи показаний от двух 3 -осевых тензометрических датчиков, при этом указанные датчики системы оценки сил были последовательно расположены в нескольких точках пространства с различным расстоянием от рабочей зоны электрокоагулятора и определенным расстоянием между собой. Также были проведены испытания с изменением выходной мощности электрокоагулятора. Studies of the influence of electrocoagulator interference were carried out by recording readings from two 3-axis strain gauges, while these sensors of the force assessment system were sequentially located at several points in space with different distances from the working area of the electrocoagulator and a certain distance between themselves. Also, tests were carried out with a change in the output power of the electrocoagulator.
Вторым по распространённости источником помех является бытовая сеть 240В 50Гц. Исследования влияния бытовой сети проводились за счет последовательного расположения прототипа системы оценки сил в нескольких точках пространства с различным расстоянием от силового провода 240В 50Гц, питающего нагрузку мощностью 500Вт. Выходные сигналы были обработаны алгоритмом Быстрого Преобразования Фурье для построения спектрального представления сигналов для оценки влияния на частоте 50 Гц. The second most common source of interference is the home network 240V 50Hz. Studies of the influence of the household network were carried out due to the sequential arrangement of the prototype of the force assessment system at several points in space with different distances from the 240V 50Hz power wire supplying the 500W load. The output signals were processed with the Fast Fourier Transform algorithm to construct a spectral representation of the signals to assess the impact at 50 Hz.
В результате испытаний были выявлены низкое влияние внешних электромагнитных помех, высокое отношение сигнал-шум, высокая точность, что обусловлено конструкцией системы оценки сил и применяемой цифровой обработкой сигналов. Низкое влияние электромагнитных помех и высокое отношение сигнал-шум достигаются за счет расположения тензометрических датчиков путем отдаления их чувствительных элементов от зоны помех электрокоагуляции и использования цифровых методов фильтрации. As a result of the tests, a low influence of external electromagnetic interference, a high signal-to-noise ratio, and high accuracy were revealed, which is due to the design of the force assessment system and the digital signal processing used. A low influence of electromagnetic interference and a high signal-to-noise ratio are achieved due to the location of strain gauge sensors by moving their sensitive elements away from the electrocoagulation interference zone and using digital filtering methods.
Таким образом, была доказана возможность бесперебойной работы системы оценки сил в условиях использования электрокоагуляции хирургическим инструментом и устойчивость к электромагнитным помехам от бытовой сети. Применение цифровых методов фильтрации позволяет отсеивать большинство нежелательных помех. Thus, the possibility of uninterrupted operation of the force assessment system under the conditions of using electrocoagulation with a surgical instrument and resistance to electromagnetic interference from the household network was proved. Digital filtering techniques filter out most of the unwanted interference.
Были проведены испытания со следующими исходными данными: номинальная нагрузка для тензодатчиков - 100 Н, коэффициент усиления измерительного тракта -2000, количество разрядов аналогово-цифрового преобразователя - 16 бит, частота дискретизации - 14, 7 кГц, максимальная сила тока для датчика оценки вращательного момента привода оси z, оси сжатия исполнительных поверхностей инструмента - 5 А. Tests were carried out with the following initial data: nominal load for strain gauges - 100 N, gain of the measuring path - 2000, number of analog-to-digital converter bits - 16 bits, sampling frequency - 14.7 kHz, the maximum current for the sensor for evaluating the torque of the drive of the z-axis, the compression axis of the tool working surfaces is 5 A.
В результате выполненных испытаний получены следующие результаты: средняя оценка погрешности в 5% от измерительного диапазона, при этом максимальная погрешность при наличии внешних наводок в виде коагуляции и электромагнитных помех с применением цифровых методов обработки составляет до 10%. Уровень погрешности оценки является удовлетворительным для большинства задач в хирургической лапароскопии. Кроме того, достигнутая с помощью прототипа общая задержка сигнала с учетом тракта усиления и модуля приема и передачи данных составляет не более 3 мс, что делает систему широко пригодной для телеуправления. 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. As a result of the tests performed, the following results were obtained: the average error estimate is 5% of the measuring range, while the maximum error in the presence of external interference in the form of coagulation and electromagnetic interference using digital processing methods is up to 10%. The level of estimation error is satisfactory for most tasks in surgical laparoscopy. In addition, the total signal delay achieved with the help of the prototype, taking into account the amplification path and the module for receiving and transmitting data, is no more than 3 ms, which makes the system widely suitable for telecontrol. Although the present patent application relates to the invention defined in the claims appended below, it is important to note that this patent application contains the basis for the formulation of other inventions, which may, for example, be claimed as the subject of the amended claims of the present application or as the subject of the claims in separated and / or continuing application. Such an object can be characterized by any feature or combination of features described herein.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143616 | 2019-12-25 | ||
| RU2019143616A RU2721462C1 (en) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | Evaluation of force on robotosurgical instrument |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2021133229A1 true WO2021133229A1 (en) | 2021-07-01 |
Family
ID=70735371
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/050375 Ceased WO2021133229A1 (en) | 2019-12-25 | 2020-12-11 | Estimating the force on a robotic surgical instrument |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2721462C1 (en) |
| WO (1) | WO2021133229A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116269782A (en) * | 2023-03-14 | 2023-06-23 | 珠海通桥医疗科技有限公司 | A control system and method for a surgical robot with force feedback |
| CN118490364A (en) * | 2024-05-09 | 2024-08-16 | 杭州三坛医疗科技有限公司 | Full-orthopedics platform operation robot and navigation method thereof |
| CN120245007A (en) * | 2025-06-04 | 2025-07-04 | 首都医科大学附属北京积水潭医院 | A method for estimating the lateral force of patients during surgical robot operation |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6493608B1 (en) * | 1999-04-07 | 2002-12-10 | Intuitive Surgical, Inc. | Aspects of a control system of a minimally invasive surgical apparatus |
| US20090248038A1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-10-01 | Intuitive Surgical Inc., A Delaware Corporation | Force and torque sensing in a surgical robot setup arm |
| US20180194013A1 (en) * | 2006-10-25 | 2018-07-12 | The European Atomic Energy Community (Euratom), Represented By The European Commission | Force estimation for a minimally invasive robotic surgery system |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5767648A (en) * | 1996-04-19 | 1998-06-16 | Massachusetts Institute Of Technology | Base force/torque sensor apparatus for the precise control of manipulators with joint friction and a method of use thereof |
| RU122326U1 (en) * | 2012-01-18 | 2012-11-27 | Олег Владимирович Галимов | ROBOTIC SYSTEM FOR CARRYING OUT END VIDEO SURGICAL OPERATIONS |
-
2019
- 2019-12-25 RU RU2019143616A patent/RU2721462C1/en active
-
2020
- 2020-12-11 WO PCT/RU2020/050375 patent/WO2021133229A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6493608B1 (en) * | 1999-04-07 | 2002-12-10 | Intuitive Surgical, Inc. | Aspects of a control system of a minimally invasive surgical apparatus |
| US20180194013A1 (en) * | 2006-10-25 | 2018-07-12 | The European Atomic Energy Community (Euratom), Represented By The European Commission | Force estimation for a minimally invasive robotic surgery system |
| US20090248038A1 (en) * | 2008-03-31 | 2009-10-01 | Intuitive Surgical Inc., A Delaware Corporation | Force and torque sensing in a surgical robot setup arm |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116269782A (en) * | 2023-03-14 | 2023-06-23 | 珠海通桥医疗科技有限公司 | A control system and method for a surgical robot with force feedback |
| CN118490364A (en) * | 2024-05-09 | 2024-08-16 | 杭州三坛医疗科技有限公司 | Full-orthopedics platform operation robot and navigation method thereof |
| CN120245007A (en) * | 2025-06-04 | 2025-07-04 | 首都医科大学附属北京积水潭医院 | A method for estimating the lateral force of patients during surgical robot operation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2721462C1 (en) | 2020-05-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12070282B2 (en) | Methods, systems, and devices relating to force control surgical systems | |
| US12496148B2 (en) | Surgery supporting apparatus for controlling motion of robot arm | |
| CN110559082B (en) | Surgical robot and control method and control device for mechanical arm of surgical robot | |
| RU2741469C1 (en) | Robotic surgical system | |
| US8740882B2 (en) | Medical robotic system and method of controlling the same | |
| US20090326324A1 (en) | Robotic system for assisting in minimally-invasive surgery, which can position a surgical instrument in response to orders from a surgeon, is not attached to the operating table and does not require pre-calibration of the insertion point | |
| WO2021133229A1 (en) | Estimating the force on a robotic surgical instrument | |
| CN108210078B (en) | Surgical robot system | |
| CN107961078A (en) | Surgical robot system and its operating theater instruments | |
| TW202007501A (en) | Robotic arm | |
| WO2021188017A1 (en) | Assistive surgical complex | |
| JP7079899B2 (en) | Robot joint control | |
| KR101096571B1 (en) | Force or torque measuring device of robot haptic master device and method thereof | |
| WO2021075213A1 (en) | Surgical robot system, external force estimation device, and program | |
| KR20070037565A (en) | Trocar for passing surgical instruments | |
| RU2718568C1 (en) | Wrist controller for use in operator's robot-surgery system controller | |
| KR102221090B1 (en) | User interface device, master console for surgical robot apparatus and operating method of master console | |
| Tavakoli et al. | Design issues in a haptics-based master-slave system for minimally invasive surgery | |
| JP2015180238A (en) | Medical robot | |
| WO2021107819A1 (en) | Operator controller for controlling a robotic surgical complex | |
| US20230233275A1 (en) | Controlling a surgical instrument | |
| WO2012015090A1 (en) | Medical robotic system and method of controlling the same | |
| US20220378538A1 (en) | Surgical robot and controller of surgical robot | |
| RU2716353C1 (en) | Hand controller for use in robot surgery system operator's controller | |
| JP7079881B2 (en) | Robot joint control |
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: 20905110 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20905110 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |