Робот-манипулятор

Настоящая полезная модель относится к медицинской технике, а конкретно, к многофункциональный роботу-манипулятору, в основном для роботоассистенции в высокоточной хирургии. Технической задачей настоящей полезной модели является расширение области использования роботосистем, повышение точности проведения хирургическою вмешательства, прежде всего, при выполнении операций на сложных анатомических структурах. Для решения этой задачи рука робота-манипулятора выполнена в виде последовательно соединенных между собой с помощью вращательных кинематических пар подвижных звеньев, представляющих собой поворотное звено, звено качания плеча, плечо, предплечье, запястье, звено качания кисти и звено ротации кисти, подсоединенных к неподвижному звену.

Настоящая полезная модель относится к медицинской технике, а конкретно, к многофункциональному медицинскому роботу - манипулятору, предназначенному, в основном, для роботоассистенции в высокоточной хирургии (превосходящей физиологические возможности человека для позиционирования и перемещения хирургических инструментов) и предназначен для ассистенции:

- широкого класса хирургических операций, в том числе на сердечно-сосудистой системе, центральной нервной системе, грудной и брюшной полостях, опорно-двигательной системе и др.;

- обработке наружных и внутренних поверхностей и полостей при ожоговых и инфицированных ранах.

Как известно, в начале девяностых годов значительное развитие получила роботизированная лапароскопия. Серийно выпускались две роботизированные хирургические системы - это хирургическая система, известная под торговой маркой "DA VINCI", разработанная компанией Intuitive Surgical Inc., Саннивейл, Калифорния, и хирургическая система, известная под торговой маркой "ZEUS", первоначально разработанная компанией Computer Motion Inc., Голета, Калифорния. Хирургическая система, известная под именем "DA VINCI", описана в патентах US 6,659,939; US 6,837,883 и других патентных документах. Хирургическая система, известная под именем "ZEUS", описана в патентах US 6,102,850; US 5,855,583; US 5,762,458; US 5,515,478 и другой патентной литературе. Медицинские роботы-манипуляторы таких систем включали укрепленную на основании руку (или руки манипулятора), оснащенную съемными инструментами. Системы содержали также панель управления и систему для визуального контроля за ходом операции.

Эти известные телеуправляемые роботы-манипуляторы позволяют управлять хирургическим вмешательством либо напрямую из операционного зала, либо из удаленного местоположения, используя обратный визуальный контроль на панели управления. Однако, высокие затраты на их приобретение и эксплуатационные расходы, а также ограниченность их применения препятствует их распространению.

Обе системы были разработаны специально для кардиологической хирургии, в которой топологическая анатомия постоянна, рабочее место мало, и поэтому точность движения инструмента и манипуляционные возможности требуются только в ограниченном пространстве.

Поэтому, конструкция данных систем неудобна для использования в других видах хирургии (включая гинекологию, урологию и общую хирургию), в которых рабочее пространство больше, чем в кардиологии, а анатомическая топология варьируется (иногда непредсказуемо), при этом, механические свойства тканей и органов различны.

Технической задачей настоящей полезной модели является расширение области использования роботосистем, повышение точности проведения хирургического вмешательства, прежде всего, при выполнении операций на сложных анатомических структурах, обеспечение безопасности пациента во время операции. Предлагаемое устройство должно обеспечить автоматическое и полуавтоматическое наведение рабочих и вспомогательных инструментов в операционной зоне при проведении хирургических вмешательств, облегчить труд медицинского работника, выполняющего хирургическую операцию с применением робота-манипулятора.

Для решения этой задачи предложен медицинский робот-манипулятор, который содержит руку манипулятора с приспособлением для установки хирургических инструментов, стойку для перемещения руки манипулятора и ее фиксации, пост управления и систему видеонаблюдения, при этом рука манипулятора установлена с возможностью обеспечения вращения и поступательного перемещения хирургического инструмента относительно его продольной оси и качания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях вокруг фокуса, расположенного на рабочем конце инструмента, посредством выполнения ее в виде последовательно соединенных с помощью вращательных кинематических пар подвижных звеньев, представляющих собой подсоединенное к стойке через неподвижное звено поворотное звено, звено качания плеча, звено плеча, звено предплечья, запястье, звено качания инструмента и звено ротации инструмента.

При этом, подвижные звенья руки манипулятора имеют приводы со встроенными волновыми редукторами.

Предпочтительно, что в качестве приводов плеча и предплечья руки манипулятора выбран привод FHA-14C-100-D200-E с редуктором, имеющим передаточное отношение 100.

Предпочтительно, что в качестве привода запястья руки манипулятора выбран привод FHA-8C-100-D200-E с передаточным отношением редуктора 100.

Робот-манипулятор может быть дополнительно снабжен устройством очувствления для определения усилий, действующих на хирургический инструмент во время операции.

Предпочтительно, что устройство очувствления содержит в основном многокомпонентный силомоментный датчик.

Предлагаемый робот-манипулятор предназначен для применения в специализированных и многопрофильных клиниках. В числе возможных областей применения могут быть:

- сердечно-сосудистая хирургия при проведении внутрисосудистых манипуляций с целью восстановления проходимости магистральных артерий при ишемических заболеваниях сердца, верхних и нижних конечностей

- нейрохирургия; при проведении малоинвазивных манипуляций: биопсии поверхностных и глубинных опухолей, опорожнении кист, дренировании абсцессов и гематом; установка электродов в глубинные структуры мозга при функциональных заболеваниях ЦНС; ассистенция при проведении эндоскопических манипуляций на головном мозге(трансназальные, интракраниальные)

- онкология; для ассистенции прецизионного введения лекарственных и диагностических средств в зоны опухолевого роста; роботизация лучевой терапии опухолей

- ожоговая и гнойная хирургия при проведении фармакологической, гидро- и механообработки обширных поверхностных и внутренних ран.

Схематично, предлагаемое устройство показано на чертежах, где на фиг.1 представлен внешний вид робота-манипулятора, на фиг.2 - внешний вид руки манипулятора, на фиг.3 - кинематическая схема руки манипулятора, на фиг.4 - многокомпонентный силомоментный датчик устройства очувствления, на фиг.5 - схема расположения робота-манипулятора относительно операционного стола при роботизированной ретракции операционной области.

Робот-манипулятор содержит руку манипулятора 1, стойку 2 для перемещения и фиксации, пост управления 3, предназначенный для управления всеми системами робота - манипулятора хирургом-оператором в полуавтоматическом или автоматическом режимах, и представляющий собой персональный компьютер в промышленном исполнении, снабженный дополнительным монитором для отображения изображения с видеокамеры манипулятора и джойстиком для ручного управления движением систему видеонаблюдения, предназначенную для визуализации и видеофиксации этапов операции, (на чертежах не показана), расположенную на отдельной подвижной стойке, что позволяет добиться наиболее удобного расположения видеокамер по отношению к манипулятору и пациенту, размещенному на операционной кровати 4.

Стойка 2 руки манипулятора, предназначенная для перемещения ее в операционной и фиксации около операционного стола, представляет собой передвижное устройство с системой тормозов, обеспечивающих неподвижное положение манипулятора около операционного стола.

Рука манипулятора 1 предназначена для манипулирования хирургическим инструментом массой до 1 кг в условиях операционной. Основном требованием. предъявляемым к руке манипулятора, является точность и плавность выполняемых перемещений инструмента в пределах длин перемещений до 700 мм.

Конструктивно рука манипулятора выполнена в виде опорно-поворотного устройства 5, привода качания плеча 6, плеча 7, предплечья 8, блока приводов ориентации 9, хирургического инструмента 10, приспособления для установки хирургического инструмента 11.

Как показано на фиг.3, исполнительная кинематическая цепь руки манипулятора выполнена в виде последовательно соединенных между собой с помощью вращательных кинематических пар подвижных звеньев, представляющих собой подсоединенное к неподвижному звену 12 поворотного звена 13, звена качания плеча 14, звена плеча 15, звена предплечья 16, звена запястья 17, звена качания инструмента 18 и звена ротации инструмента 19.

Все семь степеней подвижности руки манипулятора вращательные. Во всех звеньях используются электродвигатели со встроенным волновым редуктором. Наличие волновых редукторов обеспечивает безлюфтовость руки манипулятора. В конструкции звеньев первых 4-х степеней подвижности (опорно-поворотное устройство, привод качания плеча, привод вращения плеча, привод качания предплечья) двигатели дополнительно снабжены волновыми редукторами. Большое передаточное отношение (3000), получаемое при этом позволяет, с одной стороны, получить высокую жесткость руки манипулятора, положительно сказывающуюся на точности, а с другой стороны, обеспечивает безопасность пациента. Звенья последних трех степеней подвижности имеют передаточное отношение равное 100. Каждое звено степени подвижности снабжено датчиком угла поворота (потенциометром), позволяющим определит, на какой угол данная звено повернуто относительно следующего. Звенья первые 4 степеней подвижности снабжены еще и индуктивным датчиком, позволяющим отследить начальное (нулевое) положение звена, (на чертежах датчики не показаны).

Вращательные сочленения подвижных звеньев между собой осуществляются с помощью безлюфтовых четырехточечных подшипников качения, входящих в состав приводов и редукторов.

Введение в конструкцию руки манипулятора седьмой степени подвижности дает ряд преимуществ по сравнению с шестистепенным манипулятором:

- увеличивает маневренность манипулятора благодаря возможности изменения конфигурации звеньев кинематической цепи при заторможенном конечном звене (инструменте);

- увеличивает возможности использования манипулятора при работе с расположенными в рабочей зоне препятствиями (вспомогательным оборудованием);

- позволяет более удобно расположить манипулятор по отношению к обслуживающему персоналу; при этом, можно, не изменяя положение инструмента изменять положение локтя, образованного плечом и предплечьем. Это обстоятельство позволяет говорить о большем удобстве для врача, работающего рядом с таким манипулятором;

- увеличивает возможности системы управления по управлению качеством движения манипулятора.

Опорно-поворотное устройство 5 содержит основание (на чертеже не показано), являющееся неподвижным звеном 12 руки манипулятора, волновой редуктор и привод. (на чертежах не показаны).

Плечо 7 содержит привод вращения плеча с волновым редуктором и привод предплечья с редуктором CPU-17A-100-H. (на чертежах не показаны) (звено 15)

Привод качания плеча 6 содержит корпус, который является поворотным звеном руки манипулятора (звено 13) и угловой корпус (на чертежах не показаны), являющийся звеном качания плеча 14.

Предплечье 8 (звено 16) содержит корпус, который является запястьем и привод вращения запястья (звено 17).

Блок приводов ориентации 9 содержит два сервопривода FHA-8C-100-D200-E, смонтированных с взаимно перпендикулярными осями вращения внутри корпуса (на чертежах не показаны) (звено качания инструмента 18), привода и приспособления для крепления хирургических инструментов 11 (звено ротации инструмента 19).

Робот-манипулятор дополнительно может быть снабжен устройством очувствления для определения усилий, действующих на хирургический инструмент, основным элементом которого является многокомпонентный силомоментный датчик, показанный на фиг.4.

При выполнении работ с роботом-манипулятором хирург-оператор управляет им, находясь на посту управления и пользуясь системой видеонаблюдения. Размещенные на посту управления 4 задающие рукоятки, (см. поз.3 на фиг.1) позволяют перемещать с руку 1 робота-манипулятора с укрепленным в ней хирургическим инструментом 10. Задающие рукоятки представляют собой одно- и двухстепенные промышленные джойстики. Одна рукоятка позволяет вращать хирургический инструмент, установленный на руке манипуляторе вокруг его (инструмента) продольной оси. Вторая рукоятка позволяет вращать хирургический инструмент вокруг фокуса, расположенного на рабочем конце инструмента. Третья рукоятка позволяет хирургическому инструменту совершать плоские движения в двух направлениях над горизонтальной плоскостью, либо поворачивать локоть манипулятора, образованный плечом и предплечьем, без изменения положения инструмента. Четвертая рукоятка позволяет перемещать хирургический инструмент вперед и назад.

При этом хирург-оператор может выбрать режим управления роботом-манипулятором: полуавтоматический, автоматический. На пульт управления может быть выведена информация об усилиях, приложенных к хирургическому инструменту, а видеоизображения этапов операции могут быть записаны в память компьютер.. На пульте управления находится кнопка экстренного останова, позволяющая остановить робот-манипулятор в случае ошибочных действий хирурга.

Работа предлагаемого устройства продемонстрирована на примере использования робота-манипулятора в качестве ассистента при проведении операций, (фиг.5 чертежей)

В хирургической практике регулярно возникает необходимость длительно удерживать инструменты в операционном поле в определенном положении и с определенным усилием. Удержанием инструмента обычно занимается хирург-ассистент. Если позволяет методика проведения операции, удержание может обеспечивать механическая конструкция. В случае использования механической конструкции при необходимости корректировки положения затрачивается время на взаимодействие с ее техническими элементами: винтами, крепежами, рычагами и т.д.

Применение робота-манипулятора в подобных случаях позволит существенно облегчить труд хирурга-ассистента (особенно при необходимости использования нефизиологичных поз и при необходимости приложения длительных усилий) или сократить время на переориентацию фиксируемого инструментария (при замене механической удерживающей конструкции). Робот-манипулятор при этом используется в качестве 2-го/3-го ассистента. Наиболее частым случаем необходимости длительного удержания хирургического инструмента является ретракция операционного поля. Рассмотрим сценарий применения робота-манипулятора при удержании ретрактора.

Операция включает в себя несколько этапов:

- этап 1. Предоперационная подготовка;

Перед операцией пациента транспортируют в операционную и укладывают на операционном столе. Стойку с роботом-манипулятором закрепляют относительно операционного стола с ближайшей к операционному полю стороны. Выполняют эндотрахиальный наркоз. Закрепляют ретрактор в приспособлении для крепления робота-манипулятора.

- этап 2. Обеспечение хирургического доступа;

Выполняется обеспечение доступа к подлежащим тканям. Хирург рассекает скальпелем кожный покров, подкожную жировую клетчатку. Рассекаются мягкие ткани под жировой клетчаткой с целью обеспечения доступа к опухоли.

- этап 3. Ретракция операционного поля;

Хирург-оператор с помощью робота-манипулятора в ручном режиме подводит ретрактор к краю операционного поля и отодвигает его в необходимое положение (фиг.5), руководствуясь указаниями хирурга и картинкой видеоассистенции.

- этап 4. Удаление опухоли;

Хирург удаляет опухоль. В процессе удаления хирург дает указания хирургу-оператору по корректировке положения ретрактора. Хирург-оператор, пользуясь картинкой видеоассистенции, перемещает ретрактор в нужное положения с помощью робота-манипулятора.

- этап 5. Сближение тканей с помощью специальных швов;

Хирург ушивает операционную рану в непосредственной области операции.

По команде хирурга хирург-оператор с помощью робота-манипулятора корректирует положение ретрактора, убирает ретрактор. Хирург послойно ушивает мягкие ткани.

- этап 6. Сближение кромок кожного покрова;

Хирург ушивает ткани кожного покрова.

- этап 7. Завершение операции.

Проводится необходимая обработка операционной области.

Некоторые технические характеристики предлагаемого робота-манипулятора приведены в таблице 1.

Таблица 1
Техническая характеристика	Значение
Номинальная грузоподъемность, кг	1,0
Число степеней подвижности	7
Тип привода электромеханический	-
Напряжение питания, В	18
Максимальный потребляемый ток, A	20
Углы поворота по степеням подвижности,
-относительно вертикальной оси	360°
-качания плеча	±120°
-ротации плеча	360°
-качания предплечья	360°
-ротации запястья	360°
-качания кисти	±120°
-ротации инструмента	360°
Максимальные угловые скорости ОПУ, качания плеча, ротации плеча и качания предплечья, °/c	12
Максимальные угловые скорости ротации запястья, качания запястья и ротации инструмента, °/c	90
Максимальный радиус зоны обслуживания, м	0,93
Масса манипулятора, кг	23,0

1. Медицинский робот-манипулятор, характеризующийся тем, что содержит руку манипулятора с приспособлением для установки хирургических инструментов, стойку для перемещения руки манипулятора и ее фиксации, пост управления и систему видеонаблюдения, при этом рука манипулятора установлена с возможностью обеспечения вращения и поступательного перемещения хирургического инструмента относительно его продольной оси и качания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях вокруг фокуса, расположенного на рабочем конце инструмента, посредством выполнения ее в виде последовательно соединенных с помощью вращательных кинематических пар подвижных звеньев, представляющих собой подсоединенное через неподвижное звено к стойке поворотное звено, звено качания плеча, звено плеча, звено предплечья, запястье, звено качания инструмента и звено ротации инструмента.

2. Робот-манипулятор по п.1, отличающийся тем, что подвижные звенья руки манипулятора имеют приводы со встроенными волновыми редукторами.

3. Робот-манипулятор по п.2, отличающийся тем, что в качестве приводов плеча и предплечья руки манипулятора выбран привод FHA-14C-100-D200-E с редуктором, имеющим передаточное отношение 100.

4. Робот-манипулятор по п.2, отличающийся тем, что в качестве привода запястья руки манипулятора выбран привод FHA-8C-100-D200-E с передаточным отношением редуктора 100.

5. Робот-манипулятор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен устройством очувствления для определения усилий, действующих на хирургический инструмент.

6. Робот-манипулятор по п.4, отличающийся тем, что устройство очувствления содержит многокомпонентный силомоментный датчик.