BRPI0707438A2 - sistema robóticas médico - Google Patents

Abstract

SISTEMA ROBóTICO MéDICO A presente invenção se refere a um sistema robótico médico (10) para a realização de procedimentos médicos, compreendendo um robó manipulador (14) para o manuseio roboticamente assistido de uminstrumento médico, em particular um instrumento de cirurgia laparoscópica (18). O robó manipulador (14) compreende uma base (24); um braço de manipulador (26) com uma parte essencialmente vertical (27) suportada pela base e com uma parte essencialmente horizontal (29) suportada pela parte vertical (27); um pulso de manipulador (28) suportado pelo braço de manipulador (26); e uma unidade executora (30) suportada pelo pulso de manipulador (28) e configurada para segurar um instrumento médico. O braço de manipulador (26) tem uma configuração cinemáticaPRP cilíndrica para o posicionamento do pulso de manipulador (28). Mais particularmente, a configuração cinemática PRP tem a seguinte seqúência de juntas: uma primeira junta (Jl) prismática (P) para variar a altura da parte vertical (27) ao fornecer um grau de liberdade transíacional ao longo de um eixo essencialmente vertical, uma segunda junta (J2) de revolução (R) para variar o ângulo rotacional entre a parte vertical (27) e a parte horizontal (29) ao fornecer um grau de liberdade rotacional em torno de um eixo essencialmente vertical, e uma terceira junta (J3) prismática (P) para variar o alcance da parte horizontal (29) ao fornecer um grau de liberdade transíacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal.

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO

Pedido de Patente de Invenção para "SISTEMA ROBÓTICO

MÉDICO"

Campo da Invenção

A invenção reivindicada se refere ao campo dos equipamentosmédicos, e mais particularmente a um sistema robótico médico pararealizar procedimentos médicos, em particular procedimentos cirúrgicostais como procedimentos minimamente invasivos.

Fundamentos da Invenção

É bem sabido que, ao contrário da laparotomia, osprocedimentos médicos minimamente invasivos têm o benefício de reduzira quantidade de tecido extrínseco que é danificada durante osprocedimentos diagnósticos ou cirúrgicos. Isto resulta em um tempo derecuperação mais curto do paciente, menos desconforto e efeitos colateraisdeletérios, e menos gastos para a estada no hospital. Hoje em dia, emcirurgias gerais, e nas especialidades em urologia, ginecologia ecardiologia, há um aumento da quantidade de operações cirúrgicasrealizadas por procedimentos minimamente invasivos, tais como astécnicas laparoscópicas.

As técnicas minimamente invasivas em geral, e a laparoscopiaem particular, de fato apresentam requisitos mais severos sobre o cirurgiãoque conduz a operação. O cirurgião opera em uma posição desconfortável ecansativa, com um campo visual limitado, liberdade de locomoção reduzidae pouca percepção tátil. A esses problemas adiciona-se o fato de que oscirurgiões com freqüência têm que realizar diversas intervençõesconsecutivas por dia, cada intervenção durando, por ex., de 30 minutos atévárias horas. Apesar dessas dificuldades, a tendência em direção aosprocedimentos minimamente invasivos irá provavelmente aumentaragudamente nos próximos anos devido à população envelhecida e a pressãodos custos sobre o campo médico.

Na laparoscopia, exige-se obviamente que o cirurgião seja tãopreciso em seus movimentos quanto na laparotomia. A manipulação deinstrumentos com longos eixos com a destreza da movimentação reduzidapara quatro graus de liberdade em torno de um fulcro na entrada de acessodo instrumento, isto é, na incisão no corpo do paciente, não alivia essatarefa. As complicações surgem, entre outras razões, devido ao fato de quea postura requerida é muito cansativa e reduz a percepção já limitada dasforças de interação entre o instrumento e os tecidos. Por exemplo, quando ocirurgião fica ao lado do paciente, ele deve erguer e manter estendido umde seus braços para segurar o instrumento inserido no lado oposto dopaciente. Em resultado, as capacidades motoras do cirurgião normalmentecaem após 20 a 30 minutos, tais como, dentre outras, tremedeira, perda deprecisão e perda de sensibilidade tátil, ocorrem junto com os riscosresultantes para o paciente. Em conseqüência, novas tecnologias, tais comoa laparoscopia assistida roboticamente, estão surgindo com vista a melhorara eficiência, qualidade e segurança das intervenções.

Tendo em vista o exposto acima, a laparoscopia assistidaroboticamente conheceu progressos significativos desde o início dos anosnoventa. Dois sistemas de cirurgia robótica comercialmente disponíveisrepresentativos são o sistema de cirurgia conhecido pela marca iDA VINCFdesenvolvido pela Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, Califórnia EUA, e osistema de cirurgia conhecido pela marca iZEUS' originalmentedesenvolvido pela Computer Motion Inc., Goleta, Califórnia EUA. Osistema de cirurgia conhecido pelo nome iDA VINCP é descrito por, entreoutros, Moll e outros em US 6.659.939; US 6.837.883, e em outrosdocumentos de patente da mesma depositante. O sistema de cirurgiaconhecido pelo nome iZEUS' é descrito, entre outros, por Wang e outrosem US 6.102.850; US 5.855.583; US 5.762.458; US 5.515.478 e em outrosdocumentos de patente depositados pela Computer Motion Inc., Goleta,

Califórnia EUA.

Esses sistemas robóticos tele-operados permitem o controle deintervenções cirúrgicas diretamente a partir do local da operação ou a partirde um local remoto, utilizando informações visuais em um terminal. Emqualquer caso, a postura cansativa do cirurgião é eliminada.

Além dos altos custos da compra e da manutenção dessessistemas robóticos, a sua difusão e aceitação na comunidade médica sãolimitadas, entre outras razões, por causa de uma falta de versatilidade.Ambos esses sistemas são projetados especificamente para cirurgiascardiológicas, onde a anatomia topológica é constante, a área de trabalho épequena e, portanto, é necessária a movimentação precisa dos instrumentosapenas em um espaço limitado. Sendo assim, o projeto mecânico dessessistemas não está prontamente adequado para uso em outros tipos decirurgia (incluindo a ginecologia, a urologia e cirurgia geral), em que oespaço de operação é maior do que na cardiologia, a topologia anatômica évariável (às vezes imprevisível), e as propriedades dos tecidos e órgãos sãodiversas.

Independentemente desses dois sistemas específicos, o projetomecânico de manipuladores em sistemas de cirurgia robótica tem bastanteprogresso à sua frente em vários aspectos, dentre os quais a versatilidade dosistema é apenas um no meio de muitos outros.

Objetivo da Invenção

Sendo assim, o objetivo da invenção reivindicada aqui éoferecer um sistema robótico médico para realizar procedimentos médicos,compreendendo um robô manipulador que possua uma configuraçãocinemática melhorada.

Descrição Geral da InvençãoPara alcançar este objetivo, é proposto um sistema robóticomédico para realizar procedimentos médicos, em particular procedimentoslaparoscópicos, compreendendo um robô manipulador para assistirroboticamente o manuseio de um instrumento médico, em particular uminstrumento cirúrgico laparoscópico, como revelado aqui adiante. Deacordo com um aspecto da invenção, o robô manipulador compreende umabase; um braço de manipulador que possui uma parte essencialmentevertical suportada pela base e uma parte essencialmente horizontalsuportada pela parte vertical; um pulso de manipulador suportado pelobraço de manipulador; e uma unidade executora suportada pelo pulso demanipulador e configurada para segurar um instrumento médico. De acordocom um outro aspecto da invenção, o braço manipulador possui umaconfiguração cinemática PRP cilíndrica para o posicionamento do pulso demanipulador. Mais particularmente, a configuração cinemática PRPproposta inclui em seqüência as seguintes três juntas: uma primeira juntaprismática (P) para fazer variar a altura da parte vertical ao fornecer umgrau de liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmentevertical, uma segunda junta de revolução (R) para fazer variar o ângulorotacional entre a parte vertical e a parte horizontal ao fornecer um grau deliberdade rotacional em torno de um eixo essencialmente vertical, e umaterceira junta prismática (P) para fazer variar o alcance da parte horizontalao fornecer um grau de liberdade translacional ao longo de um eixoessencialmente horizontal.

Dentre outras vantagens descritas aqui adiante, estaconfiguração cinemática específica do braço de manipulador oferece:

a redução do espaço necessário acima do paciente porum único braço de manipulador que permita, entre outros recursos, o usode um maior número de braços de manipulador separados em uma dadaintervenção;o posicionamento da base do manipulador a uma certadistância a partir do paciente de modo que para se colocar o robômanipulador em uma posição de afastamento no caso de uma emergênciarequer meramente que se movimente a parte horizontal do braço até umaposição não obstrutora;

a facilitação do acesso do pessoal ao paciente e tambémà região do instrumento cirúrgico, por ex., para se trocar instrumentos;

a facilitação da prevenção de colisões entre braços;o uso de um mínimo de juntas no braço de manipuladorpropriamente, isto é, somente três juntas, para fornecer três GDL paraposicionar o pulso, sendo eliminadas quaisquer juntas redundantes e emparticular juntas passivas.

Deve ser entendido que diferentes arranjos de eixo de umaconfiguração PRP são possíveis. O arranjo de eixos indicado acima éconsiderado a configuração cinemática mais adequada para a publicaçãorevelada. Deve ser entendido ainda que, entre outros aspectos e em termosde cinemática, dos requisitos do acionador e do controle do robô, umaconfiguração de robô cilíndrica PRP é fundamentalmente diferente de, porex., uma configuração PRR como divulgada, por ex., em US5351676 ou deuma configuração RPP como divulgada em US6120433.

Um técnico no assunto irá perceber também que aconfiguração cinemática proposta aqui questiona a crença de que aSCARA, isto é, um certo tipo de configuração PRR, seja considerada amais apropriada para as aplicações laparoscópicas. Essa crença por muitotempo estabelecida é confirmada nas literaturas científica e patentária,como, por ex., na monografia uA Robotic Case Study: Optimal DesignforLaparoscopic Positioning Stands"; A. Faraz e Sh. Payandeh; Proeeedingsofthe 1997 IEEE Int. Conf. on Roboties and Automation\ Abril 1997; (verparágrafo 2.2 em particular).Além disso, a configuração cinemática proposta contribui parauma maior versatilidade do sistema. Em outras palavras, este projeto dorobô manipulador faz com que o sistema seja adequado para uma variedadede aplicações, especialmente para cirurgias minimamente invasivas, mastambém para intervenções ortopédicas ou de biópsias, para terapiaspercutâneas, para a coleta de pele, para diagnósticos por ultra-som, etc.

Como será percebido, o sistema robótico revelado rompe como paradigma de acordo com o qual as configurações cinemáticas SCARArepresentam a escolha mais apropriada no caso específico de um sistemarobótico médico. Um exemplo representativo de um sistema médico robôutilizando manipuladores com a configuração SCARA é o sistemamencionado anteriormente conhecido pela marca "ZEUS", descrito, porex., em US6102850; US5855583; US5762458 e US5515478.

Quanto à versatilidade do sistema robótico médico, os sistemasrobóticos médicos em existência são geralmente projetados para um tipo deintervenção específico. Os sistemas iiDA VINCF e iiZEUS", por exemplo,foram projetados especialmente para cirurgias cardiológicas. Porconseqüência, como mencionado acima, esses sistemas são projetados parainstrumentos articulados especiais. Além disso, por causa do espaço detrabalho limitado nas intervenções cardiológicas, a movimentação dosinstrumentos é normalmente reduzida por conversão a partir dos comandosdo cirurgião na interface tátil desses sistemas. Na cirurgia laparoscópicageral (incluindo e ginecologia e a urologia) o espaço de operação é maiordo que na cardiologia, a topologia anatômica é variável (às vezes atémesmo imprevisível), e as propriedades mecânicas dos tecidos e dos órgãossão diversas. Uma área de trabalho maior implica um maior envelope demovimentação de instrumentos e a necessidade de escala de movimentação1:1. Em resultado, na laparoscopia geral, uma dinâmica de movimentaçãoaumentada é necessária para se seguir precisamente o movimento das mãosdo cirurgião. A partir de testes experimentais descobriu-se que as mãos docirurgião produzem altas velocidades em um espaço de trabalho pequeno, eportanto uma aceleração muito elevada. A velocidade pode atingir até100°/s ao longo dos eixos de fulcro de arfagem (pitch) e de guinada (yaw),e 200 mm/s na direção da penetração. Em escala de 1:1 e nas condiçõesmencionadas, os sistemas acima apresentam vibrações, oscilações e perdade precisão. O robô manipulador, descrito em mais detalhes aqui abaixo, éprojetado para reduzir tais problemas e portanto para que seja adequado auma variedade de intervenções de cirurgias laparoscópicas em geral.

Além disso, muitos sistemas em existência têm, além de ummanipulador para o endoscópio, apenas dois manipuladores para osinstrumentos cirúrgicos em si. Isso resulta em mais tempo de intervençãodevido a freqüentes e complexos procedimentos de troca de instrumentos.Em uma intervenção típica, o cirurgião usa de cinco a sete tipos deinstrumentos e com freqüência precisa trocá-los por diversas dezenas devezes. Usualmente, a troca de instrumentos leva de 5 a 10 segundos,dependendo da habilidade do assistente do cirurgião, e essas operações detroca contribuem substancialmente para o tempo total da intervenção (emaproximadamente 10 a 20%). Muitos dos sistemas robóticos existentes nãosão prontamente adequados para intervenções típicas que requeiram de trêsa quatro entradas de acesso de instrumentos. Outros sistemas são restritos aintervenções de diagnóstico que são normalmente de duração curta(aproximadamente 20 minutos) e freqüentemente não justificam o custo deum sistema de robótica. Idealmente, um sistema de cirurgia robótico deveser modular e ter a capacidade de administrar até quatro entradas de acessode instrumento e uma entrada de acesso de endoscópio. Uma restriçãosignificativa, relacionada ao projeto de manipuladores adequados, é que asentradas de acesso podem estar distantes entre si por alguns centímetrosapenas e os respectivos instrumentos precisam ser posicionados quaseparalelos ou um em cima do outro. Além disso, é desejável que osmanipuladores não limitem excessivamente a visão do cirurgião sobre ocorpo do paciente e as entradas de acesso. O sistema robótico médico, emvirtude especialmente da configuração cinemática do braço demanipulador, mas também devido a vários outros recursos descritos aquiabaixo e considerados inventivos em si, aborda estes últimos problemas,entre outros, e facilita o uso simultâneo de uma pluralidade de robôsmanipuladores.

Uma outra limitação relevante dos sistemas existentes dizrespeito à falta de meios seguros e confiáveis para a prevenção de colisõesentre manipuladores diferentes, entre manipuladores e o pessoal no palcode operação, e entre instrumentos e o endoscópio. Qualquer potencialcolisão representa no entanto um grave risco à saúde do paciente epossivelmente a do pessoal de operação, e portanto a prevenção eficaz decolisões em sistemas de cirurgia robóticos é de grande importância. Esseproblema obviamente se torna ainda mais crítico com um número maior derobôs manipuladores utilizado durante uma dada intervenção. Em virtudeda configuração cinemática PRP, por um lado, os riscos de potenciaiscolisões são reduzidos por causa da obstrução reduzida pelo próprio braçode manipulador e, por outro lado, os métodos para a detecção e a prevençãode colisões são simplificados.

Será percebido que o sistema oferece a possibilidade demanobras necessária com um número mínimo de juntas, isto é, com seisGDL com apenas seis juntas. Nenhuma outra junta redundante sãofornecidas para a movimentação do manipulador. Em particular,instrumentos especiais com extremidades distais articuladas não sãonecessários. Além disso, todas as juntas são acionadas, isto é, nenhumajunta passiva (não acionada) ou de rotação livre está presente no robômanipulador, devido a que o controle robótico é significativamentemelhorado. A eliminação de juntas passivas redundantes, que sãocomumente utilizadas em sistemas conhecidos, por ex., para evitar tensãonos trocares, é obtida, entre outros meios, providenciando-se o conjunto desensores na interface entre a sexta junta e o acionador de instrumentolaparoscópico. Esse arranjo do conjunto de sensores permite a medição dasforças e restrição de controle não apenas no nível da ponta do instrumentomas também no nível do trocar. Uma outra particularidade pode serobservada no fato de que as juntas do pulso e da unidade executora sãotodas rotativas, ou seja, nenhuma junta prismática é fornecida nessas peças.

Em uma modalidade vantajosa, que entre outros aspectosaumenta a rigidez do manipulador, a primeira junta (P) possui uma guialinear vertical e um primeiro acionador linear, preferivelmente um eixo defuso de esfera linear, para acionar a primeira junta (P). De formasemelhante, a terceira junta (P) possui vantajosamente uma guia linearhorizontal e um segundo acionador linear, preferivelmente um eixo de fusode esfera linear, para acionar a terceira junta (P). Além disso, tanto aprimeira como a terceira junta tem preferivelmente um freio e um sensor deposição absoluta respectivamente associado a ele.

Para proteger os componentes da parte vertical e para minimizar as dimensões da porção mais importante da parte vertical acimado paciente, é preferível que a parte horizontal compreenda uma coberturaalongada que encubra a guia linear horizontal e o segundo acionador linear,sendo que a parte horizontal compreende uma viga que se encurta emrelação à cobertura em um lado e suporta o pulso no outro lado.

Vantajosamente, a segunda junta (R) tem uma engrenagem,preferivelmente uma engrenagem de transmissão harmônica, um motor,preferivelmente um servo-motor, acoplado ao estágio de entrada, e umsensor de posição absoluta acoplado ao estágio de saída da engrenagem.Uma construção compacta é desse modo obtida, o que permiteadicionalmente a detecção de uma falha do mecanismo de acionamento nasegunda junta (R).

Em mais uma modalidade preferida, o pulso de manipuladorcompreende uma quarta junta de revolução (R) e uma quinta junta derevolução (R) para orientar a unidade executora. Conseqüentemente, obraço de manipulador e o pulso de manipulador juntamente fornecemexatamente cinco graus de liberdade controláveis.

Para assegurar uma certa distância do paciente, facilitando oacesso para o pessoal, por ex., no caso de uma emergência, a partehorizontal do braço possui preferivelmente um afastamento de elos mínimode 800 mm, isto é, uma certa distância mínima entre os eixos de rotação dasegunda e da quarta juntas (R). Deve-se notar que o espaço ocupado pelabase deve ser levado em consideração ao calcular o afastamento necessáriopara a passagem desimpedida do pessoal.

Preferivelmente, os eixos de rotação da quarta junta (R) e dasegunda junta (R) são paralelos. É preferivelmente ainda que o eixo derotação da quarta junta (R) seja co-planar com o plano formado pelo eixode rotação da segunda junta (R) e pelo eixo de translação da terceira junta

(P).

Mais particularmente, em uma configuração preferida, a quartajunta (R) fornece um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixoessencialmente vertical para ajustar o ângulo de guinada (yaw) da unidadeexecutora, e sendo que a quinta junta (R) fornece um grau de liberdaderotacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal para ajustar oângulo de arfagem (pitch) da unidade executora. Evidentemente, o ângulode guinada depende também da verdadeira configuração da segunda junta(R). Esta última é portanto levada em consideração para o ajuste do ângulode guinada por meio da quarta junta (R). Em combinação com aconfiguração cinemática do braço de manipulador, esta configuraçãoimpede singularidades de manipuladores como ficará mais aparente aquiadiante. Uma cinemática inversa simplificada e uma possibilidade demanobras melhorada são alcançadas em uma modalidade preferida em queo pulso compreende uma placa de suporte conectada à parte horizontal dobraço, e um membro de suporte substancialmente em forma de "L", sendoque a quarta junta (R) une uma primeira porção horizontal do membro desuporte à placa de suporte, e a quinta junta (R) une uma segunda porçãovertical do membro de suporte a um meio conector para a unidadeexecutora, sendo o pulso configurado de um modo tal que os eixos derotação da quarta junta (R) e da quinta junta (R) tenham um ponto deinterseção.

Para a manipulação roboticamente assistida de instrumentoslaparoscópicos, a unidade executora preferivelmente compreende umacionador de instrumento laparoscópico que possua meios para montar uminstrumento cirúrgico no manipulador, e um mecanismo de acionamentolinear para acionar um instrumento cirúrgico montado. Nessa últimaconfiguração para os instrumentos laparoscópicos, é preferível que aunidade executora compreenda uma armação de suporte principal paraconectar a unidade executora ao pulso e uma sexta junta de revolução (R)que uma o acionador de instrumento laparoscópico à armação de suporteprincipal, a sexta junta (R) fornecendo um grau de liberdade rotacional aolongo de um eixo que coincide com o eixo longitudinal de um instrumentocirúrgico montado no acionador de instrumento laparoscópico para ajustaro ângulo de bancagem (roll) do instrumento cirúrgico montado. Nestaúltima modalidade, é preferível que os eixos de rotação da sexta junta (R) eda quinta junta (R) sejam perpendiculares. É no entanto tambémconcebível, por ex., em aplicações do sistema robótico que não sejamcirurgias minimamente invasivas, que esses eixos possam ser oblíquos, porexemplo, para prevenir singularidades devido a um possível alinhamentoda sexta e da quarta juntas (R).

Preferivelmente, o pulso de manipulador é configurado de ummodo tal que os eixos de rotação da sexta junta (R) e da quarta junta (R)sejam afastados por uma distância que corresponda aproximadamente aodiâmetro do acionador de instrumento laparoscópico em sua seçãotransversal maior. A modalidade permite que dois robôs manipuladoresoperem em incisões localizadas proximamente com um risco de colisãoreduzido.

Para permitir a informação sobre forças em uma interface tátildo cirurgião, a unidade executora compreende vantajosamente um conjuntode sensores que compreende um sensor de força/torque com seis graus deliberdade (GDL) e um acelerômetro com seis GDL5 sendo que o conjuntoconecta o acionador de instrumento laparoscópico à sexta junta (R). Esseconjunto de sensores permite a medição da aceleração linear e angular e dainclinação do acionador de instrumentos laparoscópicos e de quaisquerforças ou torques exercidos por um instrumento montado sobre o corpo deum paciente. O acelerômetro linear e angular é utilizado para compensar ainfluência gravitacional e de outras acelerações sobre o sensor deforça/torque.

Muitos sistemas robóticos médicos em existência carecem deinformações sobre forças, e assim impedem que o cirurgião tenha apercepção das forças exercidas sobre os tecidos do paciente. Assim, ocirurgião tem que confiar apenas nas informações visuais sobre seusmovimentos para limitar a interação do instrumento com os tecidos. Comefeito, a informação sobre as forças contribui significativamente para asegurança no uso da robótica para a laparoscopia cirúrgica. Além disso, osentido tátil é relevante para os órgãos palpitantes, para segurar órgãosviscosos com um instrumento que não esteja no campo visual doendoscópio, para aplicar a tensão adequada às suturas e evitar orompimento dos fios, para detectar forças excessivas aplicadas a órgãos econseqüentemente cessar ou limitar a movimentação, para limitar as forçasaplicadas sobre a incisão do trocar, etc. Em iiDevelopment ofactuated andsensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery", por B.Kübler, U. Seibold e G. Hirzinger - Jahrestagung der DeutschenGesellschaft für Computer- and Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), 8-9 de Outubro de 2004, Munique, Alemanha; um sensor de força/torque comseis GDL miniaturizado instalado na ponta do instrumento foi apresentado.Este conceito possui várias desvantagens, dentre as quais os gastos maiorescom instrumentos, a falta de robustez com relação à esterilização, eproblemas de proteção contra interferências eletromagnéticas quandoutilizado junto com instrumentos alimentados eletricamente.

Com relação à construção do acionador, a quarta junta (R), aquinta junta (R) e/ou a sexta junta (R) possui vantajosamente um motor,preferivelmente um servo-motor sem escovas, uma engrenagem que temum estágio de entrada acoplado ao eixo do motor, uma correia detransmissão acoplada ao estágio de saída da engrenagem para transmitirmovimento à junta associada, e um sensor de posição absoluta acoplado àcorreia de transmissão. Esse projeto permite a detecção de falhas nas juntasno final da cadeia de transmissão.

Para detectar a invasão de pessoal dentro do espaço detrabalho do manipulador, a base de cada robô manipulador preferivelmentecompreende um telêmetro de laser.

Breve Descrição dos Desenhos

Os aspectos acima assim como outros aspectos inventivos eobjetivos da presente divulgação ficarão mais aparentes a partir dadescrição a seguir de uma modalidade não limitativa com referência aosdesenhos anexos, nos quais:A Fig. 1 é uma vista em perspectiva de um sistema robóticomédico para a laparoscopia cirúrgica genérica em um palco de operaçãocom três manipuladores de robô colocados em volta de uma mesa deoperação sobre a qual um paciente está deitado;

A Fig. 2 é uma vista em perspectiva de um sistema robóticomédico para a laparoscopia cirúrgica genérica com cinco manipuladores derobô;

A Fig. 3 é uma vista em perspectiva de um robô manipuladordo sistema robótico médico da Fig. 1 e da Fig. 2 mostrando os sistemas decoordenadas principais;

A Fig. 4 é uma vista em perspectiva do robô manipulador daFig. 3, parcialmente desmontado em suas partes principais;

A Fig. 5 é um diagrama esquemático da configuraçãocinemática do robô manipulador da Fig. 3 incluindo as juntas Jl a 36;

A Fig. 6 é uma vista superior de um sistema de cirurgiarobótico com cinco manipuladores de robô, ilustrando caixas de detecçãode colisão em 2D envolvendo componentes manipuladores;

A Fig. 7 é uma vista em perspectiva da base do robômanipulador da Fig. 3;

A Fig. 8 é uma vista superior de um sistema robótico médicomostrando uma detecção em 2D baseada em laser para detectar aproximidade de um assistente de cirurgião em relação a um robômanipulador;

A Fig. 9 é uma vista em perspectiva dos componentes internosdas juntas Jl, J2 e J3 do robô manipulador da Fig. 3;

A Fig. 10 é uma vista em perspectiva dos componentesinternos da junta J2 do robô manipulador da Fig. 3;

A Fig. 11 é uma primeira vista em perspectiva de componentesinternos do pulso de manipulador que inclui as juntas J4 e J5;A Fig. 12 é uma segunda vista em perspectiva de componentesinternos do pulso de manipulador que inclui as juntas J4 e J5;

A Fig. 13 é uma terceira vista em perspectiva de componentesinternos do pulso de manipulador que inclui as juntas J4 e J5;

A Fig. 14 é uma vista em perspectiva mostrando uma unidadeexecutora do robô manipulador da Fig. 3 e um instrumento adaptado paraque seja conectado à unidade executora;

A Fig. 15 é uma vista em perspectiva dos componentesinternos principais da unidade executora da Fig. 14;

A Fig. 16 é uma vista em perspectiva do referencial de umfulcro;

A Fig. 17 é uma vista em perspectiva de um adaptador de hastede instrumento (AHI) e uma haste de instrumento correspondente;

A Fig. 18 é uma vista em perspectiva ampliada de umacionador de instrumento laparoscópico (AIL) como mostrado na Fig. 14;

A Fig. 19 é uma vista em perspectiva de um conjunto decontrole no AIL da Fig. 18;

A Fig. 20 é uma vista em perspectiva a partir de baixomostrando mais componentes internos do AIL mostrado na Fig. 18;

A Fig. 21 é uma vista em perspectiva a partir de cimamostrando mais componentes internos do AIL mostrado na Fig. 18;

A Fig. 22 é uma vista em perspectiva mostrando ummecanismo de acionamento utilizado no AIL mostrado na Fig. 18;

A Fig. 23 é uma vista em perspectiva de um robô manipuladorde acordo com a Fig. 3 que possui um pulso de manipulador modificado;

A Fig. 24 é uma vista em perspectiva de um sistema robóticomédico para a laparoscopia genérica com quatro manipuladores de robô deacordo com a Fig. 23 e um robô manipulador de acordo com a Fig. 3;A Fig. 25 é uma vista em perspectiva de uma modalidadealternativa de um acionador de instrumento laparoscópico (AIL) para usona unidade executora mostrada na Fig. 14;

A Fig. 26 é uma vista em perspectiva do AIL da Fig. 24 comuma modalidade alternativa de um adaptador de haste de instrumento(AHI) conectado ao AIL;

A Fig. 27 é uma vista em perspectiva de um conjunto decontrole alternativo utilizado no AIL da Fig. 24;

A Fig. 28 é uma outra vista em perspectiva do AHI mostradona Fig. 26;

A Fig. 29 é uma vista em perspectiva parcialmentedesmontada do AHI mostrado na Fig. 26 e na Fig. 28; e

A Fig. 30 é uma vista em perspectiva parcialmente vazada doAHI mostrado na Fig. 26 e na Fig. 28 com um instrumento diferenteconectado ao adaptador.

Nesses desenhos, números de referência idênticos sãoutilizados para identificar as partes idênticas.

Descrição Detalhada com Relação às Figuras

A Fig. 1 mostra um sistema robótico médico para alaparoscopia genérica, geralmente identificado pelo número de referência10. Um paciente P coberto por um lençol estéril está deitado sobre umamesa de operação 12 em volta da qual uma pluralidade de manipuladoresde robô 14 está disposta. No exemplo da Fig. 1, o sistema robótico médicoé ajustado para uma intervenção na área pélvica. Um cirurgião C operaum terminal de comando cirúrgico 15 e um assistente de cirurgião A estáem pé perto da mesa de operação 12 e perto de uma mesinha 16 com umconjunto de instrumentos laparoscópicos adaptados 18. Os manipuladoresde robô 14 são projetados para posicionar e para orientar uma unidadeexecutora que suporta e possivelmente aciona várias espécies deinstrumentos laparoscópicos 18. Durante a operação, os manipuladores derobô 14 são tele-operados por um ou mais cirurgiões C através de um oumais terminais de comando cirúrgicos 15 que estão conectados a umaunidade de controle (não mostrada). Como será notado, o sistema robóticomédico 10 é modular e configurável de acordo com o tipo da intervençãocirúrgica, geralmente com até cinco manipuladores e normalmente comuma configuração mínima de dois manipuladores. Uma configuração deum sistema robótico médico 10' com cinco manipuladores 14 é mostrada,por exemplo, na Fig. 2. O sistema 10 mostrado na Fig. 1 é equipado comtelêmetros a laser 22 localizados na base de cada robô manipulador 14. Ostelêmetros a laser 22 são utilizados para a segurança do pessoal daassistência cirúrgica no palco de operação.

A Fig. 3 é uma vista tridimensional de um robô manipulador14 que forma uma unidade mecânica do sistema de cirurgia robótico 10. Orobô manipulador 14 é montado sobre uma base 24, que é acoplável aochão do palco de operação e móvel quando não acoplada. Três sistemas decoordenadas são também mostrados na Fig. 3, isto é, o sistema decoordenada da Base, do Flange de Ferramenta (FF) e da Ponta deInstrumento Laparoscópico (PIL). Como visto na Fig. 3, o robômanipulador 14 compreende um braço de manipulador 26 e um pulso demanipulador 28.

Na Fig. 4, as partes principais do robô manipulador 14 sãomostradas. O braço 26 tem uma parte essencialmente vertical 27 e umaparte essencialmente horizontal 29. A primeira extremidade do braço 26 naparte vertical 27 deve ser ligada à base 24 enquanto que o pulso 28 deve serligado à segunda extremidade do braço 26, ou seja, a extremidade da partehorizontal 29. Uma unidade executora 30 para instrumentos laparoscópicosadaptados 18 deve ser conectada a um flange de ferramenta 32 do pulso 28.Como indicado pelas setas na Fig. 3, o braço 26 tem três graus de liberdade(GDL) e o pulso 28 tem dois GDL. Sendo assim, o robô manipulador 14 ébasicamente um robô manipulador com cinco GDL. Um GDL auxiliar parafazer girar o instrumento laparoscópico 18 montado na unidade executora30 em torno de seu eixo longitudinal é fornecido pela unidade executora30. O arranjo dos GDL do robô manipulador 14 e da unidade executora 30ficará mais aparente a partir da descrição da Fig. 5 a seguir.

Como mais bem visto no modelo geométrico da Fig. 5, o braço26 é articulado na base 24 por meio de uma primeira junta Jl que é umajunta deslizante prismática (P) (ou junta de translação retilínea). A primeirajunta Jl é conectada à base 24 por meio de um elo de base EO e fornece umGDL translacional ao longo de um eixo essencialmente vertical. A primeirajunta Jl assim permite o posicionamento vertical do primeiro eloessencialmente vertical El e dos componentes subseqüentes ligados a esteem relação à base 24 e ao elo E0. Em outras palavras, a junta Jl define aaltura da parte vertical 27. Uma segunda junta J2, que é uma junta derevolução (R), conecta o primeiro elo El a um segundo elo essencialmentehorizontal E2 do braço 26. O eixo de rotação da junta de revolução J2 éessencialmente vertical. Ajunta J2 permite o ajuste do ângulo relativo entreo elo E2 e sua posição angular inicial em um plano horizontal. Umaterceira junta de deslizamento prismática (P) J3 conecta o elo E2 a umterceiro elo essencialmente horizontal E3. A junta (P) J3 fornece um graude liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal epermite que se ajuste o alcance ou a extensão do braço 26, maisprecisamente da parte horizontal 29, por deslocamento horizontal do elo E3em relação ao elo E2. Os elos E2 e E3 juntamente com a junta (P) J3formam uma lança de alçamento ou jib extensível essencialmentehorizontal do robô manipulador 14.

Com duas juntas (P) e uma junta (R) arranjadas como visto naFig. 5, o braço 26 tem um GDL rotacional em torno de um eixoessencialmente vertical, e dois GDL translacionals associados ao longo dedois eixos perpendiculares. Desta forma, o braço 26 do robô manipulador14 tem configuração cilíndrica, isto é, a configuração cinemática domanipulador 14 pertence à classe dos robôs cilíndricos de PRP (Prismática-Revolução-Prismática). Mais precisamente, cada junta dentre as primeirastrês Jl, J2 e J3 corresponde respectivamente a uma coordenada cilíndrica(ζ, Θ, r)\ sendo ζ a coordenada da elevação (ou altura), sendo θ acoordenada rotacional (ou azimutal), e sendo r a coordenada doalongamento radial (ou raio).

Como visto ainda na Fig. 5, o pulso 28 compreende duasjuntas de revolução J4, J5, e a unidade executora 30 inclui uma junta derevolução J6. As juntas de revolução J2, J4, J5 e J6 definemrespectivamente a orientação de um instrumento laparoscópico adaptado 18ligado à unidade executora 30. A junta de revolução J4 conecta o elo E3 aoelo E4 e permite o giro do elo E4 com as partes subseqüentes, em torno deum eixo essencialmente vertical que seja paralelo ao eixo de rotação dajunta J2. Assim, a junta de revolução J4 permite o ajuste do ângulo deguinada iyaw) da unidade executora 30, em combinação com o próprioajuste da junta J2. Deve ser observado que o eixo de rotação da junta derevolução J4 é co-planar com o plano formado pelo eixo de rotação dajunta de revolução J2 e pelo eixo de translação da junta prismática J3. Ajunta de revolução J5 conecta o elo E4 ao flange de ferramenta 32 e permiteo giro do flange de ferramenta 32 com as partes subseqüentes ao longo deum eixo essencialmente horizontal perpendicular ao eixo de rotação dajunta J4. Assim, a junta de revolução J5 permite o ajuste do ângulo dearfagem (pitch) da unidade executora 30. A unidade executora 30 éconectada ao flange de ferramenta 32 através de um elo E5. O eixo derotação da junta de revolução J6 é substancialmente perpendicular ao eixode rotação da junta J5 e conecta o elo E5 ao elo E6. O eixo de rotação dajunta de revolução J6 é alinhado com o elo E6 e define o ângulo relativo doelo E6 em relação à sua posição angular inicial. Um instrumentolaparoscópico adaptado 18 é conectado ao elo E6. O instrumento 18,representado pelo elo E7, é alinhado com o elo E6. O ponto de extremidadedo elo E7 representa a ponta de instrumento 17.

A configuração cinemática PRP cilíndrica do manipulador 26tem várias vantagens, dentre as quais:

um espaço contido relativamente pequeno ocupado pelaestrutura do manipulador acima da mesa de operação;

o fato de que a base do manipulador fica a uma distância

da mesa de operação (devido a um afastamento mínimo de elos da partehorizontal 29, de 800 mm) suficiente para facilitar o acesso do cirurgião àmesa de operação e a transferência do paciente da/para a mesa de operação;computação fácil e rápida de detecção de colisão entremanipuladores.

Esses e outros aspectos ficarão mais aparentes a partir dosparágrafos que seguem.

Uma vantagem resultante da configuração PRP escolhida dobraço de robô manipulador 26 é a simplificação da computação de detecçãode colisão entre uma pluralidade de manipuladores 14 arranjados emespaços de trabalho que se interceptam em volta da mesa de operação 12(Figs. 1 e 2). Devido à configuração cilíndrica, o robô manipulador 14 podeser aproximado com simples recursos de geometria plana em um planohorizontal bidimensional (2-D). Como se vê melhor na Fig. 6, os elosmecânicos do braço 26 podem ser envolvidos por um retângulo decomprimento e orientação variáveis correspondendo respectivamente à (J3+ E2 + E3) e à J2; a largura do envelope retangular é dada pela geometriamecânica dos elos mais uma margem, que depende, por exemplo, doespaço necessário para frear o robô a partir da velocidade máxima até maisum limite de segurança. A margem de cada lado dos envelopes retangularespode ser dinamicamente moldada de acordo com a direção e a velocidadedo movimento, por ex., quanto mais alta for a velocidade na direção dolado de um envelope, maior será a margem para este lado do envelope. Opulso 28 é aproximado por um retângulo que envolve o corpo do elo E4 eparte do elo E5, e tem uma orientação plana variável dada pela atualposição angular da junta J4. De forma semelhante, a unidade executora 30pode ser aproximada por um retângulo que envolva sua projeção no planohorizontal 2-D onde o ângulo da projeção corresponder à posição angularatual da junta J5. O mesmo princípio se aplica à haste do instrumento 18conectada à unidade executora 30. Tais recursos geométricosbidimensionais simples permitem que sejam estabelecidos algoritmossimples e eficazes para a detecção de colisões com base na interseção desuas linhas. Em um primeiro estágio, o método de detecção de colisãoconsiste em verificar uma colisão na projeção horizontal 2-D. Somentequando qualquer uma dessas figuras 2-D colidirem com uma figura de umrobô manipulador 14 diferente, um risco efetivo de colisão real serásubseqüentemente verificado incluindo-se a terceira dimensão. Como seránotado, os cálculos em 3-D portanto só precisam ser feitos para os ladosinterceptados das partes dos manipuladores de robô 14. Nesse cálculo em3-D simplificado, as partes visadas são envolvidas, por exemplo, com ummodelo de base triangular. Em resultado, algoritmos rápidos de detecção deinterseção podem ser facilmente implementados, como, por ex., aquelespropostos em "A Fast Triangle-Triangle Intersection TesF por Moller,Journal of Graphics Tools, 2(2), 1997. Na prática, a detecção de colisõesentre as hastes dos instrumentos 18 é relevante especialmente para protegero endoscópio de instrumentos alimentados por corrente elétrica.

Para um resultado preciso da detecção de colisões entremanipuladores de robô 14, a posição e a orientação de todos osmanipuladores de robô 14 em relação a um sistema de coordenadas comumde referência são determinadas através de um procedimento de calibraçãoapós o posicionamento dos manipuladores 14 no palco de operação. Doponto de visto funcional, após a detecção de um risco de colisão, o sistemade controle deve interromper os manipuladores envolvidos 14 e alertar ocirurgião C através da exibição das informações apropriadas e/ou daapresentação de uma força repulsiva no terminal de controle 15. Ocirurgião C poderá então obter a recuperação de forma simples tele-operando um dos manipuladores em uma direção segura. Em ummelhoramento adicional, vários níveis de segurança para colisões sãoimplementados utilizando-se ao menos dois envelopes com margensdiferentes para cada um dos grupos de partes, por ex., braço 26, pulso 28,unidade executora 30 e/ou instrumento 18. Após a detecção de um risco decolisão com o envelope mais protuberante, um movimento comandado pelocirurgião C na direção da colisão é abruptamente reduzido em função dapenetração na área de margem.

Uma outra vantagem com relação à configuração do braço 26está relacionada ao nível de controle dos acionadores associados às juntasJl, J2, J3. Em comparação com outras classes de robôs (por ex., robôsesféricos ou articulados), e como resultado da configuração do braço, ocontrole desses acionadores é melhorado porque Jl, J2, J3 e J4 não estãosujeitas a cargas gravitacionais variáveis, e porque Jl, J3 e J5 não têmcargas inertes variáveis. Isso permite uma otimização simplificada dasmalhas (Ioops) de controle (por ex., PID com feed-forward), e que sejamobtidos erros de rastreamento da dinâmica de posições muito baixos. Alémdas vantagens apresentadas, o projeto mecânico deve considerar umaestrutura rígida porém leve para os elos E2 e E3, e limitar suas deflexões eoscilações caso a junta Jl e/ou J2 executem movimentos abruptos.Mais duas vantagens que resultam da geometria do robômanipulador 14 devem ser observadas. Primeiro, com a base demanipulador 24 localizada a uma distância suficiente da mesa de operação12 (por ex., ao menos 600mm distante) e o braço 26 projetado de maneiraque possa ser movimentado com a mão em torno da junta J2 (com os freiossoltos) até uma posição de parada, o cirurgião C pode acessar pronta erapidamente a mesa de operação 12 para tarefas manuais como ainsuflação, remoção de órgãos anatômicos, suturação final, etc. Além disso,a transferência do paciente P para ou a partir da mesa de operação 12 épossível rapidamente. Em segundo, em comparação com uma geometriaSCARA utilizada, por ex., no braço de manipulador conhecido pelo nomecomercial ZEUS, possuindo uma junta de rotação de cotovelo que conectadois elos co-planares de comprimentos semelhantes para atingir uma certalocalização horizontal, a configuração cilíndrica do manipulador 14 temuma única junta de alongamento radial J3 que reduz consideravelmente oespaço tomado para se posicionar o pulso 28 acima do corpo do paciente P.Como mostrado na Fig. 2, esse recurso permite que cinco manipuladores 14ou mais sejam posicionados na mesa de operação 12 desde que asdimensões do pulso e da unidade executora sejam suficientementepequenas, ou seja, ocupem um espaço suficientemente compacto no espaçode trabalho disponível acima do corpo do paciente.

Nos parágrafos a seguir será dada uma descrição maisdetalhada da construção do robô manipulador 14 com referência às Figs. 7a 15.

A Fig. 7 mostra várias características da base 24. A base 24inclui uma placa de base principal 40 e é arranjada como uma estruturamóvel por meio de quatro rodinhas 42 instaladas em aberturas nos cantosda placa principal 40. Cada rodinha 42 é envolvida por uma cobertura 43com uma abertura para o acesso a uma manivela para projetar ou retrair asrodinhas 42. Quando as rodinhas 42 estão retraídas, a base 24 repousaestável sobre o chão do palco de operação por meio de suportesacolchoados (não mostrados) das rodinhas 42. Após a projeção dasrodinhas 42, a base 24 incluindo o robô manipulador 14 pode sermovimentada com a mão. Em um projeto diferente, a base 24 pode serarmada sobre um eixo de trilho linear móvel ou fixo ou sobre um carrinhoprojetado para suportar diversas bases 24 e os manipuladores 14associados. A placa de base principal 40 é projetada de modo tal que possaser fixa ao chão caso necessário, por ex., aparafusada utilizando-se furos44, para dar uma estabilidade adicional ao robô manipulador 14. O robômanipulador 14 é ligado à base 24 através de parafusos em furosespiralados 45. Na placa de base 40, diversos furos de alta precisão 46 sãoaprontados. Os furos 46 servem para sustentar refletores de calibraçãoópticos que são utilizados para determinar a posição e a orientação da base24 por meio de um sistema de medição óptico, como descrito em uRobotCalibratiorT, de R. Bernhardt e S. Albright, Ed. Chapman & Hall, 1993.Deve-se notar que o robô manipulador 14 é calibrado durante osprocedimentos de especificação de fábrica para determinar com precisãoseu modelo geométrico. Além disso, a base compreende uma cobertura 48para a fonte de alimentação e servo-amplificadores de motores semescovas, dispositivos de acondicionamento de sinais, meios para oprocessamento local de sensores montados no braço, e canais decomunicação com uma unidade de controle de sistema remota. Comomostrado na Fig. 1 e mais bem visto na Fig. 8, um telêmetro a laser 2-D 22é instalado na base 24, mais precisamente sobre a cobertura 48, parapermitir a detecção de invasão, por ex., por um assistente A, dentro de umperímetro de segurança em volta dos elos E2 e E3.

Deve-se observar que geralmente dois tipos diferentes demanipuladores de robô 14 são utilizados no sistema robótico médico 10.Embora os dois tipos de manipuladores de robô 14 possuam essencialmentea mesma geometria e configuração PRP cinemática do braço 26, o primeirotipo é preferivelmente arranjado especificamente para lidar com umendoscópio utilizado para visualização, enquanto que o segundo tipo éarranjado para lidar com qualquer uma dentre as várias espécies deinstrumentos laparoscópicos adaptados 18 utilizados para a operação em si.Para a laparoscopia, normalmente um robô manipulador 14 do primeirotipo é utilizado enquanto diversos manipuladores de robô 14 do segundotipo são utilizados. No sistema robótico médico 10, as principais diferençasentre esses dois tipos de manipuladores de robô são:

o percurso da junta J3 é mais longo para ummanipulador de endoscópio (aproximadamente 750 mm) porque requeruma rotação de 360° em torno de sua entrada de acesso (usualmente parapropósitos de exploração).

o percurso da junta J4 é infinito para um manipulador deendoscópio porque requer uma rotação de 360° em torno da entrada deacesso. Isso é permitido pelo uso de um coletor de sinal no eixo da J4.

a junta J6 não é necessária para o manipulador deendoscópio, isto é, o endoscópio pode ser fixado diretamente à junta J5.

a unidade executora 30 de um manipulador deendoscópio consiste normalmente no endoscópio e em um sensor deforça/torque para detectar forças extras.

os requisitos de velocidade/aceleração para todas asjuntas são mais baixos por minuto. 60% para um manipulador deendoscópio porque este requer capacidade de posicionamento somente parao endoscópio.

Levando-se em conta essas diferenças, a presente descrição éfocalizada no segundo tipo de robô manipulador 14, uma vez que estepossui os requisitos de projeto mais severos.Referindo-se à Fig. 9, detalhes a respeito da configuração dasjuntas Jl a J3 do braço de manipulador 26, incluindo seus respectivosacionadores, são dados abaixo.

Como acionador linear associado, a junta (P) Jl para aelevação do braço compreende um eixo linear de fuso de esfera 50 (porexemplo, um modelo adequado da série ET produzida por Parker Hannifin,Electromechanical Division, Offenburg, Germany & Poole, Reino Unido).O eixo linear de fuso de esfera 50 é acionado por um servo-motor semescovas 51 equipado com um codificador de posição de motor diferencial ecom um freio. O eixo linear 50 é adicionalmente fornecido com um sensoradicional de posição linear absoluta (não mostrado) no estágio de saída(<output), com interruptores de limite e com um pára-choque mecânico defim de trajetória (não mostrado). Uma guia vertical linear 52 éoperativamente associada ao eixo linear 50 para assegurar a linearidade doeixo e rigidez de torção. O eixo linear 50 é ligado aos suportes 53 paraarmar o braço 26 na base 24. Fios de sinal e potência são guiados em umcanal de fios vertical (não mostrado) dentro da cobertura da junta Jl. Umacobertura externa 54 envolve os componentes da junta Jl prismática (P)como mais bem visto na Fig. 3. Com relação ao conjunto acionador dajunta Jl, pode-se observar que a razão de redução motor/carga é ajustada demodo a prevenir uma queda indesejável da parte horizontal 29 tambémquando o freio do motor estiver solto ou quando o servo-motor 51 nãoestiver sendo energizado. Além disso, um botão de parada de emergência(não mostrado) é posto sobre a cobertura externa 54, e serve para parar amovimentação de todas as juntas do robô em caso de emergência. Como sevê na Fig. 9, os componentes anteriormente mencionados do braço demanipulador 26 constituem sua parte essencialmente vertical 27.

A Fig. 9 também mostra a junta J2 (R) que forma a articulaçãodo ombro do braço 26. Como melhor visto na Fig. 10, a junta J2compreende uma montagem de um servo-motor sem escovas 61 enfileiradocom uma engrenagem 62 do tipo Harmonic Drive® para controlar a carga.O motor sem escovas 61 é equipado com um codificador deposicionamento e com um freio à prova de falhas. Além disso, o conjuntoacionador compreende um sensor de posição rotativa absoluta 65, que écontrolado por uma correia 66 conectada ao estágio de saída daengrenagem 62, e um pára-choque mecânicos de fim de trajetória einterruptores de limite (não mostrados). Um interruptor de chave (nãomostrado) é fornecido na cobertura 64, o que permite a liberação dos freiosdas juntas J2, J3, J4, J5 e J6 quando seus respectivos motores não estiveremsendo alimentados. Isso permite a movimentação do braço 26 e da unidadeexecutora 30 com a mão para uma posição de parada. Os cabos de sinais ede energia debaixo das juntas J3 a J6 e da unidade executora 30 sãoconduzidos de J3 para Jl através de um conduto de cabos (não mostrado)que passa por dentro da cobertura 64. Alternativamente, tais cabospoderiam ser guiados, por exemplo, através do eixo vazado de umamontagem de motor e engrenagens adaptada.

A Fig. 9 também mostra o projeto da parte horizontal 29 dobraço 26, incluindo a junta (P) J3 para o ajuste da extensão radial, ou seja,do alcance da parte horizontal 29. A junta J3 compreende um eixo decilindro linear 70, por ex., um eixo linear de fuso de esfera, como acionadorlinear associado. Por exemplo, um acionador modelo ET produzido pelaempresa mencionada anteriormente, controlado por um servo-motor semescovas 71 equipado com um codificador de posição de motor e com umfreio à prova de falhas é utilizado. A barra do eixo de cilindro linear 70movimenta uma viga 72 que é configurada como um tubo retangular emontada sobre os carrinhos de uma guia linear 73. Essa construção permitea redução da deflexão linear. O eixo de cilindro linear 70 é fornecidoadicionalmente com um sensor de posição linear adicional no estágio desaída, com interruptores de limite e com pára-choques mecânicos de fim decorrida (não mostrados). Linhas de sinal e de energia são guiadas em umacorrente de cabos posta horizontalmente. Uma cobertura 74 é fixada àspartes que formam o segundo elo E2 e envolve os componentes da junta (P)J3, em particular o acionador linear 70 e a guia linear 73. Como visto naFig. 9, a viga 72, que forma parte do elo E3, é configurada para se encurtarou estender respectivamente para dentro e para fora da cobertura 74. Obraço 26 é portanto fornecido com uma parte horizontal 29 que se estreitaem uma extremidade que requer apenas uma quantidade limitada de espaçoacima do paciente P. Além disso, lâmpadas são preferivelmente fornecidasno topo da parte de trás da cobertura 74 para indicar visualmente o estadode ligação e ativação.

Com referência às Figs. 11 a 13, a construção do pulso 28 emais particularmente das juntas J4 e J5 será detalhada abaixo.

O projeto mecânico e de acionamento da junta (R) J4 mostradonas Figs. 11 a 13 compreende uma placa de suporte 80 na qual um servo-motor sem escovas 81 é montado verticalmente. O servo-motor 81 éfornecido com um codificador de posição 82 e um sensor de Hall sobre oeixo do motor. Como o servo-motor 81, um modelo adequado da série ECde motores da MAXON MOTOR A.G., Sachseln, Suíça é utilizado, porexemplo. A junta (R) J4 compreende ainda um mecanismo de transmissãoatravés de uma engrenagem 83 acoplada ao servo-motor 81 e através de umsistema de correia de transmissão 84 e polia 85 para controlar uma polia deeixo de carga 86 que é acoplada a um flange de conexão 87. Um sensoradicional absoluto de uma espira 88 é conectado a uma polia 89, quetambém é controlada pela correia de transmissão 84, e presa ao lado debaixo da placa de suporte 80. Para passar cabos facilmente da junta J5 paraa junta J4, o conjunto que compreende a polia de eixo de carga 86 e oflange de conexão 87 possui um eixo vazado e uma janela lateral no flangede conexão 87. A placa de suporte 80 é rigidamente fixa à vida 72 por meiode duas placas de montagem 90. Como visto na Fig. 14, uma cobertura 92serve para proteger as partes da junta J4. Dentro da cobertura, os cabosvindos da unidade executora 30, das juntas J5 e J4 são fornecidos comconectores para tornar o pulso 28 destacável por propósitos de manutenção.Um botão de parada de emergência é fornecido sobre a cobertura 92 dajunta J4. Um freio à prova de falhas é preferivelmente montado sobre oeixo do servo-motor 81. Para reduzir o afastamento lateral 01, que poderiaconstituir um fator limitativo em uma configuração de múltiplos robôs, omotor pode ser alinhado também com os eixos da polia de eixo de carga 86e o sensor 88. Nesse caso, a placa de suporte 80 tem preferivelmente umaborda arredondada em volta da polia de eixo de carga 86.

O projeto mecânico e de acionamento da junta (R) J5 étambém mostrado em mais detalhes nas Figs. 11 a 13. Um membro desuporte essencialmente em forma de L 100 liga a junta J5 à junta J4, comuma porção horizontal conectada à junta J4 e uma porção vertical comosuporte fixo para a junta J5. Ele compreende um servo-motor sem escovas101, por exemplo, um motor modelo EC da MAXON MOTOR A.G.adequado, com um codificador de posição 102 e um sensor de Hall sobre oeixo do motor. Como visto na Fig. 13, o servo-motor 101 é montadotransversalmente sobre o membro de suporte 100. Como visto nas Figs. 12e 13, a junta (R) J5 compreende ainda um mecanismo de transmissãoatravés de uma engrenagem 103 acoplado ao motor e de um sistema decorreia de transmissão 104 e polia 105 para controlar uma polia de eixo decarga 106. Um sensor absoluto adicional de espira única 108 é conectado auma polia 109 que também é controlada pela correia de transmissão 104, efixo ao lado interior do membro de suporte 100. Para fazer passar cabosfacilmente da unidade executora 30 para a junta J4, um número de recursossão incluídos. Estes são dois furos 110 e 112 fornecidos no membro desuporte 100, uma passagem central vazada 114 na polia 106 e o flange deferramenta 32, e um suporte de passagem de cabos 116 para a polia 106. Omembro de suporte em forma de L 100 possui reforços laterais paraoferecer uma estrutura rígida para suportar a unidade executora 30 atravésdo flange de ferramenta 32. Caso necessário, a junta (R) J5 incluipreferivelmente interruptores de limite e um freio à prova de falhas (nãomostrados). Quando fornecidos, estes últimos são preferivelmentemontados em uma polia controlada pela correia de transmissão 104 parareduzir o afastamento lateral 02, que pode constituir um fator limitativo emuma configuração com múltiplos robôs.

As Figs. 14 e 15 mostram a unidade executora 30, projetadapara ser conectada ao flange de instrumento 32 da junta J5, com suas trêspartes principais: um acionador de instrumento laparoscópico 120, umconjunto de sensores 122 que inclui um sensor de força/torque com seisGDL e um acelerômetro linear/angular com seis GDL, e uma cobertura 124para a junta J6. A junta J6 é conectada ao conjunto de sensores 122. Oacionador de instrumento laparoscópico 120 é fornecido com um assento130 para montar um instrumento laparoscópico adaptado 18 no robômanipulador 14.

Para maior clareza, o acionador de instrumento laparoscópico120 e o conjunto de sensores 122 que inclui os sensores de medição deforça, torque e aceleração serão referidos pelos acrônimos AIL e SFTA,respectivamente. Os componentes da unidade executora 30 são alinhadosde tal maneira que a junta J6 gire o instrumento laparoscópico adaptado 18em torno de seu eixo de simetria longitudinal, e de tal forma que esse eixocoincida com o eixo normal Z do SFTA 122. A posição da unidadeexecutora 30 com relação ao eixo de rotação da junta (R) J5 é selecionadano ponto de equilíbrio da unidade executora 30 de modo a evitarinclinações quando a junta J5 estiver parada e não energizada. Assim, umaarmação de suporte principal 140 da unidade executora 30, que se conectaao pulso 28, é configurada de modo tal que a unidade executora 30montada se equilibre sobre o eixo de rotação da junta (R) J5. A razão deredução motor/carga para a junta J5 também contribui para a resistênciacontra inclinações.

A Fig. 15 mostra a construção da junta J6. Na armação desuporte principal 140 (a ser conectada ao flange de ferramenta 32) émontado um motor sem escovas 141 com um codificador diferencial 142 eum conjunto de engrenagens 143. Uma polia de motor 145 conectada aomotor 141 é acoplada a uma polia de carga 146 por meio de uma correia144. A polia de carga 146 fornece o GDL rotacional da junta J6. Um sensoradicional de posição absoluta 148 é montado é montado sobre o eixo dapolia de carga 146 coincidindo com o eixo da junta (R) J6. O codificadorde posição 148 tem um eixo vazado para que passem linhas de sinal e deenergia do AIL 120 e do SFTA 122 para um coletor rotativo 150 do tipoanel de contato ou deslizante. O anel coletor 150 permite uma rotação deeixo infinita para a junta J6. A polia de carga 146 é conectada ao SFTA 122através de um flange de conexão 152. Os cabos para as linhas de sinal e deenergia para o AIL 120 e o SFTA 122 são guiados dentro da cobertura 124através de uma passagem vazada no flange de conexão 152. Como seránotado, o robô manipulador 14 como um todo é fornecido com canaisinternos para assegurar a guia protegida de todas as linhas de sinal e deenergia, por ex., das juntas J1-J6 e dos componentes da unidade executora30 tais como o AIL 120 e o SFTA 122. Em um melhoramento adicional(não mostrado), a configuração da junta J6 implementa as duasmodificações seguintes: Primeiro, a redução do afastamento 03 pelalocalização da montagem de motor-engrenagens-polias 141, 143, 144, 145com -90° em relação à orientação mostrada na Fig. 15. Segundo, oafastamento 04 é reduzido pela configuração da montagem de motor-engrenagens 141, 143 para que se localize mais proximamente ao AIL 120.

Como será notado, os eixos de rotação das juntas J4, J5 e J6 seinterceptam no mesmo ponto do espaço na modalidade apresentada.Portanto, um potencial afastamento causado pelo elo E5 é eliminado.

Como mostram a Fig. 23 e a Fig. 24, um projeto alternativopoderia no entanto apresentar um afastamento 05 devido ao elo E5, porex., para melhorar a possibilidade de manobras no caso de doisinstrumentos laparoscópicos adaptados 18 serem inseridos em trocareslocalizados proximamente (entradas de acesso 20). Por exemplo, o projetoespecífico mostrado nas Figs. 23 e 24 oferece um pulso de manipuladormodificado 28' que possui um afastamento negativo 05 devido ao elo E5.Esse afastamento negativo 05 permite que se ponha a unidade executora 30de um primeiro robô manipulador 14 acima da unidade executora 30 de umsegundo robô manipulador 14 sem colisão entre os pulsos 28'. Essaconfiguração modificada requer, no entanto, um alcance maior para a juntaJ3 e capacidades de velocidade e de aceleração maiores para as juntas J2,J3 e J4. Como será notado a partir da Fig. 24, a configuração do pulso 28' évantajosa para a operação de múltiplas entradas de acesso localizadasproximamente 20 (trocares 200). Deve ser entendido que um valorpreferido do afastamento 05 entre os eixos de rotação de J6 e J4 comomostrado na Fig. 23 é aproximadamente igual ao diâmetro do AIL 120 emsua seção transversal mais ampla.

Mais alguns aspectos e vantagens referentes ao projeto do robômanipulador 14 e seus componentes serão detalhados abaixo.

Com relação à configuração descrita das transmissões e dosmotores utilizados para o pulso 28 e para a unidade executora 30, outrasconfigurações também são possíveis, utilizando-se, por exemplo, cabos epolias como meios de transmissão, ou montagens compactas de motor-engrenagens-freio com motores de tração. Cabos e polias comotransmissões, no entanto, são mais difíceis de implementar e conservar, e asmontagens baseadas em motores de tração são geralmente menoscompactas. Para a segurança do sistema descrito, foram selecionados servo-amplificadores que possuem uma função de "freio dinâmico" para permitira parada dos motores 51, 61, 71, 81, 101, 141 no caso de uma parada deemergência. A cobertura externa do robô manipulador 14 é feita de ummaterial plástico limpável adequado, e possivelmente em parte de alumínio,mas todas as partes condutoras externas estão conectadas ao terra elétrico.Todos os componentes internos são protegidos contra interferênciaseletromagnéticas (IEM) quanto à recepção e à emissão. A respeito daesterilização no palco de operação, uma bolsa plástica estéril énormalmente utilizada para cobrir o robô manipulador 14 completamente,ou seja, desde a unidade executora 30 até a base 24.

Com relação ao acionamento, o projeto do robô manipulador14 como descrito acima apresenta mais duas vantagens: primeiro, as juntasdo robô manipulador 14 podem ser acionadas manualmente, com exceçãoda junta Jl, porque esta apresenta fricção estática elevada e inérciainvertida. Em outras palavras, quando todos os freios estiverem soltos, aunidade executora 30 montada no pulso 28 no flange 32 poderá sermovimentada com a mão através do acionamento manual das juntas J2, J3,J4, J5 e J6, o que requer uma força de pressão de somente menos de 5 Kg(na direção horizontal). Segundo, a segurança do sistema é aumentada porredundância sensorial. Como descrito acima, cada uma das juntas Jl a J6tem tanto um codificador de posição no eixo de motor como um sensor deposição adicional (por ex., 65, 88, 108, 148) que medem a saída (output) demovimento efetiva da respectiva junta. Na prática, esta redundânciasensorial é utilizada para detectar falhas (por ex., de um fio do motor, deuma correia ou de um servo-amplificador).Além disso, o projeto evita condições de fim-de-percurso emcada uma das juntas Jl a J6. O fim de percurso ocorre quando uma juntaexcede seu limite de movimento, e é uma condição crítica particularmenteem cirurgias robóticas tele-operadas, porque é difícil e trabalhoso para ocirurgião C obter a recuperação com um instrumento 18 inserido no corpodo paciente P. Para se evitar as condições de fim de percurso, as juntasprismáticas Jl, J3 do braço 26 são projetadas com percursos suficientes e ajunta de rolamento J6 da unidade executora 30 é projetada com rotaçãoilimitada. Em resultado, a prevenção das condições de fim de percursorequer apenas que certas condições de configuração e ajustepredeterminadas sejam respeitadas.

A Fig. 16 mostra esquematicamente um trocar 200 e seuespaço de trabalho 202 externo ao corpo do paciente P. Um referencial defulcro RF é também mostrado na Fig. 16, por meio de um sistema decoordenadas Cartesiano (x, y, z) com o eixo ζ orientado para cimaaproximadamente paralelo ao eixo da gravidade. O trocar 200 énormalmente introduzido através de uma pequena incisão no abdômen dopaciente P, indicada em 204, para dentro da cavidade peritoneal. O trocar200 juntamente com a incisão forma uma entrada de acesso 20 comomostrado nas Figs. 1 e 2. Para se alcançar o órgão ou a região na qual aoperação deve ser realizada, o eixo longitudinal do trocar 200, indicado porz', é articulado no espaço de trabalho 202 em torno da origem do RF,denominada ponto de articulação 206. Em outras palavras, a origem defineum fulcro para o trocar 200. O fulcro é preferivelmente determinado porentre a parede abdominal e a pele do paciente P, no local de menorresistência à inclinação, para reduzir o risco de puxar o trocar 200 parafora.

As seguintes faixas de valores máximos de força e de torqueforam registradas experimentalmente em um sensor de força/torque comseis GDL colocado no cabo de um instrumento laparoscópico modificado(ver iiSurgeon-Tool Force/Torque Signatures - Evaluation of SurgicalSkills in Minimally Invasive Surgery", por J. Rosen e outros - Proceedingsof Medicine Meets Virtual Reality, MMVR-7, IOS Press, San Francisco,Califórnia EUA, janeiro de 1999).

• Forças: Fx, Fy = ±10 N; Fz = ±30N;

• Momentos de força: Mx, My = ± 1 N.m; Mz = ± 0,1 N.m;

Onde Fi representa a força ao longo do eixo i = x, y ou ζcorrespondente, e Mi representa o momento de força em torno do eixocorrespondente i = x, y ou ζ do RF na Fig. 16. As faixas de operação dosensor de força-torque no SFTA devem levar em consideração essesvalores mais o peso ao AIL 120, as cargas da dinâmica de movimento e oatrito da articulação e da penetração exercida no trocar 200. Na prática, osensor de força-torque no SFTA é utilizado para a reflexão de força/torque,isto é, reação de força/torque a uma interface tátil operada pelo cirurgião C,para controlar manualmente a unidade executora 30 utilizando o SFTA 122como um joystick, e para monitorar as forças/torques que interagem comum instrumento 18 conectado à unidade executora 30, por ex., asforças/torques na ponta do instrumento 18 ou no ponto de articulação 206na Fig. 4. Os acelerômetros linear e radial no SFTA 122 são utilizados paracompensar as influências da gravidade e da aceleração sobre asinformações do sensor de força-torque. Os eixos de medição doacelerômetro e do sensor de força-torque no SFTA são geometricamentecoincidentes.

Durante a operação, um instrumento laparoscópico 18 éinserido através do trocar 200. Para a maior parte dos procedimentoscirúrgicos, o cirurgião C opera o instrumento 18 dentro dos seguintesintervalos máximos de espaço de trabalho angular e velocidade em torno doRFdaFig. 16:

Tabela 1<table>table see original document page 37</column></row><table>

No projeto e na configuração de alguns manipuladores de robôdo estado da técnica, o ponto de articulação do trocar 200 permanece fixoapós a instalação do pulso graças ao arranjo mecânico da estrutura do pulsoque se articula em torno de um ponto fixo (ver, por exemplo, iiRemoteCenter ofmotion robot" por Taylor e outros - Patente US 5667323 - Maiode 1995). Outros projetos do estado da técnica implementam um grau dedeformação mecânica ao longo dos eixos de articulação para limitar asforças aplicadas ao trocar (ver, por exemplo, iiMedical robotic system" porWang e outros - Patente US 6102850, agosto de 2000). Ao contrário disso,o robô manipulador 14 proposto aqui não é projetado tendo em vista adeformação mecânica, e nem o centro de massa, porém se baseia emmovimentos precisos solucionados em torno de um ponto de articulação206 determinado por um procedimento específico, e no controle em temporeal de forças e torques aplicados à unidade executora 30 para otimizar alocalização do eixo de articulação 206. Além disso, esse recurso dá aflexibilidade de se poder mover por translação o ponto de articulação 206,caso instruído pelo cirurgião C, para melhorar o espaço de trabalho intra-abdominal. Uma outra vantagem é a capacidade de adaptação às variaçõesda localização absoluta do ponto de articulação 206 devidas, por exemplo,à perda de pressão abdominal.

Como se mostra aparente, o robô manipulador 14 deve tercertas habilidades de movimentação para fornecer à unidade executora 30uma destreza comparável à manipulação manual de instrumentoslaparoscópicos por cirurgiões. Com base nas condições de movimentodadas na Tabela 1, as habilidades cinemáticas preferidas que foramdescobertas para as juntas Jl a J6 nesse exemplo específico estão resumidasna Tabela 2. Os ângulos de guinada, de arfagem e de bancagem podem serdefinidos em relação a um sistema referencial absoluto, por ex., no fulcro.

Tabela 2

<table>table see original document page 38</column></row><table>

Em termos das capacidades de velocidade e de aceleração darespectiva junta, os valores dados na Tabela 1 são relativamente altos eportanto requerem acionadores fortes, uma estrutura rígida do braço 26 edo pulso 28, e uma fixação ao chão apropriada por meio da base 24.Obviamente, valores mais baixos podem ser escolhidos que levam arequisitos reduzidos, mas isto é feito a custa da dinâmica reduzida no pontode articulação 206.

Um outro aspecto relevante, especialmente em cirurgiasrobóticas tele-operadas com reflexão de forças, é o requisito de precisãopara o manipulador 14. A precisão suficiente contribui para reduzir astensões na incisão do trocar, e permite que se realize uma compensação deforça/torque precisa.

No projeto escolhido, a precisão estática do manipulador 14 naconexão à unidade executora 30, isto é, no flange de ferramenta 32 (verFig. 4) será melhor do que ± 2 mm para a posição e melhor do que ±0,1°para a orientação no RF (ver Fig. 16). Aqui, uma carga externa de 1,5 Kg épresumida na ponta de um instrumento laparoscópico conectado 18, e o RFé presumido em 280 mm a partir do eixo da junta (R) J5. A precisãodinâmica será melhor do que ± 4 mm para a posição e ± 0,5° para aorientação no RF. Essas características são obtidas, dentre outros motivos,por causa da modelagem mecânica precisa das partes estruturais, da rigidezdos elos El a E6 e das juntas Jl a J6, da resolução suficiente dos sensoresde posição, do ajuste apropriado dos loops de controle de motores PID, dacalibração da cinemática do manipulador, etc.

Neste contexto, os sensores de posição absoluta (por ex., 65,88, 108, 148) fornecidos na saída (output) de cada junta Jl a J6 oferecem asseguintes vantagens:

• Sincronizar as juntas Jl a J6 do robô manipulador 14sem acionar as juntas; isso significa que o valor inicial dos sensoresdiferenciais utilizados para controlar os motores é fornecido pelos sensoresabsolutos. Se os sensores absolutos não estão disponíveis, umprocedimento de sincronização poderia ser implementado movimentando-se todas as juntas em uma dada direção para encontrar um sinal dereferência. Nenhum movimento automatizado para sincronização nocomeço da operação garante um rápido procedimento de ajuste e umamelhor segurança.

· Determinação em tempo real da posição e da orientaçãoda unidade executora 30, evitando-se erros de elasticidade das juntascausados por mecanismos de transmissão;

• Monitoração de desvios do robô manipulador 14 do RF;

• Detecção de uma falha de transmissão de junta (por ex.,ruptura de correia) ou outra falha de hardware pela monitoração daconsistência dos dados utilizando-se as posições indicadas pelo respectivocodificador de motor fornecido em cada junta J1-J6.

Um outro aspecto na robótica é o modelo matemático utilizadopara controlar o robô manipulador 14. Deixando de lado modelos teóricosdo robô manipulador 14, o modelo "concreto" eficaz e preciso, incluindoparâmetros como os afastamentos para os arranjos cinemáticos, aelasticidade das juntas Jl a J6, a elasticidade dos elos El a E7, a reação dosacionadores e outros erros de linearidade, é necessariamente determinadodurante um processo de calibragem. O modelo "concreto" do manipuladoridentificado é utilizado para três propósitos: primeiro, para melhorar aprecisão do robô manipulador 14 utilizando-se o modelo teórico nocontrolador de movimento (o que simplifica o cálculo da cinemáticareversa) com os afastamentos reais de juntas e os comprimentos dos elos;segundo, para computar com precisão, em tempo real por formulaçãodireta, a posição e a orientação do SFTAS com seis GDL 122 e das cargasligadas (esses valores são necessários para compensar as cargasgravitacionais e de aceleração); terceiro, para determinar, em tempo realpor formulação direta, a posição e a orientação da ponta do instrumento ededuzir os parâmetros necessários para a reflexão das forças (por ex., apenetração do instrumento 18).

Os parágrafos a seguir dão uma descrição mais detalhada doacionador de instrumento laparoscópico (AIL) 120.

Como visto nas Figs. 14 e 15, o AIL 120 forma uma parte daunidade executora 30. O AIL 120 oferece uma interface de acionamentogenérica para a utilização de instrumentos laparoscópicos convencionais,tais como fórceps de captura/dissecção, tesouras, ferramentas desucção/irrigação, etc. com o robô manipulador 14. Assim, o AIL 120 formaa extremidade do manipulador 14 e representa sua parte manual uma vezque ele reproduz as ações da mão de um cirurgião. O AIL 120 compreendeum envoltório 154 cuja extremidade traseira forma um flange de interface156 para conexão ao SFTAS 122, enquanto que sua extremidade frontalforma a extremidade do robô manipulador 14. Em uma configuraçãodiferente de uma unidade executora, um AIL poderia incluir a junta J6.Esta configuração requer, no entanto, um projeto mecânico mais complexodo adaptador de instrumento que deverá incluir um mecanismo de rotaçãojuntamente com o mecanismo de aberto-fechado e de transmissão depotência. Além disso, o campo estéril deve ser mantido mesmo comomecanismo de rotação.

O AIL 120 mostrado nas Figs. 14 e 15 e nas Figs. 18 a 22 éadaptado para uso com qualquer instrumento laparoscópico que possa serdividido em um cabo de um lado, e uma haste do outro lado. A haste édefinida aqui como um tubo comparativamente fino possuindo em suaponta, por ex., encaixes das garras de fórceps/tesoura, meios desucção/irrigação, ferramentas básicas como uma faca ou um dispositivoelétrico de cauterização/corte. A extremidade oposta à ponta compreendeum encaixe que é projetado para conectar a haste ao cabo para o cirurgião.

A compatibilidade do robô manipulador 14 com osinstrumentos convencionais é obtida pelo projeto do AIL 120 e pelo projetodos adaptadores de haste de instrumento correspondentes, a seguir referidospelo acrônimo AHI, dos quais um exemplo é mostrado em vista de seçãoparcial na Fig. 17.

A Fig. 17 mostra o AHI (adaptador de haste de instrumento)300 ao qual uma haste de instrumento 302 deve ser conectada. O AHI 300é passível de conexão ao AIL 120 ao ser montado dentro do assento 130mostrado na Fig. 15. Para este fim, o AHI 300 compreende um conector dehaste 304 em sua extremidade frontal. O conector de haste 304 é projetadopara conexão a um tipo de entrada específico 306 da haste 302, quedepende propriamente do instrumento. Originalmente, a entrada 306 éprojetada para conexão a um cabo de instrumento laparoscópico (nãomostrado). Como visto na Fig. 17, o conector de haste 304 reproduz oconector do cabo original para o qual a haste foi 302 projetada. O AHI 300compreende ainda como meio de acoplamento um membro de acoplamento308 para conexão firme ao AIL 120. O membro de acoplamento 308 éarranjado lateralmente sobre o estojo 303 e protrai radialmente a partirdeste de modo a bloquear a rotação do AHI 300 quando ele estivermontado no AIL 120. Um pequeno bloco metálico 309 é incluído nomembro de acoplamento 308 para fornecer uma superfície detecçãometálica para um interruptor de presença indutor (ver parte 404 descritaabaixo) do AIL 120. Um pistão linearmente deslizante 310 é arranjado emuma guia cilíndrica 312 interna ao AHI 300. Um pino deslizante cilíndrico314 está preso transversalmente ao pistão 310 e se protrai a partir do estojo303 para operar o pistão 310. A operação de deslizamento do pistão 310aciona uma barra dentro da haste do instrumento 302 para operar aferramenta na ponta da haste de instrumento 302. Como será notado, o AHI300 reproduz a funcionalidade do cabo originalmente conectado à haste302 no que diz respeito à operação da haste de instrumento 302, enquantooferece juntamente com o AIL 120 uma interface de conexão ao robômanipulador 14.

Deve ser entendido que a modalidade específica do AHI 300mostrada na Fig. 17 é projetada para um instrumento que requer umacionamento mecânico, tal como uma função de aberto/fechado, para aponta do instrumento, por exemplo, tesouras e pinças com ou semtransmissão de potência elétrica unipolar ou bipolar. Uma variedade deoutros tipos de adaptadores análogos é também abrangida pela presentedivulgação, sendo cada adaptador adaptado a um tipo de instrumentolaparoscópico específico, ou seja, a um tipo de haste específico (por ex.,302), que deve ser conectado ao AIL 120. Sendo assim, o AHIcompreende, dependendo dos requisitos do instrumento, um pino deslizantelinear 314, por ex., para o acionamento das pinças do instrumento, um oumais conectores elétricos 318, por ex., para potência de cauterizaçãounipolar ou bipolar, etc., e uma ou mais conexões de condutos, por ex.,para instrumentos de irrigação ou de sucção. Embora mostrado na Fig. 17com os conectores elétricos 318, deve ser entendido que para uminstrumento 18 puramente mecânico, as partes do AHI 300 que formam osconectores elétricos 318 (desenhadas com espessura de linha fina na Fig.

17) não precisam ser fornecidas. Deve-se observar que o materialconstituinte de qualquer tipo de AHI tem que ser escolhido de modo quepossa ser esterilizado, por ex., através de uma autoclave a vapor. Comefeito, em virtude do projeto do AIL 120, o AHI 300 é a única parte dosistema robótico médico 10 que precisa ser esterilizada (além da haste doinstrumento, é claro). Durante a operação, o envoltório 154 do AIL 120 eas outras partes da unidade executora 30 estão envoltos em uma bolsaplástica estéril. Embora isso não seja mostrado, é aparente que, parainstrumentos não-acionados mecanicamente porém energizadoseletricamente, tais como eletro-bisturis ou facas, o AHI não precisa ter opino deslizante 314 e uma transmissão mecânica associada. Parainstrumentos tais como uma cânula de sucção ou de irrigação, o AHI éequipado com dois tubos que são comandados remotamente através deeletro-válvulas acionadas eletricamente pelo sistema de controle robô.

O AIL 120 mostrado na Fig. 18 é projetado leve (por ex., commenos do que 800 g de peso total) e de maneira tal que caiba dentro de umenvelope cilíndrico relativamente pequeno com aproximadamente 90 mmou preferivelmente 75 mm de diâmetro para aumentar o espaço de trabalhodisponível de duas ferramentas adjacentes com entradas de acesso 20próximas. O comprimento total do AIL 120 (de aproximadamente 130 mmem um exemplo específico) é determinado a partir do comprimento do AHI300. O comprimento total do AIL 120 é minimizado para se limitar adistância entre o eixo de rotação da junta J5 e o eixo de articulação 206 doRF (ver Fig. 17). Com efeito, esta distância de afastamento é determinantepara as capacidades de faixa de percurso e de velocidade/aceleração detodas as juntas de manipulador Jl a J5. É contudo recomendado que ocomprimento do AIL 120 seja de ao menos 6 cm para permitir que o AIL120 seja pego com a mão no modo manual (ou seja, utilizando-se oenvoltório 154 conectado ao SFTAS 122 como um "joystick).

Como visto na Fig. 18, a superfície exterior do envoltório 154possui bordas alisadas. Ela é feita de um material não condutor leve efacilmente limpável. Além disso, o AIL 120 tem uma forma parcialmentesimétrica circularmente com relação à haste 302 de um instrumentoadaptado 18 montado utilizando-se um AHI 300. Quando a AHI 300 estáconectado apropriadamente ao AIL 120, o eixo da haste 302 coincide como eixo de rolamento da junta J6 e com o eixo normal do SFTAS 122.

Como visto ainda na Fig. 18, o envoltório 154 do AIL 120compreende um mecanismo de acionamento linear para acionar uminstrumento montado 18 por meio do AHI 300 como será detalhado abaixo.O assento 130 é formado como um vão semi-cilíndrico alongado côncavoem uma superfície de acesso 401 do AIL 120 para facilitar a inserção e aextração do AHI 300. O assento 130 para receber o AHI 300 éaproximadamente coaxial ao eixo de rotação da junta J6 e se estende aolongo do eixo central do envoltório 154. Como será notado, a direção dearmação e de remoção do AHI 300 com relação ao AIL 120 é radial emrelação ao eixo de rotação da junta J6. O AIL 120 é configurado de modotal que o assento 130 seja acessível a partir de todo o semi-plano acima dasuperfície de acesso 401. Como visto na Fig. 18, o assento 130 compreendeuma ranhura longitudinal 402 que aprofunda o assento 130 radialmentepara dentro do corpo do AIL 120. A ranhura adicional 402 é configuradapara receber o membro de acoplamento 308 do AHI 300. A parte deencaixe de um mecanismo de travamento 406 associado ao assento 130 estáarranjada na ranhura 402 e coopera com o membro de acoplamento 308. Oassento 130 é formado como um vão semi-cilíndrico com uma porção deextremidade arredondada conformada ao formato cilíndrico exterior doestojo 303 do AHI 300. Um detector de presença 404, por ex., uminterruptor de presença indutor, é arranjado no assento 130 para a detecçãoda presença do AHI 300 captando o bloco metálico 309 (ver Fig. 17). Umbotão de controle de vigilância 408 permite botar o sistema de controle dorobô manipulador 14 em modo manual. No modo manual, o AIL 120 (e,caso conectado, o instrumento 18) é posicionado e orientado pelo robômanipulador 14 utilizando as informações produzidas pelo assistente quemanuseia o envoltório 154 do AIL 120 e lidas pelo SFTA 122. O modomanual é particularmente útil para inserir ou extrair um instrumento atravésde um trocar.

Os detalhes do mecanismo de acionamento linear 400 são maisbem vistos na Fig. 20. O mecanismo de acionamento 400 compreende ummotor sem escovas miniatura 411 conectado através de uma caixa deengrenagens 412 e das polias 414 e 416, que são acopladas por uma correia418 em um fuso de esfera 420. O fuso de esfera 420 coopera com umaporca 422 arranjada ali de modo a transformar rotação em movimentaçãolinear como visto na Fig. 19. A porca 422 é guiada por uma guia linear 424para reduzir os esforços transversais no fuso de esfera 420. Interruptores delimite indutores 426 e 428 são colocados nos locais de fim de percurso daporca 422 e conectados a uma unidade de controle para limitar o percursodo mecanismo de acionamento 400.

Como visto na Fig. 19, o mecanismo de acionamento 400comunica movimento linear a um compartimento deslizante 430 do AIL120, como será detalhado abaixo. Em uma modalidade preferida, osseguintes parâmetros foram escolhidos para o mecanismo de acionamento400:

• percurso mecânico máximo do compartimentodeslizante 430: 7 mm (normalmente 5 mm são suficientes para osinstrumentos convencionais, mas foi descoberto que diversas hastes domesmo tipo podem percorrer comprimentos que variam em até 2 mm);

• faixa de velocidade no percurso: de 1 mm/s até 20mm/s;

· força de acionamento máxima: 200 N.

Motores de passo são preferivelmente evitados no AIL 120porque eles produzem vibrações que seriam uma quantidade considerávelde interferência para o SFTA 122. Portanto, um motor sem escovasminiatura 411 equipado com um codificador de posição de eixo é utilizado.

Tais motores estão disponíveis, por ex., pela Faulhalber GmbH,Schoenaich, Alemanha. Outros mecanismos de movimento linear não-vibrantes tais como transmissão acionada por cabos no entanto não estãoexcluídos.

A Fig. 20 mostra uma unidade de energia e controle 440 para omotor 411 que está inserida no envoltório 154 do AIL 120 e suprida, porex., com energia de 24 V de CC. Para reduzir ainda mais o diâmetro doenvoltório 154, a unidade de energia e controle 440 pode ser colocada emum envoltório adicional, seja entre o flange 156 e o SFTA 122, ou entre oSFTA 122 e um flange de conexão para a junta J6 (não mostrado), oudentro da cobertura 124 da junta J6, por ex., atrás do anel de contato decoleta 80 perto do motor 411. A unidade de energia e controle 440 éprojetada, entre outros motivos, para acionar o compartimento deslizante430 com um dado perfil de velocidades de acordo com comandos deposicionamento recebidos, para limitar a corrente do motor quando ousuário quiser, para administrar o movimento com base em sinais vindos deinterruptores de limite 426, 428, para detectar o motor 411 utilizando uminterruptor de limite, e para monitorar o detector de presença 404 sobre oenvoltório 154. Outras funções de segurança, por ex., funções de parada deemergência, também são implementadas utilizando-se um servo-erro domotor 411, isto é, a posição visada menos a posição efetiva, e a proteçãotérmica do motor 411. Para reduzir o espaço tomado pelo AIL 120, omecanismo de acionamento linear 400 não é equipado com um sensor deposição absoluta. Mesmo assim, um procedimento de sincronizaçãoautomatizado é assegurado através da utilização dos interruptores de limite426 e 428 como sensores de sincronização. Durante a operação, a posiçãoabsoluta do compartimento deslizante 430 pode ser registradaperiodicamente, por ex., em uma memória adequada do sistema de controlerobô, para a rápida recuperação do sistema após um corte ou uma falha deenergia. A presença do AHI 300, ou seja, o fato de ele estar ou nãomontado corretamente no AIL 120, é detectada através do interruptor depresença indutora 404 (ver Fig. 18) arranjado no assento 130. A resposta dasaída (<output) do interruptor de presença indutora 404 é introduzida emuma entrada (input) disponível da unidade de controle 440.

Como mais bem visto nas Figs. 17 e 19, o compartimentodeslizante 430 do mecanismo de acionamento 400 é adaptado para recebero pino deslizante 314 do AHI 300. Pela atuação do motor 411, ocompartimento deslizante 430 é reposicionado de modo a controlar o pinodeslizante 314 de um AHI 300 conectado. O pino deslizante 314 por suavez aciona o pistão 310 para operar um elemento ou uma ferramenta detrabalho na ponta da haste 302 (não mostrada), por ex., um mecanismo depinça aberto/fechado. Em outras palavras, a combinação do mecanismo deacionamento linear 400 e do AHI 300 simula a ação do cabo que foiremovido da haste 302 e substituído pelo AHI 300. A inserção do pinodeslizante 314 dentro do compartimento deslizante 430 é facilitada pelassuperfícies de orientação chanfradas 434.

A Fig. 21 e a Fig. 22 mostram em mais detalhes aconfiguração do mecanismo de travamento 406 do AIL 120 mostradoapenas parcialmente na Fig. 18. O mecanismo de travamento 406 éconfigurado como um fecho e compreende um trinco deslizante 450arranjado na ranhura 402 (mostrada na Fig. 18) do assento 130. Deve serentendido que o trinco 450 é guiado por meios adequados na ranhura 402.A ranhura 402, juntamente com o trinco deslizante 450, é configurada parareceber por encaixe o membro de acoplamento 308 do AHI 300 mostradona Fig. 17. O trinco 450 compreende duas pontas 452 para encaixarem-seem duas protuberâncias 316 formadas por compartimentos no membro deacoplamento 308 do AHI 300 (ver Fig. 17). As bordas do membro deacoplamento 308 são arredondadas para facilitar a inserção e a remoção naou a partir da ranhura 402.

O projeto do trinco 450 é mais bem visto na Fig. 22. Umamola 454 impulsiona elasticamente o trinco 450 em direção ao SFTA 122.Um botão guiado linearmente 456 permite a rotação de um eixo 458 que éacoplado ao trinco guiado linearmente 450 para desencaixar manualmenteo trinco 450 do membro de acoplamento 308 quando o AHI 300 for serremovido. As pontas 452 do trinco 450 são chanfradas para permitir ainserção do AHI simplesmente por pressão. As porções de encaixe daspontas 452 e as protuberâncias 316 são arredondadas de acordo com umperfil conjugado de modo a limitar os danos a uma capa plástica estérilutilizada para cobrir o AIL 120. Como será entendido, outros mecanismosde acoplamento ou travamento equivalentes poderiam ser tambémutilizados, por exemplo, utilizando-se imãs permanentes instalados no AILcom placas metálicas e uma alavanca baseada em came montada sobre oAHI para substituir o mecanismo de fechamento. É preferível que omecanismo de fixação, por ex., o mecanismo de travamento 406 e omembro de acoplamento 308, seja projetado para assegurar que o AHI 300,quando montado no AIL 120, possa resistir às seguintes forças e momentossem se desconectar do AIL 120:

• forças de tração e de compressão de até 100 N;momentos de força correspondentes a forças radiais de15N na ponta do instrumento;

• momentos de força de até 5 N.m.Será notado que o AIL 120 e cada AHI (por ex., 300) auxiliarsão projetados para a instalação e remoção manual rápida e fácil de uminstrumento laparoscópico adaptado 18, isto é, uma haste (por ex., 302)montada com um AHI (por ex., 300), pelo assistente de cirurgia A. A formaexterior essencialmente cilíndrica do AHI 300, do seu membro deacoplamento 308, do assento 130, da ranhura 402 e do mecanismo detravamento 406 como descrito acima fornece uma inserção guiada e umprocedimento de conexão simples quando o AHI é inserido, e umprocedimento de extração simples por meio de alguns poucos movimentosmanuais. Por meio desse projeto, a inserção e a extração do instrumentoadaptado 18 (isto é, a haste e o AHI) podem ser realizadas essencialmentetão rapidamente quanto nas operações cirúrgicas manuais, onde o assistentesubstitui um instrumento convencional para o cirurgião emaproximadamente 6 a 9 segundos.

Deve ser observado que a inserção ou remoção de uminstrumento adaptado 18 compreendendo o AHI (por ex., 300) e a haste(por ex., 302) pode ser feita de modo seguro em ambos os casos, sejaquando o instrumento estiver fora do corpo do paciente P, ou quando oinstrumento estiver inserido dentro do corpo do paciente P. É tambémpossível realizar a remoção enquanto o pino deslizante 314 é controlado.

Antes de montar o instrumento adaptado no AIL 120, umnúmero de condições preliminares deve ser respeitado. Primeiramente, se oinstrumento estiver parcialmente inserido no trocar (sem exceder ocomprimento do trocar), o AIL 120 deve ser previamente posicionado eorientado pelo manipulador 14 em uma posição ensinada que alinhe o eixode rotação da unidade executora 30 (junta J6) como trocar. Em segundolugar, o compartimento deslizante 430 deve ser colocado na "posição dereferência de inserção" pelo sistema de controle robô, por ex., uma posiçãomais próxima ao flange de interface 156. Quando um AHI (por ex., 300) éremovido, o compartimento deslizante 430 deve ser automaticamentemovimentado para esta "posição de referência de inserção" pelo sistema decontrole robô. Como mencionado acima, a presença, ausência, ou liberaçãoanormal de um AHI pode ser detectada pelo detector de presença 404. Emterceiro e quando incluído, o pino de deslizamento (por ex., 314) do AHI(300) deve estar em uma "posição de referência de inserção"correspondente à do compartimento deslizante 430. Esta posição do pino dedeslizamento 314 é preferivelmente definida tal que o instrumento esteja naconfiguração "fechada", por exemplo, as pinças de um instrumento defórceps/tesoura ficam folgadamente porém suficientemente fechadas nessaposição.

Como melhor ilustrado pela Fig. 14, o procedimento deinserção de um instrumento laparoscópico adaptado 18 incluindo um AHI(por ex., 300) e uma haste (por ex., 302) pode ser realizado em somente ummovimento manual simples de acordo com a seta 460, consistindo emcolocar o AHI (por ex., 300) sobre o seu assento 130 e em empurrarlevemente o AHI ao longo da mesma direção para encaixar o membro deacoplamento 308 com o mecanismo de travamento 406. O detector depresença 404 dá uma resposta afirmativa quando o membro deacoplamento 308 está instalado corretamente na ranhura 402. Durante esseprocedimento de inserção, o compartimento deslizante 430 se encaixa nopino deslizante 314 sem a necessidade de outras medidas, caso ascondições mencionadas anteriormente sejam respeitadas.

Quando o cirurgião C requer uma troca de instrumentosatravés de seu terminal de controle 15, quatro operações são normalmenterealizadas automaticamente pelo sistema de controle robô. Primeiro, osistema de controle robô controla o instrumento 18 para soltar qualquertecido. Segundo, ele movimenta o instrumento para perto da entrada dotrocar seguindo a direção do eixo do instrumento. Terceiro, a ponta deferramenta, por ex., as pinças do instrumento, são trazidas até umaconfiguração que impeça que a ponta se enganche no trocar. Quarto, elelibera o motor da junta J6 de maneira que o assistente de cirurgia A possagirar livremente o AIL 120 para facilitar a remoção do instrumento do AIL120. Após estas operações, a remoção de um instrumento laparoscópicoadaptado 18 pode ser feita de forma segura com dois movimentos simples ea qualquer momento.

O primeiro movimento da extração consiste em apertar o botão456 de modo a destravar o mecanismo de travamento 406. O segundomovimento de extração consiste em articular o AHI (por ex., 300) e a haste(por ex., 302) em torno da ponta da haste por rotação em torno de um eixoperpendicular ao eixo da haste de maneira a remover ambos do assento 130e, subseqüentemente extrair a haste (por ex., 302), caso ainda estejainserida, do corpo do paciente P.

Como fica aparente a partir dos procedimentos de inserção eremoção acima, o projeto do AIL 120 e do AHI (por ex., 300) permite ainserção ou a extração de instrumentos mesmo quando a haste (por ex.,302) de um instrumento adaptado 18 estiver parcialmente inserida no corpodo paciente P através do trocar 200 (ver Fig. 16). Como será notado, osmovimentos necessários para a extração não estão na direção da penetraçãoem relação ao paciente P, uma vez que eles consistem em um movimentode articulação perpendicular ao eixo longitudinal do assento 130 e ummovimento de extração subseqüente. Além disso, caso um movimento emuma dada direção de articulação possa ferir o paciente, esta direção podeser mudada girando-se o AIL 120 com a mão através da junta J6. Alémdisso, no caso de uma falha elétrica, um AHI (por ex., 300) juntamente comsua haste (por ex., 302) pode ser liberado e extraído manualmente.

Com relação ao AIL 120 como descrito acima, será observadoque uma ampla variedade de instrumentos laparoscópicos convencionaisem existência podem ser utilizados no sistema robótico 10 por meio desimples adaptadores de haste de instrumento (AHI) (por ex., 300). O AIL120 em combinação com um AHI correspondente substitui a parte de cabode um dado instrumento laparoscópico sem perda da capacidade deacionamento ou de fornecimento de potência. O AIL 120 é projetadogenericamente, isto é, independentemente do tipo de instrumento a seracoplado ao robô manipulador 14. Portanto, somente o AHI (por ex., 300)precisa ser especificamente projetado de acordo com as especificações doinstrumento. Como descrito acima, o AIL 120 é capaz de fornecer, entre

outras, as seguintes funções:· acionamento de "aberto/fechado" de pontas de

ferramentas de instrumento, por ex., pinças de instrumento, utilizando-se omecanismo de acionamento linear 400;

adaptação do comprimento do percurso"aberto/fechado" necessário para cada tipo de instrumento; · manuseio de instrumentos não-acionados como facas,

através da atuação do robô manipulador 14.

Além disso, o AIL 120 permite um bom custo-benefício nalaparoscopia robótica por causa de diversos fatores. Primeiramente, aocontrário dos dispositivos do estado da técnica que requerem diversos acionadores por manipulador porque o instrumento e o acionador associadosão montados como uma única unidade em uma única cobertura, somenteum AIL 120 é preciso para cada manipulador 14. Isso permite, entre outrascoisas, economia quanto aos custos do acionador. Em segundo lugar, oscustos dos instrumentos são reduzidos ao se utilizar as hastes (por ex., 302)de instrumentos laparoscópicos padronizados e os adaptadores de haste deinstrumento correspondentes (por ex., 300) de construção simples. Porconseguinte, o custo de um instrumento adaptado 18 para uso com o AIL120 é quase idêntico ao custo de um instrumento laparoscópico manualconvencional (isto é, incluindo o cabo). Em terceiro, os custos damanutenção de instrumentos são essencialmente iguais aos dosinstrumentos laparoscópicos convencionais porque o projeto do AHI (porex., 300) é robusto em relação aos ciclos da esterilização.

Referindo-se à Fig. 25, uma modalidade alternativa de um AIL1120 será descrita. Como muitos aspectos e vantagens do AIL descrito aquiacima também se aplicam ao AIL 1120, somente as características e asdiferenças principais serão detalhadas aqui adiante.

O AIL 1120 mostrado na Fig. 25 possui um envoltório semi-cilíndrico 1154 que tem uma superfície de acesso superiorsubstancialmente plana 1401 para facilitar a montagem e a remoção doAHI do AIL 1120. A superfície oposta 1155 do envoltório 1154 é semi-cilíndrica em conformidade com um envelope cilíndrico que seja coaxial aoeixo de rotação de J6. O diâmetro da superfície semi-cilíndrica 1155 éescolhido ergonomicamente para permitir o manuseio por um operadorhumano, por ex., na faixa de 50 a 135mm, preferivelmente de 90mm,especialmente para comandar o robô manipulador 14 no modo manualmencionado acima. Como o envoltório semi-cilíndrica tem uma seçãotransversal substancialmente menor que a do flange de interface 156 pormeio do qual o AIL 1120 é ligado ao SFTA 122, o envoltório 1154 incluiainda traves de reforço graduais 1157. As traves de reforço graduais têmum formato gradual, isto é, crescente de forma suave começando a partir dasuperfície de acesso 1401 até a borda superior do flange de interface 156.As traves de reforço 1157 são ainda curvadas em conformidade comoenvelope cilíndrico da superfície semi-cilíndrica 1155. As traves de reforço1157 conectam a superfície de acesso 1401 ao flange de interface 156 edesse modo reforçam e aumentam a rigidez da ligação do envoltório 1154ao flange de interface 156. Desta forma, as traves de reforço 1157asseguram uma transmissão de forças e de torques mais precisa a partir deum AHI através do AIL 1120 até o SFTA 122. Pode-se observar que travesde reforço semelhantes são também fornecidas no AIL 20 da Fig. 14.

A Fig. 25 mostra ainda um mecanismo de acoplamentoalternativo para montar um adaptador de haste de instrumento no AIL 1120e desse modo à unidade executora 30. No AIL 1120, assim como no AIL20, um assento 1130 é formado como um vão semi-cilíndrico alongadocôncavo na superfície de acesso 1401 para fornecer a auto-centralização deum adaptador sobre o eixo de rotação de J6. Além disso, o mecanismo deacoplamento compreende uma pluralidade de dispositivos magnéticos1423, dois no lado do compartimento deslizante 1430 e um no outro ladodo assento 1130, sendo este último arranjado em uma elevação 1425 dasuperfície de acesso 1401. A elevação 1425 fornece uma restrição deretenção adicional na direção axial a um adaptador montado e permite umposicionamento auto-ajustável do adaptador na direção axial porinclinações em direção à superfície de acesso 1401. Como será entendido,os dispositivos magnéticos 1423, que podem ser eletroímãs, imãspermanentes ou uma combinação de ambos, asseguram a fixação de umAHI projetado correspondentemente por meio de atração magnética. Ao seevitar um encaixe de travamento mecânico, elimina-se o risco de danos auma cobertura plástica estéril utilizada para cobrir o manipulador 14 oupelo menos a unidade executora 30.

A Fig. 25 ilustra uma pluralidade de sensores de presençaindutora 1431 para identificar um instrumento montado na unidadeexecutora 30 por meio de um padrão material indutoramente identificávelfornecido em um AHI. Quatro sensores de presença indutores 1431 sãoarranjados em fileira e deixados distinguindo e identificando 16 tipos deinstrumento quando se utiliza uma fileira de localizações correspondentesdo AHI voltadas para os sensores de presença indutores 1431. Além disso,os sensores de presença indutores 1431 também permitem a detecção dapresença se o código do padrão (palavra de 4 bits) correspondente a uminstrumento ausente for utilizado para esse propósito, isto é, quandonenhum material condutor estiver voltado para qualquer sensor indutor1431.

Um membro de encaixe 1433 é mostrado separadamente naFig. 25. O membro de encaixe 1433 é parte do mecanismo de acionamentoque inclui o compartimento deslizante 1430 e tem superfícies de capturachanfradas 1434 que vão até uma fenda para encaixar o pino deslizante 314de um AHI. As superfícies chanfradas 1434 facilitam a inserção do pinodeslizante 314 de um AHI. Como será percebido, o membro de encaixe1433 é desmontável do compartimento deslizante 1430 e feito de materialcompatível com esterilização. O membro de encaixe pode assim serinstalado no compartimento 1430 somente após uma cobertura estérilcobrir o AIL 1120. Na medida em que o alcance do movimento docompartimento 1430 é limitado, nenhum dano à cobertura estéril poderáocorrer.

A Fig. 26 mostra uma modalidade alternativa de um AHI 1300montado no AIL 1120 da Fig. 25. O AHI 1300 é projetado para que sejacompatível com o projeto alternativo do AIL 1120 e será detalhado aquiadiante. O AHI 1300 tem suas dimensões moldadas de maneira que suabase esteja confinada à superfície de acesso 1401. A função do AHI 1300 éa mesma que a do AHI 300 mostrado na Fig. 17, qual seja, fornecer umainterface que permita o uso de hastes 302 de instrumentos laparoscópicosmanuais convencionais no robô manipulador 14 sem a perda de qualquerfuncionalidade disponível nas intervenções manuais. A Fig. 26 mostratambém um botão de comutação 408 fornecido no AIL 1120 para transferiro sistema para o modo manual. O AHI 1300 é fornecido com uma alavanca1301 para uma fácil desmontagem manual, isto é, separação do AHI 1300do AIL 1120. O AHI 1300 também tem um conector elétrico 1308 paraconectar instrumentos ligados (por ex., instrumentos de coagulação ou decorte) diretamente a uma fonte de potência elétrica sem fios passando peloAIL 1120.

Como fica aparente a partir das Figs. 25 e 26, o projeto é talque todos os componentes do AIL 1120, incluindo o envoltório 1154, oflange 156, as traves de reforço 1157, o conjunto de sensores SFTA 122 etodas as partes do AHI 1300 montado, incluindo a alavanca 1301, estejamlocalizados dentro do envelope cilíndrico definido pela superfície semi-cilíndrica 1155. Isto é para reduzir o risco de colisão e dano quando o AIL1120 é girado por J6.

A Fig. 27 mostra um mecanismo de acionamento alternativo1400 para comunicar movimentação linear ao compartimento deslizante1430, de um projeto diferente do mecanismo da Fig. 19. Ele compreendeum motor sem escova 1411 conectado através de uma caixa de engrenagens1412 e um fuso de esfera ou uma engrenagem sem-fim 1420 a um membrode porca 1422. O compartimento 1430 está fixo ao membro de porca 1422através da intermediação de um sensor de força 1427. O sensor de força1427 permite que se meça forças exercidas pelo compartimento 1430 porsobre o pino deslizante 314 e vice-versa. Será notado também que emvirtude de se montar o compartimento deslizante 1420 sobre o lado doassento longitudinal 1130, o motor 1411 e as engrenagens conectadaspodem ser arranjados em paralelo ao eixo longitudinal do AHI 1300 e dahaste 302. Isto permite a minimização do comprimento total do AIL 1120no que os requisitos de dinâmica do acionador para certas juntas (por ex.,J4) são reduzidos. Além disso, será apreciado que esse mecanismo deacionamento 1400 é aperfeiçoado em relação à produção de vibraçõesprejudiciais. Outros aspectos e vantagens do mecanismo de acionamento1400 são semelhantes aos do mecanismo 400 descrito aqui anteriormente.

A Fig. 28 mostra o lado de baixo do AHI 1300 da Fig. 26quando desprendido do AIL 1120. O AHI 1300 compreende um estojoalongado 1303 com um conector de haste 1304 em sua extremidade frontal(ver Fig. 30). O conector de haste 1304 permite uma conexão removível aum tipo de entrada fixa à haste 302 (mostrada apenas parcialmente) de uminstrumento laparoscópico manual convencional desde que qualquer tipo deconexão destacável seja fornecido. Evidentemente, o conector e a entradapoderiam estar localizados respectivamente na haste e no AHI. Semelhanteao estojo 303, o estojo 1303 possui uma superfície semi-cilíndrica em seulado de baixo para cooperação com o assento 1130. Como visto na Fig. 28,asas laterais 1305 se projetam a partir de cada lado do estojo 1303. As asaslaterais 1305 têm uma superfície inferior plana que é conjugada à superfíciede acesso 1401 no AIL 1120 (por ex., e também à elevação 1425). Umespaço recortado 1307 é fornecido em uma asa 1305 acima do pinodeslizante 314 para oferecer visibilidade e acesso, por ex., para movermanualmente o pino deslizante 314 quando o AHI 1300 estiver acoplado aoAIL 1120. A Fig. 28 também mostra elementos ferromagnéticos planos1311 arranjados em cada asa 1305 em cada lado do estojo 1303. Oselementos ferromagnéticos 1311 formam meios de acoplamento quecooperam respectivamente com um dispositivo magnético correspondente1423 no AIL como mostrado na Fig. 25. Na região 1313, um padrãoindutoramente identificável é fornecido no AHI para identificar, por meiodos sensores indutores 1431 mostrados na Fig. 25, o instrumento sendoutilizado. Nesta modalidade mostrada na Fig. 25, uma placa metálicacompleta corresponde a uma dada palavra de 4 bits (por ex., 1111 ou0000), enquanto que em outros adaptadores podem ser fornecidos vãos, porex., perfurando-se buracos em uma ou mais das posições voltadas para ossensores indutores 1431, para dar uma palavra de bits diferentes para aidentificação.

A Fig. 29 mostra o AHI 1300 da Fig. 28 em uma vistaparcialmente desmontada. Como se vê na Fig. 29, o AHI 1300 tem umespaço interno que serve como uma guia cilíndrica 1312 para um pistão310 de um certo instrumento laparoscópico manual. O pistão 310 étipicamente utilizado no instrumento manual para comunicar movimento apartir do cabo do instrumento para o eixo guiado na haste 302. Será notadoque o pistão de um instrumento manual existente pode ser arranjado paraque deslize dentro da guia 1312. Como visto na Fig. 28, um furo oblongo1315 é fornecido através do estojo 1303, permitindo que o pino deslizante314 preso transversalmente ao pistão 310 se projete a partir do estojo 1303e que seja deslocado para frente e para trás na direção axial do estojo 1303para operar o pistão 310. O pistão 310 mostrado na Fig. 29 é uma peçaoriginal de um instrumento bipolar manual, utilizado para fornecer potênciaelétrica bipolar ao instrumento e para travar/destravar o instrumento.

A Fig. 30 serve para ilustrar que o mesmo tipo de adaptadorpode ser utilizado para acomodar diferentes pistões de diferentes tiposdentre os instrumentos laparoscópicos comercialmente disponíveis paraintervenção manual, por ex., o pistão 1310 para um instrumento manualunipolar como mostrado na Fig. 30. Isso significa que adaptadores como oAHI 1300 (ou o AHI 300) permitem o uso das partes essenciais de qualquerinstrumento manual relativamente barato disponível comercialmente norobô manipulador 14. A Fig. 29 também mostra uma das duas espigas 1317da alavanca 1301 e o eixo 1319 em torno do qual ela se articula. Aoempurrar a alavanca 1301 para baixo, as espigas 1317 levantam asuperfície inferior, e em particular os elementos ferromagnéticos 1311 doAHI 1300, para fora da superfície de acesso 1401 do AIL 1120 de maneiraque o AHI 1300 possa ser removido manualmente em uma direçãoperpendicular ao eixo de rotação J6, ou seja, do eixo da haste doinstrumento.

Além dos aspectos descritos aqui acima, o sistema robóticomédico 10 apresenta os seguintes recursos:

os robôs manipuladores 14, em virtude de seus projetos,podem ser fácil e rapidamente contraídos para permitir que o cirurgião Cacesse a mesa de operação 12 ou para permitir a instalação de uminstrumento radiológico;

- os robôs manipuladores 14, em virtude de seus projetos

e utilizando informações de um sensor externo, podem se adaptarfacilmente sem aumento significativo do tempo de intervenção às variaçõesangulares da mesa de operação 12 durante a intervenção, para a orientaçãode (anti-)Trendelenburg (-/+ 20 a 35 graus) ou lateral do paciente;

- os robôs manipuladores 14, em virtude de seus projetose utilizando informações de um sensor externo, podem lidar facilmentecom as variações de posicionamento dos trocares devido às mudanças dapressão intra-abdominal;

o sistema robótico médico 10 permite tempos curtos detroca de instrumentos para minimizar o tempo de intervenção total, osprojetos do AIL 120; 1120 e do robô manipulador 14 permitem tempos detroca de instrumentos tão curtos como nos procedimentos de laparoscopiamanuais (na faixa de 6 a 9 segundos); quando utilizado com umendoscópio, o projeto do robô manipulador 14 também permite uma rápidaextração e reinserção do endoscópio, por ex., para limpar as lentes;

o sistema robótico médico 10 permite um ajuste rápido esimples do sistema, inclusive a configuração de uma pluralidade de robôsmanipuladores 14 em torno da mesa de operação 12;- o robô manipulador 14 é projetado versátil para que sejaadequado para uma variedade de aplicações como em cirurgiasminimamente invasivas, ortopedia, biópsias, terapia percutânea, coleta deamostras de pele, diagnósticos de ultra-som, etc.

Embora o presente pedido de patente como depositado emprincípio se refira à invenção como definida nas reivindicações aquianexadas, um técnico no assunto irá entender prontamente que o presentepedido de patente contém fundamentação para a definição de outrasinvenções, que poderiam, por ex., ser reivindicadas como matéria nova emreivindicações emendadas ao presente pedido ou como matéria nova empedidos divididos e/ou certificados de adição. Tal matéria poderia serdefinida por qualquer recurso ou combinação de recursos revelada aqui.

Claims (19)

1. Sistema robótico médico para realizar procedimentosmédicos, compreendendo um robô manipulador (14) para o manuseioroboticamente assistido de um instrumento médico (18), sendo que oreferido robô manipulador compreende:uma base (24);um braço de manipulador (26) que tem uma parteessencialmente vertical (27) suportada pela referida base e uma parteessencialmente horizontal (29) suportada pela referida parte vertical;- um pulso de manipulador (28) suportado pelo referidobraço de manipulador (26); euma unidade executora (30) suportada pelo referidopulso de manipulador (28) e configurada para segurar um instrumentomédico;caracterizado por:o referido braço de manipulador (26) ter umaconfiguração cinemática PRP cilíndrica, que possui, em seqüência, umaprimeira junta (Jl) prismática (P) para variar a altura da referida partevertical ao fornecer um grau de liberdade translacional ao longo de um eixoessencialmente vertical, uma segunda junta (J2) de revolução (R) paravariar o ângulo rotacional entre a referida parte vertical e a referida partehorizontal ao fornecer um grau de liberdade rotacional em torno de um eixoessencialmente vertical, e uma terceira junta (J3) para variar o alcance dareferida parte horizontal ao fornecer um grau de liberdade translacional aolongo de um eixo essencialmente horizontal.

2. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-1, caracterizado pela referida primeira junta (Jl) prismática (P) possuiruma guia linear vertical (52) e um primeiro acionador linear (50),preferivelmente um eixo de fuso de esfera linear, para acionar a referidaprimeira junta (Jl) (P).

3. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação2, caracterizado pela referida terceira junta (J3) (P) possuir uma guialinear horizontal (73) e um segundo acionador linear (70), preferivelmenteum eixo de fuso de esfera linear, para acionar a referida terceira junta (J3)(P).

4. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-3, caracterizado pela referida parte horizontal compreender uma coberturaalongada (74) que envolve a referida guia linear horizontal e o referidosegundo acionador linear, a referida parte horizontal compreendendo umaviga (72) que se encurta em relação à referida abertura em um lado esuporta o referido pulso (28) no outro lado.

5. Sistema robótico médico de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 4, caracterizado pela referida segunda junta (J2)(R) possuir uma engrenagem, preferivelmente uma engrenagem detransmissão harmônica (62), um motor (61), preferivelmente um servo-motor sem escovas, acoplado ao estágio de entrada da referida engrenagem,e um sensor de posição absoluta (65) acoplado ao estágio de saída dareferida engrenagem.

6. Sistema robótico médico de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 5, caracterizado pela referida parte horizontal (29)do referido braço (26) ter um afastamento de elos mínimo de 800 mm.

7. Sistema robótico médico de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo referido pulso de manipulador(28) compreender uma quarta junta (J4) de revolução (R) e uma quintajunta (J5) de revolução (R) para orientar a referida unidade executora (30).

8. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-7, caracterizado pelos eixos de rotação da referida quarta junta (J4) e dareferida segunda junta (J2) (R) serem paralelos.

9. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-8, caracterizado pelo eixo de rotação da referida quarta junta (J4) (R) serco-planar com o plano formado pelo eixo de rotação da referida segundajunta (J2) (R) e pelo eixo de translação da referida terceira junta (J3) (P).

10. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-9, caracterizado pela referida quarta junta (J4) (R) fornecer um grau deliberdade rotacional ao longo de um eixo essencialmente vertical paraajustar o ângulo de guinada da referida unidade executora (30), e pelareferida quinta junta (J5) (R) fornecer um grau de liberdade rotacional aolongo de um eixo essencialmente horizontal para ajustar o ângulo dearfagem da referida unidade executora (30).

11. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-10, caracterizado pelo referido pulso (28) compreender uma placa desuporte (80) conectada à referida parte horizontal (29) do referido braço, eum membro de suporte substancialmente em forma de L (100), a referidaquarta junta (J4) (R) unindo uma primeira porção horizontal do referidomembro de suporte à referida placa de suporte (100) a um meio conector(32) para a referida unidade executora (30), sendo o referido pulso (28)configurado de maneira que os eixos de rotação da referida quarta junta(J4) (R) e da referida quinta junta (J5) (R) serem perpendiculares epossuírem um ponto de interseção.

12. Sistema robótico médico de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 11, caracterizado pela referida unidade executora(30) compreender um acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120)que possui meios para montar um instrumento cirúrgico (18) no referidomanipulador e um mecanismo de acionamento linear (400; 1400) paraacionar um instrumento cirúrgico montado.

13. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-12, caracterizado pela referida unidade executora (30) compreender umaarmadura de suporte principal (140) para conectar a referida unidadeexecutora (30) ao referido pulso (28), e uma sexta junta (J6) de revolução(R) que une o referido acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120)à referida armação de suporte principal (140), a referida sexta junta (J6) (R)fornecendo um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixo quecoincide com o eixo longitudinal de um instrumento cirúrgico montado noreferido acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120), para ajustar oângulo de bancagem do referido instrumento cirúrgico (18) montado.

14. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-13, caracterizado pelos eixos de rotação da referida sexta junta (J6) (R) eda referida quinta junta (J5) (R) serem perpendiculares.

15. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-13 ou 14, caracterizado pelo referido pulso de manipulação (28) serconfigurado de maneira que os eixos de rotação da referida sexta junta (J6)(R) e da referida quarta junta (J4) (R) fiquem afastados a uma distância(05) que corresponde aproximadamente ao diâmetro do acionador deinstrumento laparoscópico (120; 1120) em sua seção transversal maior.

16. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-13 ou 14, caracterizado pela referida unidade executora (30) compreenderum conjunto de sensores (122) que compreende um sensor de força/torquecom seis GDL e um acelerômetro linear e angular com seis GDLcoincidente, o referido conjunto conectando o referido acionador deinstrumento laparoscópico (120; 1120) à referida sexta junta (J6) (R).

17. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação-7 ou 13, caracterizado pela referida quarta junta (J4) (R), a referida quintajunta (J5) (R) e/ou a referida sexta junta (J6) (R) ter um motor (81; 101;-141), preferivelmente um servo-motor sem escovas, uma engrenagem (83;-103; 143) que possui um estágio de entrada acoplado ao eixo do referidomotor, uma correia de transmissão (84; 104; 144) acoplada ao estágio desaída da referida engrenagem para transmitir movimento à junta associada,e um sensor de posição absoluta (88; 108; 148) acoplado à referida correiade transmissão.

18. Sistema robótico médico de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 17, caracterizado pela referida base (24)compreender um telêmetro de laser (22) para detectar a intromissão depessoal dentro do espaço de trabalho do referido manipulador.

19. Sistema robótico médico de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 18, caracterizado pela referida primeira junta (Jl)prismática (P) e pela referida terceira junta (J3) prismática (P) teremrespectivamente um freio associado e um sensor de posição absolutaassociado.