BRPI0707438B1

BRPI0707438B1 - Sistema robótico médico

Info

Publication number: BRPI0707438B1
Application number: BRPI0707438-7A
Authority: BR
Inventors: Emilio Ruiz Morales
Original assignee: The European Atomic Energy ( Euratom ), Representada Por, The European Commission
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2019-09-24
Also published as: RU2008135240A; US20100204713A1; KR20080100211A; PL1984150T3; PT1984150T; ES2689093T3; KR101306215B1; WO2007088206A3; RU2412799C2; BRPI0707438B8; EP1984150A2; CN101421080A; JP2009525097A; CA2635135C; CA2635135A1; CN101421080B; BRPI0707438A2; JP5148512B2; MX2008010057A; WO2007088206A2

Abstract

sistema robótico médico a presente invenção se refere a um sistema robótico médico (10) para a realização de procedimentos médicos, compreendendo um robô manipulador (14) para o manuseio roboticamente assistido de uminstrumento médico, em particular um instrumento de cirurgia laparoscópica (18). o robô 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

A invenção reivindicada se refere ao campo dos equipamentos médicos, e mais particularmente a um sistema robótico médico para realizar procedimentos médicos, em particular procedimentos cirúrgicos tais como procedimentos minimamente invasivos.

Fundamentos da Invenção

E bem sabido que, ao contrário da laparotomia, os procedimentos médicos minimamente invasivos têm o benefício de reduzir a quantidade de tecido extrínseco que é danificada durante os procedimentos diagnósticos ou cirúrgicos. Isto resulta em um tempo de recuperação mais curto do paciente, menos desconforto e efeitos colaterais deletérios, e menos gastos para a estada no hospital. Hoje em dia, em cirurgias gerais, e nas especialidades em urologia, ginecologia e cardiologia, há um aumento da quantidade de operações cirúrgicas realizadas por procedimentos minimamente invasivos, tais como as técnicas laparoscópicas.

As técnicas minimamente invasivas em geral, e a laparoscopia em particular, de fato apresentam requisitos mais severos sobre o cirurgião que conduz a operação. O cirurgião opera em uma posição desconfortável e cansativa, com um campo visual limitado, liberdade de locomoção reduzida e pouca percepção tátil. A esses problemas adiciona-se o fato de que os cirurgiões com freqüência têm que realizar diversas intervenções consecutivas por dia, cada intervenção durando, por ex., de 30 minutos até várias horas. Apesar dessas dificuldades, a tendência em direção aos procedimentos minimamente invasivos irá provavelmente aumentar

2/59 agudamente nos próximos anos devido à população envelhecida e a pressão dos custos sobre o campo médico.

Na laparoscopia, exige-se obviamente que o cirurgião seja tão preciso em seus movimentos quanto na laparotomia. A manipulação de instrumentos com longos eixos com a destreza da movimentação reduzida para quatro graus de liberdade em tomo de um fulcro na entrada de acesso do instrumento, isto é, na incisão no corpo do paciente, não alivia essa tarefa. As complicações surgem, entre outras razões, devido ao fato de que a postura requerida é muito cansativa e reduz a percepção já limitada das forças de interação entre o instrumento e os tecidos. Por exemplo, quando o cirurgião fica ao lado do paciente, ele deve erguer e manter estendido um de seus braços para segurar o instrumento inserido no lado oposto do paciente. Em resultado, as capacidades motoras do cirurgião normalmente caem após 20 a 30 minutos, tais como, dentre outras, tremedeira, perda de precisão e perda de sensibilidade tátil, ocorrem junto com os riscos resultantes para o paciente. Em conseqüência, novas tecnologias, tais como a laparoscopia assistida roboticamente, estão surgindo com vista a melhorar a eficiência, qualidade e segurança das intervenções.

Tendo em vista o exposto acima, a laparoscopia assistida roboticamente conheceu progressos significativos desde o início dos anos noventa. Dois sistemas de cirurgia robótica comercialmente disponíveis representativos são o sistema de cirurgia conhecido pela marca 'DA VINCF desenvolvido pela Intuitive Surgical Inc., Sunnyvale, Califórnia EUA, e o sistema de cirurgia conhecido pela marca 'ZEUS¹ originalmente desenvolvido pela Computer Motion Inc., Goleta, Califórnia EUA. O sistema de cirurgia conhecido pelo nome 'DA VINCF é descrito por, entre outros, Moll e outros em US 6.659.939; US 6.837.883, e em outros documentos de patente da mesma depositante. O sistema de cirurgia conhecido pelo nome 'ZEUS' é descrito, entre outros, por Wang e outros

3/59 em US 6.102.850; US 5.855.583; US 5.762.458; US 5.515.478 e em outros documentos de patente depositados pela Computer Motion Inc., Goleta, Califórnia EUA.

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

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

Independentemente desses dois sistemas específicos, o projeto mecânico de manipuladores em sistemas de cirurgia robótica tem bastante progresso à sua frente em vários aspectos, dentre os quais a versatilidade do sistema é apenas um no meio de muitos outros.

Objetivo da Invenção

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

Descrição Geral da Invenção

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Para alcançar este objetivo, é proposto um sistema robótico médico para realizar procedimentos médicos, em particular procedimentos laparoscópicos, compreendendo um robô manipulador para assistir roboticamente o manuseio de um instrumento médico, em particular um instrumento cirúrgico laparoscópico, como revelado aqui adiante. De acordo com um aspecto da invenção, o robô manipulador compreende uma base; um braço de manipulador que possui uma parte essencialmente vertical suportada pela base e uma parte essencialmente horizontal suportada pela parte vertical; um pulso de manipulador suportado pelo braço de manipulador; e uma unidade executora suportada pelo pulso de manipulador e configurada para segurar um instrumento médico. De acordo com um outro aspecto da invenção, o braço manipulador possui uma configuração cinemática PRP cilíndrica para o posicionamento do pulso de manipulador. Mais particularmente, a configuração cinemática PRP proposta inclui em seqüência as seguintes três juntas: uma primeira junta prismática (P) para fazer variar a altura da parte vertical ao fornecer um grau de liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmente vertical, uma segunda junta de revolução (R) para fazer variar o ângulo rotacional entre a parte vertical e a parte horizontal ao fornecer um grau de liberdade rotacional em tomo de um eixo essencialmente vertical, e uma terceira junta prismática (P) para fazer variar o alcance da parte horizontal ao fornecer um grau de liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal.

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

a redução do espaço necessário acima do paciente por um único braço de manipulador que permita, entre outros recursos, o uso de um maior número de braços de manipulador separados em uma dada intervenção;

5/59 o posicionamento da base do manipulador a uma certa distância a partir do paciente de modo que para se colocar o robô manipulador em uma posição de afastamento no caso de uma emergência requer meramente que se movimente a parte horizontal do braço até uma posição não obstrutora;

a facilitação do acesso do pessoal ao paciente e também à 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 manipulador propriamente, isto é, somente três juntas, para fornecer três GDL para posicionar o pulso, sendo eliminadas quaisquer juntas redundantes e em particular juntas passivas.

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

Um técnico no assunto irá perceber também que a configuração cinemática proposta aqui questiona a crença de que a SC ARA, isto é, um certo tipo de configuração PRR, seja considerada a mais apropriada para as aplicações laparoscópicas. Essa crença por muito tempo estabelecida é confirmada nas literaturas científica e patentária, como, por ex., na monografia “Λ Robotic Case Study: Optimal Design for Laparoscopic Positioning Standsf A. Faraz e Sh. Payandeh; Proceedings of the 1997 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation·, Abril 1997; (ver parágrafo 2.2 em particular).

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Além disso, a configuração cinemática proposta contribui para uma maior versatilidade do sistema. Em outras palavras, este projeto do robô manipulador faz com que o sistema seja adequado para uma variedade de aplicações, especialmente para cirurgias minimamente invasivas, mas também para intervenções ortopédicas ou de biópsias, para terapias percutâneas, para a coleta de pele, para diagnósticos por ultra-som, etc.

Como será percebido, o sistema robótico revelado rompe com o paradigma de acordo com o qual as configurações cinemáticas SCARA representam a escolha mais apropriada no caso específico de um sistema robótico médico. Um exemplo representativo de um sistema médico robô utilizando manipuladores com a configuração SCARA é o sistema mencionado anteriormente conhecido pela marca “ZEUS”, descrito, por ex., em US6102850; US5855583; US5762458 e US5515478.

Quanto à versatilidade do sistema robótico médico, os sistemas robóticos médicos em existência são geralmente projetados para um tipo de intervenção específico. Os sistemas “DA VINCI” e “ZEUS”, por exemplo, foram projetados especialmente para cirurgias cardiológicas. Por conseqüência, como mencionado acima, esses sistemas são projetados para instrumentos articulados especiais. Além disso, por causa do espaço de trabalho limitado nas intervenções cardiológicas, a movimentação dos instrumentos é normalmente reduzida por conversão a partir dos comandos do cirurgião na interface tátil desses sistemas. Na cirurgia laparoscópica geral (incluindo e ginecologia e a urologia) o espaço de operação é maior do que na cardiologia, a topologia anatômica é variável (às vezes até mesmo imprevisível), e as propriedades mecânicas dos tecidos e dos órgãos são diversas. Uma área de trabalho maior implica um maior envelope de movimentação de instrumentos e a necessidade de escala de movimentação 1:1. Em resultado, na laparoscopia geral, uma dinâmica de movimentação aumentada é necessária para se seguir precisamente o movimento das mãos

7/59 do cirurgião. A partir de testes experimentais descobriu-se que as mãos do cirurgião produzem altas velocidades em um espaço de trabalho pequeno, e portanto uma aceleração muito elevada. A velocidade pode atingir até 1007s 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 condições mencionadas, os sistemas acima apresentam vibrações, oscilações e perda de precisão. O robô manipulador, descrito em mais detalhes aqui abaixo, é projetado para reduzir tais problemas e portanto para que seja adequado a uma variedade de intervenções de cirurgias laparoscópicas em geral.

Além disso, muitos sistemas em existência têm, além de um manipulador para o endoscópio, apenas dois manipuladores para os instrumentos cirúrgicos em si. Isso resulta em mais tempo de intervenção devido a freqüentes e complexos procedimentos de troca de instrumentos. Em uma intervenção típica, o cirurgião usa de cinco a sete tipos de instrumentos e com freqüência precisa trocá-los por diversas dezenas de vezes. Usualmente, a troca de instrumentos leva de 5 a 10 segundos, dependendo da habilidade do assistente do cirurgião, e essas operações de troca contribuem substancialmente para o tempo total da intervenção (em aproximadamente 10 a 20%). Muitos dos sistemas robóticos existentes não são prontamente adequados para intervenções típicas que requeiram de três a quatro entradas de acesso de instrumentos. Outros sistemas são restritos a intervenções de diagnóstico que são normalmente de duração curta (aproximadamente 20 minutos) e freqüentemente não justificam o custo de um sistema de robótica. Idealmente, um sistema de cirurgia robótico deve ser modular e ter a capacidade de administrar até quatro entradas de acesso de instrumento e uma entrada de acesso de endoscópio. Uma restrição significativa, relacionada ao projeto de manipuladores adequados, é que as entradas de acesso podem estar distantes entre si por alguns centímetros apenas e os respectivos instrumentos precisam ser posicionados quase

8/59 paralelos ou um em cima do outro. Além disso, é desejável que os manipuladores não limitem excessivamente a visão do cirurgião sobre o corpo do paciente e as entradas de acesso. O sistema robótico médico, em virtude especialmente da configuração cinemática do braço de manipulador, mas também devido a vários outros recursos descritos aqui abaixo e considerados inventivos em si, aborda estes últimos problemas, entre outros, e facilita o uso simultâneo de uma pluralidade de robôs manipuladores.

Uma outra limitação relevante dos sistemas existentes diz respeito à falta de meios seguros e confiáveis para a prevenção de colisões entre manipuladores diferentes, entre manipuladores e o pessoal no palco de operação, e entre instrumentos e o endoscópio. Qualquer potencial colisão representa no entanto um grave risco à saúde do paciente e possivelmente a do pessoal de operação, e portanto a prevenção eficaz de colisões em sistemas de cirurgia robóticos é de grande importância. Esse problema obviamente se toma ainda mais crítico com um número maior de robôs manipuladores utilizado durante uma dada intervenção. Em virtude da configuração cinemática PRP, por um lado, os riscos de potenciais colisões são reduzidos por causa da obstrução reduzida pelo próprio braço de manipulador e, por outro lado, os métodos para a detecção e a prevenção de colisões são simplificados.

Será percebido que o sistema oferece a possibilidade de manobras necessária com um número mínimo de juntas, isto é, com seis GDL com apenas seis juntas. Nenhuma outra junta redundante são fornecidas para a movimentação do manipulador. Em particular, instrumentos especiais com extremidades distais articuladas não são necessários. Além disso, todas as juntas são acionadas, isto é, nenhuma junta passiva (não acionada) ou de rotação livre está presente no robô manipulador, devido a que o controle robótico é significativamente

9/59 melhorado. A eliminação de juntas passivas redundantes, que são comumente utilizadas em sistemas conhecidos, por ex., para evitar tensão nos trocares, é obtida, entre outros meios, providenciando-se o conjunto de sensores na interface entre a sexta junta e o acionador de instrumento laparoscópico. Esse arranjo do conjunto de sensores permite a medição das forças e restrição de controle não apenas no nível da ponta do instrumento mas também no nível do trocar. Uma outra particularidade pode ser observada no fato de que as juntas do pulso e da unidade executora são todas rotativas, ou seja, nenhuma junta prismática é fornecida nessas peças.

Em uma modalidade vantajosa, que entre outros aspectos aumenta a rigidez do manipulador, a primeira junta (P) possui uma guia linear vertical e um primeiro acionador linear, preferivelmente um eixo de fuso de esfera linear, para acionar a primeira junta (P). De forma semelhante, a terceira junta (P) possui vantajosamente uma guia linear horizontal e um segundo acionador linear, preferivelmente um eixo de fuso de esfera linear, para acionar a terceira junta (P). Além disso, tanto a primeira como a terceira junta tem preferivelmente um freio e um sensor de posição absoluta respectivamente associado a ele.

Para proteger os componentes da parte vertical e para minimizar as dimensões da porção mais importante da parte vertical acima do paciente, é preferível que a parte horizontal compreenda uma cobertura alongada que encubra a guia linear horizontal e o segundo acionador linear, sendo que a parte horizontal compreende uma viga que se encurta em relação 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 um sensor de posição absoluta acoplado ao estágio de saída da engrenagem. Uma construção compacta é desse modo obtida, o que permite

10/59 adicionalmente a detecção de uma falha do mecanismo de acionamento na segunda junta (R).

Em mais uma modalidade preferida, o pulso de manipulador compreende uma quarta junta de revolução (R) e uma quinta junta de revolução (R) para orientar a unidade executora. Conseqüentemente, o braço de manipulador e o pulso de manipulador juntamente fornecem exatamente cinco graus de liberdade controláveis.

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

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

Mais particularmente, em uma configuração preferida, a quarta junta (R) fornece um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixo essencialmente vertical para ajustar o ângulo de guinada (yaw) da unidade executora, e sendo que a quinta junta (R) fornece um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal para ajustar o ângulo de arfagem (pitch) da unidade executora. Evidentemente, o ângulo de guinada depende também da verdadeira configuração da segunda junta (R). Esta última é portanto levada em consideração para o ajuste do ângulo de guinada por meio da quarta junta (R). Em combinação com a configuração cinemática do braço de manipulador, esta configuração

11/59 impede singularidades de manipuladores como ficará mais aparente aqui adiante. Uma cinemática inversa simplificada e uma possibilidade de manobras melhorada são alcançadas em uma modalidade preferida em que o pulso compreende uma placa de suporte conectada à parte horizontal do braço, e um membro de suporte substancialmente em forma de “L”, sendo que a quarta junta (R) une uma primeira porção horizontal do membro de suporte à placa de suporte, e a quinta junta (R) une uma segunda porção vertical do membro de suporte a um meio conector para a unidade executora, sendo o pulso configurado de um modo tal que os eixos de rotação da quarta junta (R) e da quinta junta (R) tenham um ponto de interseção.

Para a manipulação roboticamente assistida de instrumentos laparoscópicos, a unidade executora preferivelmente compreende um acionador de instrumento laparoscópico que possua meios para montar um instrumento cirúrgico no manipulador, e um mecanismo de acionamento linear para acionar um instrumento cirúrgico montado. Nessa última configuração para os instrumentos laparoscópicos, é preferível que a unidade executora compreenda uma armação de suporte principal para conectar a unidade executora ao pulso e uma sexta junta de revolução (R) que uma o acionador de instrumento laparoscópico à armação de suporte principal, a sexta junta (R) fornecendo um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixo que coincide com o eixo longitudinal de um instrumento cirúrgico montado no acionador de instrumento laparoscópico para ajustar o ângulo de bancagem (roll) do instrumento cirúrgico montado. Nesta última modalidade, é preferível que os eixos de rotação da sexta junta (R) e da quinta junta (R) sejam perpendiculares. É no entanto também concebível, por ex., em aplicações do sistema robótico que não sejam cirurgias minimamente invasivas, que esses eixos possam ser oblíquos, por

12/59 exemplo, para prevenir singularidades devido a um possível alinhamento da sexta e da quarta juntas (R).

Preferivelmente, o pulso de manipulador é configurado de um modo tal que os eixos de rotação da sexta junta (R) e da quarta junta (R) sejam afastados por uma distância que corresponda aproximadamente ao diâmetro do acionador de instrumento laparoscópico em sua seção transversal maior. A modalidade permite que dois robôs manipuladores operem em incisões localizadas proximamente com um risco de colisão reduzido.

Para permitir a informação sobre forças em uma interface tátil do cirurgião, a unidade executora compreende vantajosamente um conjunto de sensores que compreende um sensor de força/torque com seis graus de liberdade (GDL) e um acelerômetro com seis GDL, sendo que o conjunto conecta o acionador de instrumento laparoscópico à sexta junta (R). Esse conjunto de sensores permite a medição da aceleração linear e angular e da inclinação do acionador de instrumentos laparoscópicos e de quaisquer forças ou torques exercidos por um instrumento montado sobre o corpo de um paciente. O acelerômetro linear e angular é utilizado para compensar a influência gravitacional e de outras acelerações sobre o sensor de força/torque.

Muitos sistemas robóticos médicos em existência carecem de informações sobre forças, e assim impedem que o cirurgião tenha a percepção das forças exercidas sobre os tecidos do paciente. Assim, o cirurgião tem que confiar apenas nas informações visuais sobre seus movimentos para limitar a interação do instrumento com os tecidos. Com efeito, a informação sobre as forças contribui significativamente para a segurança no uso da robótica para a laparoscopia cirúrgica. Além disso, o sentido tátil é relevante para os órgãos palpitantes, para segurar órgãos viscosos com um instrumento que não esteja no campo visual do

13/59 endoscópio, para aplicar a tensão adequada às suturas e evitar o rompimento dos fios, para detectar forças excessivas aplicadas a órgãos e conseqüentemente cessar ou limitar a movimentação, para limitar as forças aplicadas sobre a incisão do trocar, etc. Em “Development of actuated and sensor integrated fórceps for minimally invasive robotic surgery”, por B. Kübler, U. Seibold e G. Hirzinger - Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- and Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), 89 de Outubro de 2004, Munique, Alemanha; um sensor de força/torque com seis GDL miniaturizado instalado na ponta do instrumento foi apresentado. Este conceito possui várias desvantagens, dentre as quais os gastos maiores com instrumentos, a falta de robustez com relação à esterilização, e problemas de proteção contra interferências eletromagnéticas quando utilizado junto com instrumentos alimentados eletricamente.

Com relação à construção do acionador, a quarta junta (R), a quinta junta (R) e/ou a sexta junta (R) possui vantajosamente um motor, preferivelmente um servo-motor sem escovas, uma engrenagem que tem um estágio de entrada acoplado ao eixo do motor, uma correia de transmissão acoplada ao estágio de saída da engrenagem para transmitir movimento à junta associada, e um sensor de posição absoluta acoplado à correia de transmissão. Esse projeto permite a detecção de falhas nas juntas no final da cadeia de transmissão.

Para detectar a invasão de pessoal dentro do espaço de trabalho do manipulador, a base de cada robô manipulador preferivelmente compreende um telêmetro de laser.

Breve Descrição dos Desenhos

Os aspectos acima assim como outros aspectos inventivos e objetivos da presente divulgação ficarão mais aparentes a partir da descrição a seguir de uma modalidade não limitativa com referência aos desenhos anexos, nos quais:

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A Fig. 1 é uma vista em perspectiva de um sistema robótico médico para a laparoscopia cirúrgica genérica em um palco de operação com três manipuladores de robô colocados em volta de uma mesa de operação sobre a qual um paciente está deitado;

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

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

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

A Fig. 5 é um diagrama esquemático da configuração cinemática do robô manipulador da Fig. 3 incluindo as juntas J1 a J6;

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

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

A Fig. 8 é uma vista superior de um sistema robótico médico mostrando uma detecção em 2D baseada em laser para detectar a proximidade de um assistente de cirurgião em relação a um robô manipulador;

A Fig. 9 é uma vista em perspectiva dos componentes internos das juntas J1, J2 e J3 do robô manipulador da Fig. 3;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

A Fig. 24 é uma vista em perspectiva de um sistema robótico médico para a laparoscopia genérica com quatro manipuladores de robô de acordo com a Fig. 23 e um robô manipulador de acordo com a Fig. 3;

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A Fig. 25 é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa de um acionador de instrumento laparoscópico (AIL) para uso na unidade executora mostrada na Fig. 14;

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

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

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

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

A Fig. 30 é uma vista em perspectiva parcialmente vazada do AHI mostrado na Fig. 26 e na Fig. 28 com um instrumento diferente conectado ao adaptador.

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

Descrição Detalhada com Relação às Figuras

A Fig. 1 mostra um sistema robótico médico para a laparoscopia genérica, geralmente identificado pelo número de referência 10. Um paciente P coberto por um lençol estéril está deitado sobre uma mesa de operação 12 em volta da qual uma pluralidade de manipuladores de robô 14 está disposta. No exemplo da Fig. 1, o sistema robótico médico 10 é ajustado para uma intervenção na área pélvica. Um cirurgião C opera um terminal de comando cirúrgico 15 e um assistente de cirurgião A está em pé perto da mesa de operação 12 e perto de uma mesinha 16 com um conjunto de instrumentos laparoscópicos adaptados 18. Os manipuladores de robô 14 são projetados para posicionar e para orientar uma unidade executora que suporta e possivelmente aciona várias espécies de

17/59 instrumentos laparoscópicos 18. Durante a operação, os manipuladores de robô 14 são tele-operados por um ou mais cirurgiões C através de um ou mais terminais de comando cirúrgicos 15 que estão conectados a uma unidade de controle (não mostrada). Como será notado, o sistema robótico médico 10 é modular e configurável de acordo com o tipo da intervenção cirúrgica, geralmente com até cinco manipuladores e normalmente com uma configuração mínima de dois manipuladores. Uma configuração de um sistema robótico médico 10’ com cinco manipuladores 14 é mostrada, por exemplo, na Fig. 2. O sistema 10 mostrado na Fig. 1 é equipado com telêmetros a laser 22 localizados na base de cada robô manipulador 14. Os telêmetros a laser 22 são utilizados para a segurança do pessoal da assistência cirúrgica no palco de operação.

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

Na Fig. 4, as partes principais do robô manipulador 14 são mostradas. O braço 26 tem uma parte essencialmente vertical 27 e uma parte essencialmente horizontal 29. A primeira extremidade do braço 26 na parte vertical 27 deve ser ligada à base 24 enquanto que o pulso 28 deve ser ligado à segunda extremidade do braço 26, ou seja, a extremidade da parte horizontal 29. Uma unidade executora 30 para instrumentos laparoscópicos adaptados 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

18/59 (GDL) e o pulso 28 tem dois GDL. Sendo assim, o robô manipulador 14 é basicamente um robô manipulador com cinco GDL. Um GDL auxiliar para fazer girar o instrumento laparoscópico 18 montado na unidade executora 30 em tomo de seu eixo longitudinal é fornecido pela unidade executora 30. O arranjo dos GDL do robô manipulador 14 e da unidade executora 30 ficará mais aparente a partir da descrição da Fig. 5 a seguir.

Como mais bem visto no modelo geométrico da Fig. 5, o braço 26 é articulado na base 24 por meio de uma primeira junta J1 que é uma junta deslizante prismática (P) (ou junta de translação retilínea). A primeira junta J1 é conectada à base 24 por meio de um elo de base E0 e fornece um GDL translacional ao longo de um eixo essencialmente vertical. A primeira junta J1 assim permite o posicionamento vertical do primeiro elo essencialmente vertical El e dos componentes subseqüentes ligados a este em relação à base 24 e ao elo E0. Em outras palavras, a junta J1 define a altura da parte vertical 27. Uma segunda junta J2, que é uma junta de revolução (R), conecta o primeiro elo El a um segundo elo essencialmente horizontal E2 do braço 26. O eixo de rotação da junta de revolução J2 é essencialmente vertical. A junta J2 permite o ajuste do ângulo relativo entre o elo E2 e sua posição angular inicial em um plano horizontal. Uma terceira junta de deslizamento prismática (P) J3 conecta o elo E2 a um terceiro elo essencialmente horizontal E3. A junta (P) J3 fornece um grau de liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal e permite que se ajuste o alcance ou a extensão do braço 26, mais precisamente da parte horizontal 29, por deslocamento horizontal do elo E3 em relação ao elo E2. Os elos E2 e E3 juntamente com a junta (P) J3 formam uma lança de alçamento ou jib extensível essencialmente horizontal do robô manipulador 14.

Com duas juntas (P) e uma junta (R) arranjadas como visto na Fig. 5, o braço 26 tem um GDL rotacional em tomo de um eixo

19/59 essencialmente vertical, e dois GDL translacionals associados ao longo de dois eixos perpendiculares. Desta forma, o braço 26 do robô manipulador 14 tem configuração cilíndrica, isto é, a configuração cinemática do manipulador 14 pertence à classe dos robôs cilíndricos de PRP (PrismáticaRevolução-Prismática). Mais precisamente, cada junta dentre as primeiras três Jl, J2 e J3 corresponde respectivamente a uma coordenada cilíndrica (z, Θ, r): sendo z a coordenada da elevação (ou altura), sendo Θ a coordenada rotacional (ou azimutal), e sendo r a coordenada do alongamento radial (ou raio).

Como visto ainda na Fig. 5, o pulso 28 compreende duas juntas de revolução J4, J5, e a unidade executora 30 inclui uma junta de revolução J6. As juntas de revolução J2, J4, J5 e J6 definem respectivamente a orientação de um instrumento laparoscópico adaptado 18 ligado à unidade executora 30. A junta de revolução J4 conecta o elo E3 ao elo E4 e permite o giro do elo E4 com as partes subseqüentes, em tomo de um eixo essencialmente vertical que seja paralelo ao eixo de rotação da junta J2. Assim, a junta de revolução J4 permite o ajuste do ângulo de guinada (yaw) da unidade executora 30, em combinação com o próprio ajuste da junta J2. Deve ser observado que o eixo de rotação da junta de revolução J4 é co-planar com o plano formado pelo eixo de rotação da junta de revolução J2 e pelo eixo de translação da junta prismática J3. A junta de revolução J5 conecta o elo E4 ao flange de ferramenta 32 e permite o giro do flange de ferramenta 32 com as partes subseqüentes ao longo de um eixo essencialmente horizontal perpendicular ao eixo de rotação da junta J4. Assim, a junta de revolução J5 permite o ajuste do ângulo de arfagem (pitch) da unidade executora 30. A unidade executora 30 é conectada ao flange de ferramenta 32 através de um elo E5. O eixo de rotação da junta de revolução J6 é substancialmente perpendicular ao eixo de rotação da junta J5 e conecta o elo E5 ao elo E6. O eixo de rotação da

20/59 junta de revolução J6 é alinhado com o elo E6 e define o ângulo relativo do elo E6 em relação à sua posição angular inicial. Um instrumento laparoscópico adaptado 18 é conectado ao elo E6. O instrumento 18, representado pelo elo E7, é alinhado com o elo E6. O ponto de extremidade do elo E7 representa a ponta de instrumento 17.

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

• um espaço contido relativamente pequeno ocupado pela estrutura 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 parte horizontal 29, de 800 mm) suficiente para facilitar o acesso do cirurgião à mesa de operação e a transferência do paciente da/para a mesa de operação;

• computação fácil e rápida de detecção de colisão entre manipuladores.

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

Uma vantagem resultante da configuração PRP escolhida do braço de robô manipulador 26 é a simplificação da computação de detecção de colisão entre uma pluralidade de manipuladores 14 arranjados em espaços de trabalho que se interceptam em volta da mesa de operação 12 (Figs. 1 e 2). Devido à configuração cilíndrica, o robô manipulador 14 pode ser aproximado com simples recursos de geometria plana em um plano horizontal bidimensional (2-D). Como se vê melhor na Fig. 6, os elos mecânicos do braço 26 podem ser envolvidos por um retângulo de comprimento e orientação variáveis correspondendo respectivamente à (J3 + E2 + E3) e à J2; a largura do envelope retangular é dada pela geometria mecânica dos elos mais uma margem, que depende, por exemplo, do espaço necessário para frear o robô a partir da velocidade máxima até mais

21/59 um limite de segurança. A margem de cada lado dos envelopes retangulares pode ser dinamicamente moldada de acordo com a direção e a velocidade do movimento, por ex., quanto mais alta for a velocidade na direção do lado de um envelope, maior será a margem para este lado do envelope. O pulso 28 é aproximado por um retângulo que envolve o corpo do elo E4 e parte do elo E5, e tem uma orientação plana variável dada pela atual posição angular da junta J4. De forma semelhante, a unidade executora 30 pode ser aproximada por um retângulo que envolva sua projeção no plano horizontal 2-D onde o ângulo da projeção corresponder à posição angular atual da junta J5. O mesmo princípio se aplica à haste do instrumento 18 conectada à unidade executora 30. Tais recursos geométricos bidimensionais simples permitem que sejam estabelecidos algoritmos simples e eficazes para a detecção de colisões com base na interseção de suas linhas. Em um primeiro estágio, o método de detecção de colisão consiste em verificar uma colisão na projeção horizontal 2-D. Somente quando qualquer uma dessas figuras 2-D colidirem com uma figura de um robô manipulador 14 diferente, um risco efetivo de colisão real será subseqüentemente verificado incluindo-se a terceira dimensão. Como será notado, os cálculos em 3-D portanto só precisam ser feitos para os lados interceptados das partes dos manipuladores de robô 14. Nesse cálculo em 3-D simplificado, as partes visadas são envolvidas, por exemplo, com um modelo de base triangular. Em resultado, algoritmos rápidos de detecção de interseção podem ser facilmente implementados, como, por ex., aqueles propostos em Fasí Triangle-Triangle Intersection Te st por Moller, Journal of Graphics Tools, 2(2), 1997. Na prática, a detecção de colisões entre as hastes dos instrumentos 18 é relevante especialmente para proteger o endoscópio de instrumentos alimentados por corrente elétrica.

Para um resultado preciso da detecção de colisões entre manipuladores de robô 14, a posição e a orientação de todos os

22/59 manipuladores de robô 14 em relação a um sistema de coordenadas comum de referência são determinadas através de um procedimento de calibração após o posicionamento dos manipuladores 14 no palco de operação. Do ponto de visto funcional, após a detecção de um risco de colisão, o sistema de controle deve interromper os manipuladores envolvidos 14 e alertar o cirurgião C através da exibição das informações apropriadas e/ou da apresentação de uma força repulsiva no terminal de controle 15. O cirurgião C poderá então obter a recuperação de forma simples teleoperando um dos manipuladores em uma direção segura. Em um melhoramento adicional, vários níveis de segurança para colisões são implementados utilizando-se ao menos dois envelopes com margens diferentes 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 de colisão com o envelope mais protuberante, um movimento comandado pelo cirurgião C na direção da colisão é abruptamente reduzido em função da penetração na área de margem.

Uma outra vantagem com relação à configuração do braço 26 está relacionada ao nível de controle dos acionadores associados às juntas Jl, J2, J3. Em comparação com outras classes de robôs (por ex., robôs esféricos ou articulados), e como resultado da configuração do braço, o controle desses acionadores é melhorado porque Jl, J2, J3 e J4 não estão sujeitas a cargas gravitacionais variáveis, e porque Jl, J3 e J5 não têm cargas inertes variáveis. Isso permite uma otimização simplificada das malhas (loops) de controle (por ex., PID com feed-forward), e que sejam obtidos erros de rastreamento da dinâmica de posições muito baixos. Além das vantagens apresentadas, o projeto mecânico deve considerar uma estrutura rígida porém leve para os elos E2 e E3, e limitar suas deflexões e oscilações caso a junta Jl e/ou J2 executem movimentos abruptos.

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Mais duas vantagens que resultam da geometria do robô manipulador 14 devem ser observadas. Primeiro, com a base de manipulador 24 localizada a uma distância suficiente da mesa de operação 12 (por ex., ao menos 600mm distante) e o braço 26 projetado de maneira que possa ser movimentado com a mão em tomo da junta J2 (com os freios soltos) até uma posição de parada, o cirurgião C pode acessar pronta e rapidamente a mesa de operação 12 para tarefas manuais como a insuflação, remoção de órgãos anatômicos, suturação final, etc. Além disso, a transferência do paciente P para ou a partir da mesa de operação 12 é possível rapidamente. Em segundo, em comparação com uma geometria SCARA utilizada, por ex., no braço de manipulador conhecido pelo nome comercial ZEUS, possuindo uma junta de rotação de cotovelo que conecta dois elos co-planares de comprimentos semelhantes para atingir uma certa localização horizontal, a configuração cilíndrica do manipulador 14 tem uma única junta de alongamento radial J3 que reduz consideravelmente o espaço tomado para se posicionar o pulso 28 acima do corpo do paciente P. Como mostrado na Fig. 2, esse recurso permite que cinco manipuladores 14 ou mais sejam posicionados na mesa de operação 12 desde que as dimensões do pulso e da unidade executora sejam suficientemente pequenas, ou seja, ocupem um espaço suficientemente compacto no espaço de trabalho disponível acima do corpo do paciente.

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

A Fig. 7 mostra várias características da base 24. A base 24 inclui uma placa de base principal 40 e é arranjada como uma estrutura móvel por meio de quatro rodinhas 42 instaladas em aberturas nos cantos da placa principal 40. Cada rodinha 42 é envolvida por uma cobertura 43 com uma abertura para o acesso a uma manivela para projetar ou retrair as

24/59 rodinhas 42. Quando as rodinhas 42 estão retraídas, a base 24 repousa estável sobre o chão do palco de operação por meio de suportes acolchoados (não mostrados) das rodinhas 42. Após a projeção das rodinhas 42, a base 24 incluindo o robô manipulador 14 pode ser 5 movimentada com a mão. Em um projeto diferente, a base 24 pode ser armada sobre um eixo de trilho linear móvel ou fixo ou sobre um carrinho projetado para suportar diversas bases 24 e os manipuladores 14 associados. A placa de base principal 40 é projetada de modo tal que possa ser fixa ao chão caso necessário, por ex., aparafusada utilizando-se furos 10 44, para dar uma estabilidade adicional ao robô manipulador 14. O robô manipulador 14 é ligado à base 24 através de parafusos em furos espiralados 45. Na placa de base 40, diversos furos de alta precisão 46 são aprontados. Os furos 46 servem para sustentar refletores de calibração ópticos que são utilizados para determinar a posição e a orientação da base 15 24 por meio de um sistema de medição óptico, como descrito em “Robot

Calibratiori’’, de R. Bemhardt e S. Albright, Ed. Chapman & Hall, 1993.

Deve-se notar que o robô manipulador 14 é calibrado durante os procedimentos de especificação de fábrica para determinar com precisão seu modelo geométrico. Além disso, a base compreende uma cobertura 48 20 para a fonte de alimentação e servo-amplificadores de motores sem escovas, dispositivos de acondicionamento de sinais, meios para o processamento local de sensores montados no braço, e canais de comunicação com uma unidade de controle de sistema remota. Como mostrado na Fig. 1 e mais bem visto na Fig. 8, um telêmetro a laser 2-D 22 25 é instalado na base 24, mais precisamente sobre a cobertura 48, para permitir a detecção de invasão, por ex., por um assistente A, dentro de um perímetro de segurança em volta dos elos E2 e E3.

Deve-se observar que geralmente dois tipos diferentes de manipuladores de robô 14 são utilizados no sistema robótico médico 10.

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Embora os dois tipos de manipuladores de robô 14 possuam essencialmente a mesma geometria e configuração PRP cinemática do braço 26, o primeiro tipo é preferivelmente arranjado especificamente para lidar com um endoscópio utilizado para visualização, enquanto que o segundo tipo é arranjado para lidar com qualquer uma dentre as várias espécies de instrumentos laparoscópicos adaptados 18 utilizados para a operação em si. Para a laparoscopia, normalmente um robô manipulador 14 do primeiro tipo é utilizado enquanto diversos manipuladores de robô 14 do segundo tipo são utilizados. No sistema robótico médico 10, as principais diferenças entre esses dois tipos de manipuladores de robô são:

• o percurso da junta J3 é mais longo para um manipulador de endoscópio (aproximadamente 750 mm) porque requer uma rotação de 360° em tomo de sua entrada de acesso (usualmente para propósitos de exploração).

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

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

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

• os requisitos de velocidade/aceleração para todas as juntas são mais baixos por minuto. 60% para um manipulador de endoscópio porque este requer capacidade de posicionamento somente para o endoscópio.

Levando-se em conta essas diferenças, a presente descrição é focalizada no segundo tipo de robô manipulador 14, uma vez que este possui os requisitos de projeto mais severos.

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Referindo-se à Fig. 9, detalhes a respeito da configuração das juntas J1 a J3 do braço de manipulador 26, incluindo seus respectivos acionadores, são dados abaixo.

Como acionador linear associado, a junta (P) J1 para a elevação do braço compreende um eixo linear de fuso de esfera 50 (por exemplo, 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 sem escovas 51 equipado com um codificador de posição de motor diferencial e com um freio. O eixo linear 50 é adicionalmente fornecido com um sensor adicional de posição linear absoluta (não mostrado) no estágio de saída (putpuf), com interruptores de limite e com um pára-choque mecânico de fim de trajetória (não mostrado). Uma guia vertical linear 52 é operativamente associada ao eixo linear 50 para assegurar a linearidade do eixo e rigidez de torção. O eixo linear 50 é ligado aos suportes 53 para armar o braço 26 na base 24. Fios de sinal e potência são guiados em um canal de fios vertical (não mostrado) dentro da cobertura da junta Jl. Uma cobertura externa 54 envolve os componentes da junta Jl prismática (P) como mais bem visto na Fig. 3. Com relação ao conjunto acionador da junta J1, pode-se observar que a razão de redução motor/carga é ajustada de modo a prevenir uma queda indesejável da parte horizontal 29 também quando o freio do motor estiver solto ou quando o servo-motor 51 não estiver sendo energizado. Além disso, um botão de parada de emergência (não mostrado) é posto sobre a cobertura externa 54, e serve para parar a movimentação de todas as juntas do robô em caso de emergência. Como se vê na Fig. 9, os componentes anteriormente mencionados do braço de manipulador 26 constituem sua parte essencialmente vertical 27.

A Fig. 9 também mostra a junta J2 (R) que forma a articulação do ombro do braço 26. Como melhor visto na Fig. 10, a junta J2

27/59 compreende uma montagem de um servo-motor sem escovas 61 enfileirado com uma engrenagem 62 do tipo Harmonic Drive® para controlar a carga. O motor sem escovas 61 é equipado com um codificador de posicionamento e com um freio à prova de falhas. Além disso, o conjunto acionador compreende um sensor de posição rotativa absoluta 65, que é controlado por uma correia 66 conectada ao estágio de saída da engrenagem 62, e um pára-choque mecânicos de fim de trajetória e interruptores de limite (não mostrados). Um interruptor de chave (não mostrado) é fornecido na cobertura 64, o que permite a liberação dos freios das juntas J2, J3, J4, J5 e J6 quando seus respectivos motores não estiverem sendo alimentados. Isso permite a movimentação do braço 26 e da unidade executora 30 com a mão para uma posição de parada. Os cabos de sinais e de energia debaixo das juntas J3 a J6 e da unidade executora 30 são conduzidos de J3 para J1 através de um conduto de cabos (não mostrado) que passa por dentro da cobertura 64. Altemativamente, tais cabos poderíam ser guiados, por exemplo, através do eixo vazado de uma montagem de motor e engrenagens adaptada.

A Fig. 9 também mostra o projeto da parte horizontal 29 do braço 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 de cilindro linear 70, por ex., um eixo linear de fuso de esfera, como acionador linear associado. Por exemplo, um acionador modelo ET produzido pela empresa mencionada anteriormente, controlado por um servo-motor sem escovas 71 equipado com um codificador de posição de motor e com um freio à prova de falhas é utilizado. A barra do eixo de cilindro linear 70 movimenta uma viga 72 que é configurada como um tubo retangular e montada sobre os carrinhos de uma guia linear 73. Essa construção permite a redução da deflexão linear. O eixo de cilindro linear 70 é fornecido adicionalmente com um sensor de posição linear adicional no estágio de

28/59 saída, com interruptores de limite e com pára-choques mecânicos de fim de corrida (não mostrados). Linhas de sinal e de energia são guiadas em uma corrente de cabos posta horizontalmente. Uma cobertura 74 é fixada às partes 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 na Fig. 9, a viga 72, que forma parte do elo E3, é configurada para se encurtar ou estender respectivamente para dentro e para fora da cobertura 74. O braço 26 é portanto fornecido com uma parte horizontal 29 que se estreita em uma extremidade que requer apenas uma quantidade limitada de espaço acima do paciente P. Além disso, lâmpadas são preferivelmente fornecidas no topo da parte de trás da cobertura 74 para indicar visualmente o estado de ligação e ativação.

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

O projeto mecânico e de acionamento da junta (R) J4 mostrado nas Figs. 11 a 13 compreende uma placa de suporte 80 na qual um servomotor sem escovas 81 é montado verticalmente. O servo-motor 81 é fornecido com um codificador de posição 82 e um sensor de Hall sobre o eixo do motor. Como o servo-motor 81, um modelo adequado da série EC de motores da MAXON MOTOR A.G., Sachseln, Suíça é utilizado, por exemplo. A junta (R) J4 compreende ainda um mecanismo de transmissão através de uma engrenagem 83 acoplada ao servo-motor 81 e através de um sistema de correia de transmissão 84 e polia 85 para controlar uma polia de eixo de carga 86 que é acoplada a um flange de conexão 87. Um sensor adicional absoluto de uma espira 88 é conectado a uma polia 89, que também é controlada pela correia de transmissão 84, e presa ao lado de baixo da placa de suporte 80. Para passar cabos facilmente da junta J5 para a junta J4, o conjunto que compreende a polia de eixo de carga 86 e o flange de conexão 87 possui um eixo vazado e uma janela lateral no flange

29/59 de conexão 87. A placa de suporte 80 é rigidamente fixa à vida 72 por meio de duas placas de montagem 90. Como visto na Fig. 14, uma cobertura 92 serve para proteger as partes da junta J4. Dentro da cobertura, os cabos vindos da unidade executora 30, das juntas J5 e J4 são fornecidos com conectores para tomar o pulso 28 destacável por propósitos de manutenção. Um botão de parada de emergência é fornecido sobre a cobertura 92 da junta J4. Um freio à prova de falhas é preferivelmente montado sobre o eixo do servo-motor 81. Para reduzir o afastamento lateral Ol, que podería constituir um fator limitativo em uma configuração de múltiplos robôs, o motor pode ser alinhado também com os eixos da polia de eixo de carga 86 e o sensor 88. Nesse caso, a placa de suporte 80 tem preferivelmente uma borda arredondada em volta da polia de eixo de carga 86.

O projeto mecânico e de acionamento da junta (R) J5 é também mostrado em mais detalhes nas Figs. 11 a 13. Um membro de suporte essencialmente em forma de L 100 liga a junta J5 à junta J4, com uma porção horizontal conectada à junta J4 e uma porção vertical como suporte fixo para a junta J5. Ele compreende um servo-motor sem escovas 101, por exemplo, um motor modelo EC da MAXON MOTOR A.G. adequado, com um codificador de posição 102 e um sensor de Hall sobre o eixo do motor. Como visto na Fig. 13, o servo-motor 101 é montado transversalmente sobre o membro de suporte 100. Como visto nas Figs. 12 e 13, a junta (R) J5 compreende ainda um mecanismo de transmissão através de uma engrenagem 103 acoplado ao motor e de um sistema de correia de transmissão 104 e polia 105 para controlar uma polia de eixo de carga 106. Um sensor absoluto adicional de espira única 108 é conectado a uma polia 109 que também é controlada pela correia de transmissão 104, e fixo ao lado interior do membro de suporte 100. Para fazer passar cabos facilmente da unidade executora 30 para a junta J4, um número de recursos são incluídos. Estes são dois furos 110 e 112 fornecidos no membro de

30/59 suporte 100, uma passagem central vazada 114 na polia 106 e o flange de ferramenta 32, e um suporte de passagem de cabos 116 para a polia 106. O membro de suporte em forma de L 100 possui reforços laterais para oferecer uma estrutura rígida para suportar a unidade executora 30 através do flange de ferramenta 32. Caso necessário, a junta (R) J5 inclui preferivelmente interruptores de limite e um freio à prova de falhas (não mostrados). Quando fornecidos, estes últimos são preferivelmente montados em uma polia controlada pela correia de transmissão 104 para reduzir o afastamento lateral 02, que pode constituir um fator limitativo em uma configuração com múltiplos robôs.

As Figs. 14 e 15 mostram a unidade executora 30, projetada para ser conectada ao flange de instrumento 32 da junta J5, com suas três partes principais: um acionador de instrumento laparoscópico 120, um conjunto de sensores 122 que inclui um sensor de força/torque com seis GDL e um acelerômetro linear/angular com seis GDL, e uma cobertura 124 para a junta J6. A junta J6 é conectada ao conjunto de sensores 122. O acionador de instrumento laparoscópico 120 é fornecido com um assento 130 para montar um instrumento laparoscópico adaptado 18 no robô manipulador 14.

Para maior clareza, o acionador de instrumento laparoscópico 120 e o conjunto de sensores 122 que inclui os sensores de medição de força, torque e aceleração serão referidos pelos acrônimos AIL e SFTA, respectivamente. Os componentes da unidade executora 30 são alinhados de tal maneira que a junta J6 gire o instrumento laparoscópico adaptado 18 em tomo de seu eixo de simetria longitudinal, e de tal forma que esse eixo coincida com o eixo normal Z do SFTA 122. A posição da unidade executora 30 com relação ao eixo de rotação da junta (R) J5 é selecionada no ponto de equilíbrio da unidade executora 30 de modo a evitar inclinações quando a junta J5 estiver parada e não energizada. Assim, uma

31/59 armação de suporte principal 140 da unidade executora 30, que se conecta ao pulso 28, é configurada de modo tal que a unidade executora 30 montada se equilibre sobre o eixo de rotação da junta (R) J5. A razão de redução motor/carga para a junta J5 também contribui para a resistência contra inclinações.

A Fig. 15 mostra a construção da junta J6. Na armação de suporte principal 140 (a ser conectada ao flange de ferramenta 32) é montado um motor sem escovas 141 com um codificador diferencial 142 e um conjunto de engrenagens 143. Uma polia de motor 145 conectada ao motor 141 é acoplada a uma polia de carga 146 por meio de uma correia 144. A polia de carga 146 fornece o GDL rotacional da junta J6. Um sensor adicional de posição absoluta 148 é montado é montado sobre o eixo da polia de carga 146 coincidindo com o eixo da junta (R) J6. O codificador de posição 148 tem um eixo vazado para que passem linhas de sinal e de energia do AIL 120 e do SFTA 122 para um coletor rotativo 150 do tipo anel de contato ou deslizante. O anel coletor 150 permite uma rotação de eixo infinita para a junta J6. A polia de carga 146 é conectada ao SFTA 122 através de um flange de conexão 152. Os cabos para as linhas de sinal e de energia para o AIL 120 e o SFTA 122 são guiados dentro da cobertura 124 através de uma passagem vazada no flange de conexão 152. Como será notado, o robô manipulador 14 como um todo é fornecido com canais internos para assegurar a guia protegida de todas as linhas de sinal e de energia, por ex., das juntas J1-J6 e dos componentes da unidade executora 30 tais como o AIL 120 e o SFTA 122. Em um melhoramento adicional (não mostrado), a configuração da junta J6 implementa as duas modificações seguintes: Primeiro, a redução do afastamento 03 pela localização da montagem de motor-engrenagens-polias 141, 143, 144, 145 com -90° em relação à orientação mostrada na Fig. 15. Segundo, o

32/59 afastamento 04 é reduzido pela configuração da montagem de motorengrenagens 141, 143 para que se localize mais proximamente ao AIL 120.

Como será notado, os eixos de rotação das juntas J4, J5 e J6 se interceptam 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 alternativo podería no entanto apresentar um afastamento 05 devido ao elo E5, por ex., para melhorar a possibilidade de manobras no caso de dois instrumentos laparoscópicos adaptados 18 serem inseridos em trocares localizados proximamente (entradas de acesso 20). Por exemplo, o projeto específico mostrado nas Figs. 23 e 24 oferece um pulso de manipulador modificado 28’ que possui um afastamento negativo 05 devido ao elo E5. Esse afastamento negativo 05 permite que se ponha a unidade executora 30 de um primeiro robô manipulador 14 acima da unidade executora 30 de um segundo robô manipulador 14 sem colisão entre os pulsos 28’. Essa configuração modificada requer, no entanto, um alcance maior para a junta J3 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’ é vantajosa para a operação de múltiplas entradas de acesso localizadas proximamente 20 (trocares 200). Deve ser entendido que um valor preferido do afastamento 05 entre os eixos de rotação de J6 e J4 como mostrado na Fig. 23 é aproximadamente igual ao diâmetro do AIL 120 em sua seção transversal mais ampla.

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

Com relação à configuração descrita das transmissões e dos motores utilizados para o pulso 28 e para a unidade executora 30, outras configurações também são possíveis, utilizando-se, por exemplo, cabos e polias como meios de transmissão, ou montagens compactas de motor

33/59 engrenagens-freio com motores de tração. Cabos e polias como transmissões, no entanto, são mais difíceis de implementar e conservar, e as montagens baseadas em motores de tração são geralmente menos compactas. Para a segurança do sistema descrito, foram selecionados servoamplificadores que possuem uma função de “freio dinâmico” para permitir a parada dos motores 51, 61, 71, 81, 101, 141 no caso de uma parada de emergência. A cobertura externa do robô manipulador 14 é feita de um material 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 interferências eletromagnéticas (IEM) quanto à recepção e à emissão. A respeito da esterilização no palco de operação, uma bolsa plástica estéril é normalmente 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 manipulador 14 como descrito acima apresenta mais duas vantagens: primeiro, as juntas do robô manipulador 14 podem ser acionadas manualmente, com exceção da junta Jl, porque esta apresenta fricção estática elevada e inércia invertida. Em outras palavras, quando todos os freios estiverem soltos, a unidade executora 30 montada no pulso 28 no flange 32 poderá ser movimentada 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 por redundância sensorial. Como descrito acima, cada uma das juntas Jl a J6 tem tanto um codificador de posição no eixo de motor como um sensor de posição adicional (por ex., 65, 88, 108, 148) que medem a saída (putput) de movimento efetiva da respectiva junta. Na prática, esta redundância sensorial é utilizada para detectar falhas (por ex., de um fio do motor, de uma correia ou de um servo-amplificador).

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Além disso, o projeto evita condições de fim-de-percurso em cada uma das juntas J1 a J6. O fim de percurso ocorre quando uma junta excede seu limite de movimento, e é uma condição crítica particularmente em cirurgias robóticas tele-operadas, porque é difícil e trabalhoso para o cirurgião C obter a recuperação com um instrumento 18 inserido no corpo do paciente P. Para se evitar as condições de fim de percurso, as juntas prismáticas Jl, J3 do braço 26 são projetadas com percursos suficientes e a junta de rolamento J6 da unidade executora 30 é projetada com rotação ilimitada. Em resultado, a prevenção das condições de fim de percurso requer apenas que certas condições de configuração e ajuste predeterminadas sejam respeitadas.

A Fig. 16 mostra esquematicamente um trocar 200 e seu espaço de trabalho 202 externo ao corpo do paciente P. Um referencial de fulcro RF é também mostrado na Fig. 16, por meio de um sistema de coordenadas Cartesiano (x, y, z) com o eixo z orientado para cima aproximadamente paralelo ao eixo da gravidade. O trocar 200 é normalmente introduzido através de uma pequena incisão no abdômen do paciente P, indicada em 204, para dentro da cavidade peritoneal. O trocar 200 juntamente com a incisão forma uma entrada de acesso 20 como mostrado nas Figs. 1 e 2. Para se alcançar o órgão ou a região na qual a operação deve ser realizada, o eixo longitudinal do trocar 200, indicado por z’, é articulado no espaço de trabalho 202 em tomo da origem do RF, denominada ponto de articulação 206. Em outras palavras, a origem define um fulcro para o trocar 200. O fulcro é preferivelmente determinado por entre a parede abdominal e a pele do paciente P, no local de menor resistência à inclinação, para reduzir o risco de puxar o trocar 200 para fora.

As seguintes faixas de valores máximos de força e de torque foram registradas experimentalmente em um sensor de força/torque com

35/59 seis GDL colocado no cabo de um instrumento laparoscópico modificado (ver “Surgeon-Tool Force/Torque Signatures — Evaluation of Surgical Skills in Minimally Invasive Surgery”, por J. Rosen e outros - Proceedings of Medicine Meets Virtual Reality, MMVR-7, IOS Press, San Francisco, Califórnia EUA, janeiro de 1999).

o Forças: Fx, Fy = ±10N; Fz = ±30N;

o 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 z correspondente, e Mi representa o momento de força em tomo do eixo correspondente i — x, y ou z do RF na Fig. 16. As faixas de operação do sensor de força-torque no SFTA devem levar em consideração esses valores mais o peso ao AIL 120, as cargas da dinâmica de movimento e o atrito da articulação e da penetração exercida no trocar 200. Na prática, o sensor 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 122 como um joystick, e para monitorar as forças/torques que interagem com um instrumento 18 conectado à unidade executora 30, por ex., as forças/torques na ponta do instrumento 18 ou no ponto de articulação 206 na Fig. 4. Os acelerômetros linear e radial no SFTA 122 são utilizados para compensar as influências da gravidade e da aceleração sobre as informações do sensor de força-torque. Os eixos de medição do acelerômetro e do sensor de força-torque no SFTA são geometricamente coincidentes.

Durante a operação, um instrumento laparoscópico 18 é inserido através do trocar 200. Para a maior parte dos procedimentos cirúrgicos, o cirurgião C opera o instrumento 18 dentro dos seguintes intervalos máximos de espaço de trabalho angular e velocidade em tomo do RF da Fig. 16:

Tabela 1

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Eixo de fulcro	Percurso Máx.	Velocidade Máx.
Articulação de Guinada	+/- 70°	100%
Articulação de Arfagem	[10° a-80^o]	60%
Penetração	[0, 200 mm]	200 mm/s
Bancagem	[-360°, +360°]	300%

No projeto e na configuração de alguns manipuladores de robô do estado da técnica, o ponto de articulação do trocar 200 permanece fixo após a instalação do pulso graças ao arranjo mecânico da estrutura do pulso que se articula em tomo de um ponto fixo (ver, por exemplo, “Re mote Center of motion robot” por Taylor e outros - Patente US 5667323 - Maio de 1995). Outros projetos do estado da técnica implementam um grau de Λ ~ ____A—~ _ 1____J__„· _ J_ -í.· 1 ~ 1· uciuxiiiuçau mcuaiiiua au xungu uus ciXus uc aiiiCUiãÇâO paiâ iliiiiuu as forças aplicadas ao trocar (ver, por exemplo, “Medicai robotic system” por Wang e outros — Patente US 6102850, agosto de 2000). Ao contrário disso, o robô manipulador 14 proposto aqui não é projetado tendo em vista a deformação mecânica, e nem o centro de massa, porém se baseia em movimentos precisos solucionados em tomo de um ponto de articulação 206 determinado por um procedimento específico, e no controle em tempo real de forças e torques aplicados à unidade executora 30 para otimizar a localização do eixo de articulação 206. Além disso, esse recurso dá a flexibilidade de se poder mover por translação o ponto de articulação 206, caso instruído pelo cirurgião C, para melhorar o espaço de trabalho intraabdominal. Uma outra vantagem é a capacidade de adaptação às variações da localização absoluta do ponto de articulação 206 devidas, por exemplo, à perda de pressão abdominal.

Como se mostra aparente, o robô manipulador 14 deve ter certas habilidades de movimentação para fornecer à unidade executora 30 uma destreza comparável à manipulação manual de instrumentos laparoscópicos por cirurgiões. Com base nas condições de movimento

37/59 dadas na Tabela 1, as habilidades cinemáticas preferidas que foram descobertas para as juntas J1 a J6 nesse exemplo específico estão resumidas na Tabela 2. Os ângulos de guinada, de arfagem e de bancagem podem ser definidos em relação a um sistema referencial absoluto, por ex., no fulcro.

Tabela 2

Junta	Percurso Máx.	Velocidade Máx.	Aceleração Máx.
J1 - Elevação	700 mm	600 mm/s	4 m/s²
J2 - Ressalto	+/- 90°	60 °/s	400 °/s
J3 — Radial	600 mm	600 mm/s	4 m/s²
J4 - Guinada	[-360°, +360°]	260 °/s	1900 °/s²
J5 - Arfagem	[-60°, +180°]	75°/s	500 °/s²
J6 - Bancagem	Infinito	250 %	2400 °/s²

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

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

No projeto escolhido, a precisão estática do manipulador 14 na conexão à unidade executora 30, isto é, no flange de ferramenta 32 (ver Fig. 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 é presumida na ponta de um instrumento laparoscópico conectado 18, e o RF

38/59 é presumido em 280 mm a partir do eixo da junta (R) J5. A precisão dinâmica será melhor do que ± 4 mm para a posição e ± 0,5° para a orientação no RF. Essas características são obtidas, dentre outros motivos, por causa da modelagem mecânica precisa das partes estruturais, da rigidez dos elos El a E6 e das juntas J1 a J6, da resolução suficiente dos sensores de posição, do ajuste apropriado dos loops de controle de motores PID, da calibração da cinemática do manipulador, etc.

Neste contexto, os sensores de posição absoluta (por ex., 65, 88, 108, 148) fornecidos na saída (putpuf) de cada junta J1 a J6 oferecem as seguintes vantagens:

o Sincronizar as juntas J1 a J6 do robô manipulador 14 sem acionar as juntas; isso significa que o valor inicial dos sensores diferenciais utilizados para controlar os motores é fornecido pelos sensores absolutos. Se os sensores absolutos não estão disponíveis, um procedimento de sincronização podería ser implementado movimentandose todas as juntas em uma dada direção para encontrar um sinal de referência. Nenhum movimento automatizado para sincronização no começo da operação garante um rápido procedimento de ajuste e uma melhor segurança.

o Determinação em tempo real da posição e da orientação da unidade executora 30, evitando-se erros de elasticidade das juntas causados por mecanismos de transmissão;

o Monitoração de desvios do robô manipulador 14 do RF;

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

Um outro aspecto na robótica é o modelo matemático utilizado para controlar o robô manipulador 14. Deixando de lado modelos teóricos

39/59 do robô manipulador 14, o modelo “concreto” eficaz e preciso, incluindo parâmetros como os afastamentos para os arranjos cinemáticos, a elasticidade das juntas J1 a J6, a elasticidade dos elos El a E7, a reação dos acionadores e outros erros de linearidade, é necessariamente determinado durante um processo de calibragem. O modelo “concreto” do manipulador identificado é utilizado para três propósitos: primeiro, para melhorar a precisão do robô manipulador 14 utilizando-se o modelo teórico no controlador de movimento (o que simplifica o cálculo da cinemática reversa) com os afastamentos reais de juntas e os comprimentos dos elos; segundo, para computar com precisão, em tempo real por formulação direta, a posição e a orientação do SFTAS com seis GDL 122 e das cargas ligadas (esses valores são necessários para compensar as cargas gravitacionais e de aceleração); terceiro, para determinar, em tempo real por formulação direta, a posição e a orientação da ponta do instrumento e deduzir os parâmetros necessários para a reflexão das forças (por ex., a penetração do instrumento 18).

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

Como visto nas Figs. 14 e 15, o AIL 120 forma uma parte da unidade executora 30. O AIL 120 oferece uma interface de acionamento genérica para a utilização de instrumentos laparoscópicos convencionais, tais como fórceps de captura/dissecção, tesouras, ferramentas de sucção/irrigação, etc. com o robô manipulador 14. Assim, o AIL 120 forma a extremidade do manipulador 14 e representa sua parte manual uma vez que ele reproduz as ações da mão de um cirurgião. O AIL 120 compreende um envoltório 154 cuja extremidade traseira forma um flange de interface 156 para conexão ao SFTAS 122, enquanto que sua extremidade frontal forma a extremidade do robô manipulador 14. Em uma configuração diferente de uma unidade executora, um AIL podería incluir a junta J6.

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Esta configuração requer, no entanto, um projeto mecânico mais complexo do adaptador de instrumento que deverá incluir um mecanismo de rotação juntamente com o mecanismo de aberto-fechado e de transmissão de potência. Além disso, o campo estéril deve ser mantido mesmo como mecanismo de rotação.

O AIL 120 mostrado nas Figs. 14 e 15 e nas Figs. 18 a 22 é adaptado para uso com qualquer instrumento laparoscópico que possa ser dividido em um cabo de um lado, e uma haste do outro lado. A haste é definida aqui como um tubo comparativamente fino possuindo em sua ponta, por ex., encaixes das garras de fórceps/tesoura, meios de sucção/imgação, ferramentas básicas como uma faca ou um dispositivo elétrico de cauterização/corte. A extremidade oposta à ponta compreende um encaixe que é projetado para conectar a haste ao cabo para o cirurgião.

A compatibilidade do robô manipulador 14 com os instrumentos convencionais é obtida pelo projeto do AIL 120 e pelo projeto dos adaptadores de haste de instrumento correspondentes, a seguir referidos pelo acrônimo AHI, dos quais um exemplo é mostrado em vista de seção parcial 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 300 é passível de conexão ao AIL 120 ao ser montado dentro do assento 130 mostrado na Fig. 15. Para este fim, o AHI 300 compreende um conector de haste 304 em sua extremidade frontal. O conector de haste 304 é projetado para conexão a um tipo de entrada específico 306 da haste 302, que depende propriamente do instrumento. Originalmente, a entrada 306 é projetada para conexão a um cabo de instrumento laparoscópico (não mostrado). Como visto na Fig. 17, o conector de haste 304 reproduz o conector do cabo original para o qual a haste foi 302 projetada. O AHI 300 compreende ainda como meio de acoplamento um membro de acoplamento

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308 para conexão firme ao AIL 120. O membro de acoplamento 308 é arranjado lateralmente sobre o estojo 303 e protrai radialmente a partir deste de modo a bloquear a rotação do AHI 300 quando ele estiver montado no AIL 120. Um pequeno bloco metálico 309 é incluído no membro de acoplamento 308 para fornecer uma superfície detecção metálica para um interruptor de presença indutor (ver parte 404 descrita abaixo) do AIL 120. Um pistão linearmente deslizante 310 é arranjado em uma guia cilíndrica 312 interna ao AHI 300. Um pino deslizante cilíndrico 314 está preso transversalmente ao pistão 310 e se protrai a partir do estojo 303 para operar o pistão 310. A operação de deslizamento do pistão 310 aciona uma barra dentro da haste do instrumento 302 para operar a ferramenta na ponta da haste de instrumento 302. Como será notado, o AHI 300 reproduz a funcionalidade do cabo originalmente conectado à haste 302 no que diz respeito à operação da haste de instrumento 302, enquanto oferece juntamente com o AIL 120 uma interface de conexão ao robô manipulador 14.

Deve ser entendido que a modalidade específica do AHI 300 mostrada na Fig. 17 é projetada para um instrumento que requer um acionamento mecânico, tal como uma função de aberto/fechado, para a ponta do instrumento, por exemplo, tesouras e pinças com ou sem transmissão de potência elétrica unipolar ou bipolar. Uma variedade de outros tipos de adaptadores análogos é também abrangida pela presente divulgação, sendo cada adaptador adaptado a um tipo de instrumento laparoscópico específico, ou seja, a um tipo de haste específico (por ex., 302), que deve ser conectado ao AIL 120. Sendo assim, o AHI compreende, dependendo dos requisitos do instrumento, um pino deslizante linear 314, por ex., para o acionamento das pinças do instrumento, um ou mais conectores elétricos 318, por ex., para potência de cauterização unipolar ou bipolar, etc., e uma ou mais conexões de condutos, por ex.,

42/59 para instrumentos de irrigação ou de sucção. Embora mostrado na Fig. 17 com os conectores elétricos 318, deve ser entendido que para um instrumento 18 puramente mecânico, as partes do AHI 300 que formam os conectores elétricos 318 (desenhadas com espessura de linha fina na Fig. 17) não precisam ser fornecidas. Deve-se observar que o material constituinte de qualquer tipo de AHI tem que ser escolhido de modo que possa ser esterilizado, por ex., através de uma autoclave a vapor. Com efeito, em virtude do projeto do AIL 120, o AHI 300 é a única parte do sistema robótico médico 10 que precisa ser esterilizada (além da haste do instrumento, é claro). Durante a operação, o envoltório 154 do AIL 120 e as outras partes da unidade executora 30 estão envoltos em uma bolsa plástica estéril. Embora isso não seja mostrado, é aparente que, para instrumentos não-acionados mecanicamente porém energizados eletricamente, tais como eletro-bisturis ou facas, o AHI não precisa ter o pino deslizante 314 e uma transmissão mecânica associada. Para instrumentos tais como uma cânula de sucção ou de irrigação, o AHI é equipado com dois tubos que são comandados remotamente através de eletro-válvulas acionadas eletricamente pelo sistema de controle robô.

O AIL 120 mostrado na Fig. 18 é projetado leve (por ex., com menos do que 800 g de peso total) e de maneira tal que caiba dentro de um envelope cilíndrico relativamente pequeno com aproximadamente 90 mm ou preferivelmente 75 mm de diâmetro para aumentar o espaço de trabalho disponível de duas ferramentas adjacentes com entradas de acesso 20 próximas. O comprimento total do AIL 120 (de aproximadamente 130 mm em um exemplo específico) é determinado a partir do comprimento do AHI 300. O comprimento total do AIL 120 é minimizado para se limitar a distância entre o eixo de rotação da junta J5 e o eixo de articulação 206 do RF (ver Fig. 17). Com efeito, esta distância de afastamento é determinante para as capacidades de faixa de percurso e de velocidade/aceleração de

43/59 todas as juntas de manipulador J1 a J5. É contudo recomendado que o comprimento do AIL 120 seja de ao menos 6 cm para permitir que o AIL 120 seja pego com a mão no modo manual (ou seja, utilizando-se o envoltório 154 conectado ao SFTAS 122 como um “joystick?’).

Como visto na Fig. 18, a superfície exterior do envoltório 154 possui bordas alisadas. Ela é feita de um material não condutor leve e facilmente limpável. Além disso, o AIL 120 tem uma forma parcialmente simétrica circularmente com relação à haste 302 de um instrumento adaptado 18 montado utilizando-se um AHI 300. Quando a AHI 300 está 10 conectado apropriadamente ao AIL 120, o eixo da haste 302 coincide com o 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 120 compreende um mecanismo de acionamento linear para acionar um instrumento montado 18 por meio do AHI 300 como será detalhado abaixo.

O assento 130 é formado como um vão semi-cilíndrico alongado côncavo em uma superfície de acesso 401 do AIL 120 para facilitar a inserção e a extração do AHI 300. O assento 130 para receber o AHI 300 é aproximadamente coaxial ao eixo de rotação da junta J6 e se estende ao longo do eixo central do envoltório 154. Como será notado, a direção de armação e de remoção do AHI 300 com relação ao AIL 120 é radial em relação ao eixo de rotação da junta J6. O AIL 120 é configurado de modo tal que o assento 130 seja acessível a partir de todo o semi-plano acima da superfície de acesso 401. Como visto na Fig. 18, o assento 130 compreende uma ranhura longitudinal 402 que aprofunda o assento 130 radialmente para dentro do corpo do AIL 120. A ranhura adicional 402 é configurada para receber o membro de acoplamento 308 do AHI 300. A parte de encaixe de um mecanismo de travamento 406 associado ao assento 130 está arranjada na ranhura 402 e coopera com o membro de acoplamento 308. O assento 130 é formado como um vão semi-cilíndrico com uma porção de

44/59 extremidade arredondada conformada ao formato cilíndrico exterior do estojo 303 do AHI 300. Um detector de presença 404, por ex., um interruptor de presença indutor, é arranjado no assento 130 para a detecção da presença do AHI 300 captando o bloco metálico 309 (ver Fig. 17). Um botão de controle de vigilância 408 permite botar o sistema de controle do robô manipulador 14 em modo manual. No modo manual, o AIL 120 (e, caso conectado, o instrumento 18) é posicionado e orientado pelo robô manipulador 14 utilizando as informações produzidas pelo assistente que manuseia o envoltório 154 do AIL 120 e lidas pelo SFTA 122. O modo manual é particularmente útil para inserir ou extrair um instrumento através de um trocar.

Os detalhes do mecanismo de acionamento linear 400 são mais bem vistos na Fig. 20. O mecanismo de acionamento 400 compreende um motor sem escovas miniatura 411 conectado através de uma caixa de engrenagens 412 e das polias 414 e 416, que são acopladas por uma correia 418 em um fuso de esfera 420. O fuso de esfera 420 coopera com uma porca 422 arranjada ali de modo a transformar rotação em movimentação linear como visto na Fig. 19. A porca 422 é guiada por uma guia linear 424 para reduzir os esforços transversais no fuso de esfera 420. Interruptores de limite indutores 426 e 428 são colocados nos locais de fim de percurso da porca 422 e conectados a uma unidade de controle para limitar o percurso do mecanismo de acionamento 400.

Como visto na Fig. 19, o mecanismo de acionamento 400 comunica movimento linear a um compartimento deslizante 430 do AIL 120, como será detalhado abaixo. Em uma modalidade preferida, os seguintes parâmetros foram escolhidos para o mecanismo de acionamento 400:

• percurso mecânico máximo do compartimento deslizante 430: 7 mm (normalmente 5 mm são suficientes para os

45/59 instrumentos convencionais, mas foi descoberto que diversas hastes do mesmo tipo podem percorrer comprimentos que variam em até 2 mm);

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

• força de acionamento máxima: 200 N.

Motores de passo são preferivelmente evitados no AIL 120 porque eles produzem vibrações que seriam uma quantidade considerável de interferência para o SFTA 122. Portanto, um motor sem escovas miniatura 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 nãovibrantes tais como transmissão acionada por cabos no entanto não estão excluídos.

A Fig. 20 mostra uma unidade de energia e controle 440 para o motor 411 que está inserida no envoltório 154 do AIL 120 e suprida, por ex., com energia de 24 V de CC. Para reduzir ainda mais o diâmetro do envoltório 154, a unidade de energia e controle 440 pode ser colocada em um envoltório adicional, seja entre o flange 156 e o SFTA 122, ou entre o SFTA 122 e um flange de conexão para a junta J6 (não mostrado), ou dentro da cobertura 124 da junta J6, por ex., atrás do anel de contato de coleta 80 perto do motor 411. A unidade de energia e controle 440 é projetada, entre outros motivos, para acionar o compartimento deslizante 430 com um dado perfil de velocidades de acordo com comandos de posicionamento recebidos, para limitar a corrente do motor quando o usuário quiser, para administrar o movimento com base em sinais vindos de interruptores de limite 426, 428, para detectar o motor 411 utilizando um interruptor de limite, e para monitorar o detector de presença 404 sobre o envoltório 154. Outras funções de segurança, por ex., funções de parada de emergência, também são implementadas utilizando-se um servo-erro do

46/59 motor 411, isto é, a posição visada menos a posição efetiva, e a proteção térmica do motor 411. Para reduzir o espaço tomado pelo AIL 120, o mecanismo de acionamento linear 400 não é equipado com um sensor de posição absoluta. Mesmo assim, um procedimento de sincronização automatizado é assegurado através da utilização dos interruptores de limite 426 e 428 como sensores de sincronização. Durante a operação, a posição absoluta do compartimento deslizante 430 pode ser registrada periodicamente, por ex., em uma memória adequada do sistema de controle robô, para a rápida recuperação do sistema após um corte ou uma falha de energia. A presença do AHI 300, ou seja, o fato de ele estar ou não montado corretamente no AIL 120, é detectada através do interruptor de presença indutora 404 (ver Fig. 18) arranjado no assento 130. A resposta da saída (output) do interruptor de presença indutora 404 é introduzida em uma entrada (input) disponível da unidade de controle 440.

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

A Fig. 21 e a Fig. 22 mostram em mais detalhes a configuração do mecanismo de travamento 406 do AIL 120 mostrado apenas parcialmente na Fig. 18. O mecanismo de travamento 406 é

47/59 configurado como um fecho e compreende um trinco deslizante 450 arranjado na ranhura 402 (mostrada na Fig. 18) do assento 130. Deve ser entendido que o trinco 450 é guiado por meios adequados na ranhura 402. A ranhura 402, juntamente com o trinco deslizante 450, é configurada para receber por encaixe o membro de acoplamento 308 do AHI 300 mostrado na Fig. 17. O trinco 450 compreende duas pontas 452 para encaixarem-se em duas protuberâncias 316 formadas por compartimentos no membro de acoplamento 308 do AHI 300 (ver Fig. 17). As bordas do membro de acoplamento 308 são arredondadas para facilitar a inserção e a remoção na ou a partir da ranhura 402.

O projeto do trinco 450 é mais bem visto na Fig. 22. Uma mola 454 impulsiona elasticamente o trinco 450 em direção ao SFTA 122. Um botão guiado linearmente 456 permite a rotação de um eixo 458 que é acoplado ao trinco guiado linearmente 450 para desencaixar manualmente o trinco 450 do membro de acoplamento 308 quando o AHI 300 for ser removido. As pontas 452 do trinco 450 são chanfradas para permitir a inserção do AHI simplesmente por pressão. As porções de encaixe das pontas 452 e as protuberâncias 316 são arredondadas de acordo com um perfil conjugado de modo a limitar os danos a uma capa plástica estéril utilizada para cobrir o AIL 120. Como será entendido, outros mecanismos de acoplamento ou travamento equivalentes poderíam ser também utilizados, por exemplo, utilizando-se imãs permanentes instalados no AIL com placas metálicas e uma alavanca baseada em carne montada sobre o AHI para substituir o mecanismo de fechamento. E preferível que o mecanismo de fixação, por ex., o mecanismo de travamento 406 e o membro de acoplamento 308, seja projetado para assegurar que o AHI 300, quando montado no AIL 120, possa resistir às seguintes forças e momentos sem se desconectar do AIL 120:

• forças de tração e de compressão de até 100 N;

48/59 • momentos de força correspondentes a forças radiais de 15 N na ponta do instrumento;

• momentos de força de até 5 N.m.

Será notado que o AIL 120 e cada AHI (por ex., 300) auxiliar são projetados para a instalação e remoção manual rápida e fácil de um instrumento laparoscópico adaptado 18, isto é, uma haste (por ex., 302) montada com um AHI (por ex., 300), pelo assistente de cirurgia A. A forma exterior essencialmente cilíndrica do AHI 300, do seu membro de acoplamento 308, do assento 130, da ranhura 402 e do mecanismo de travamento 406 como descrito acima fornece uma inserção guiada e um procedimento de conexão simples quando o AHI é inserido, e um procedimento de extração simples por meio de alguns poucos movimentos manuais. Por meio desse projeto, a inserção e a extração do instrumento adaptado 18 (isto é, a haste e o AHI) podem ser realizadas essencialmente tão rapidamente quanto nas operações cirúrgicas manuais, onde o assistente substitui um instrumento convencional para o cirurgião em aproximadamente 6 a 9 segundos.

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

Antes de montar o instrumento adaptado no AIL 120, um número de condições preliminares deve ser respeitado. Primeiramente, se o instrumento estiver parcialmente inserido no trocar (sem exceder o comprimento do trocar), o AIL 120 deve ser previamente posicionado e orientado pelo manipulador 14 em uma posição ensinada que alinhe o eixo de rotação da unidade executora 30 (junta J6) como trocar. Em segundo

49/59 lugar, o compartimento deslizante 430 deve ser colocado na “posição de referência de inserção” pelo sistema de controle robô, por ex., uma posição mais próxima ao flange de interface 156. Quando um AHI (por ex., 300) é removido, o compartimento deslizante 430 deve ser automaticamente movimentado para esta “posição de referência de inserção” pelo sistema de controle robô. Como mencionado acima, a presença, ausência, ou liberação anormal de um AHI pode ser detectada pelo detector de presença 404. Em terceiro 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 de deslizamento 314 é preferivelmente definida tal que o instrumento esteja na configuração “fechada”, por exemplo, as pinças de um instrumento de fórceps/tesoura ficam folgadamente porém suficientemente fechadas nessa posição.

Como melhor ilustrado pela Fig. 14, o procedimento de inserção de um instrumento laparoscópico adaptado 18 incluindo um AHI (por ex., 300) e uma haste (por ex., 302) pode ser realizado em somente um movimento manual simples de acordo com a seta 460, consistindo em colocar o AHI (por ex., 300) sobre o seu assento 130 e em empurrar levemente o AHI ao longo da mesma direção para encaixar o membro de acoplamento 308 com o mecanismo de travamento 406. O detector de presença 404 dá uma resposta afirmativa quando o membro de acoplamento 308 está instalado corretamente na ranhura 402. Durante esse procedimento de inserção, o compartimento deslizante 430 se encaixa no pino deslizante 314 sem a necessidade de outras medidas, caso as condições mencionadas anteriormente sejam respeitadas.

Quando o cirurgião C requer uma troca de instrumentos através de seu terminal de controle 15, quatro operações são normalmente realizadas automaticamente pelo sistema de controle robô. Primeiro, o

50/59 sistema de controle robô controla o instrumento 18 para soltar qualquer tecido. Segundo, ele movimenta o instrumento para perto da entrada do trocar seguindo a direção do eixo do instrumento. Terceiro, a ponta de ferramenta, por ex., as pinças do instrumento, são trazidas até uma configuração que impeça que a ponta se enganche no trocar. Quarto, ele libera o motor da junta J6 de maneira que o assistente de cirurgia A possa girar livremente o AIL 120 para facilitar a remoção do instrumento do AIL 120. Após estas operações, a remoção de um instrumento laparoscópico adaptado 18 pode ser feita de forma segura com dois movimentos simples e a qualquer momento.

O primeiro movimento da extração consiste em apertar o botão 456 de modo a destravar o mecanismo de travamento 406. O segundo movimento de extração consiste em articular o AHI (por ex., 300) e a haste (por ex., 302) em tomo da ponta da haste por rotação em tomo de um eixo perpendicular ao eixo da haste de maneira a remover ambos do assento 130 e, subseqüentemente extrair a haste (por ex., 302), caso ainda esteja inserida, do corpo do paciente P.

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

51/59 disso, no caso de uma falha elétrica, um AHI (por ex., 300) juntamente com sua haste (por ex., 302) pode ser liberado e extraído manualmente.

Com relação ao AIL 120 como descrito acima, será observado que uma ampla variedade de instrumentos laparoscópicos convencionais em existência podem ser utilizados no sistema robótico 10 por meio de simples adaptadores de haste de instrumento (AHI) (por ex., 300). O AIL 120 em combinação com um AHI correspondente substitui a parte de cabo de um dado instrumento laparoscópico sem perda da capacidade de acionamento ou de fornecimento de potência. O AIL 120 é projetado genericamente, isto é, independentemente do tipo de instrumento a ser acoplado ao robô manipulador 14. Portanto, somente o AHI (por ex., 300) precisa ser especificamente projetado de acordo com as especificações do instrumento. 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 o mecanismo 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 na laparoscopia robótica por causa de diversos fatores. Primeiramente, ao contrário dos dispositivos do estado da técnica que requerem diversos acionadores por manipulador porque o instrumento e o acionador associado são montados como uma única unidade em uma única cobertura, somente um AIL 120 é preciso para cada manipulador 14. Isso permite, entre outras coisas, economia quanto aos custos do acionador. Em segundo lugar, os custos dos instrumentos são reduzidos ao se utilizar as hastes (por ex., 302)

52/59 de instrumentos laparoscópicos padronizados e os adaptadores de haste de instrumento correspondentes (por ex., 300) de construção simples. Por conseguinte, o custo de um instrumento adaptado 18 para uso com o AIL 120 é quase idêntico ao custo de um instrumento laparoscópico manual convencional (isto é, incluindo o cabo). Em terceiro, os custos da manutenção de instrumentos são essencialmente iguais aos dos instrumentos laparoscópicos convencionais porque o projeto do AHI (por ex., 300) é robusto em relação aos ciclos da esterilização.

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

O AIL 1120 mostrado na Fig. 25 possui um envoltório semicilíndrico 1154 que tem uma superfície de acesso superior substancialmente plana 1401 para facilitar a montagem e a remoção do AHI do AIL 1120. A superfície oposta 1155 do envoltório 1154 é sernicilíndrica em conformidade com um envelope cilíndrico que seja coaxial ao eixo de rotação de J6. O diâmetro da superfície semi-cilíndrica 1155 é escolhido ergonomicamente para permitir o manuseio por um operador humano, por ex., na faixa de 50 a 135mm, preferivelmente de 90mm, especialmente para comandar o robô manipulador 14 no modo manual mencionado acima. Como o envoltório semi-cilíndrica tem uma seção transversal substancialmente menor que a do flange de interface 156 por meio do qual o AIL 1120 é ligado ao SFTA 122, o envoltório 1154 inclui ainda traves de reforço graduais 1157. As traves de reforço graduais têm um formato gradual, isto é, crescente de forma suave começando a partir da superfície de acesso 1401 até a borda superior do flange de interface 156. As traves de reforço 1157 são ainda curvadas em conformidade como envelope cilíndrico da superfície semi-cilíndrica 1155. As traves de reforço

53/59

1157 conectam a superfície de acesso 1401 ao flange de interface 156 e desse modo reforçam e aumentam a rigidez da ligação do envoltório 1154 ao flange de interface 156. Desta forma, as traves de reforço 1157 asseguram uma transmissão de forças e de torques mais precisa a partir de um AHI através do AIL 1120 até o SFTA 122. Pode-se observar que traves de reforço semelhantes são também fornecidas no AIL 20 da Fig. 14.

A Fig. 25 mostra ainda um mecanismo de acoplamento alternativo para montar um adaptador de haste de instrumento no AIL 1120 e desse modo à unidade executora 30. No AIL 1120, assim como no AIL 20, um assento 1130 é formado como um vão semi-cilíndrico alongado côncavo na superfície de acesso 1401 para fornecer a auto-centralização de um adaptador sobre o eixo de rotação de J6. Além disso, o mecanismo de acoplamento compreende uma pluralidade de dispositivos magnéticos 1423, dois no lado do compartimento deslizante 1430 e um no outro lado do assento 1130, sendo este último arranjado em uma elevação 1425 da superfície de acesso 1401. A elevação 1425 fornece uma restrição de retenção adicional na direção axial a um adaptador montado e permite um posicionamento auto-ajustável do adaptador na direção axial por inclinações em direção à superfície de acesso 1401. Como será entendido, os dispositivos magnéticos 1423, que podem ser eletroímãs, imãs permanentes ou uma combinação de ambos, asseguram a fixação de um AHI projetado correspondentemente por meio de atração magnética. Ao se evitar um encaixe de travamento mecânico, elimina-se o risco de danos a uma cobertura plástica estéril utilizada para cobrir o manipulador 14 ou pelo menos a unidade executora 30.

A Fig. 25 ilustra uma pluralidade de sensores de presença indutora 1431 para identificar um instrumento montado na unidade executora 30 por meio de um padrão material indutoramente identificável fornecido em um AHI. Quatro sensores de presença indutores 1431 são

54/59 arranjados em fileira e deixados distinguindo e identificando 16 tipos de instrumento quando se utiliza uma fileira de localizações correspondentes do AHI voltadas para os sensores de presença indutores 1431. Além disso, os sensores de presença indutores 1431 também permitem a detecção da presença se o código do padrão (palavra de 4 bits) correspondente a um instrumento ausente for utilizado para esse propósito, isto é, quando nenhum material condutor estiver voltado para qualquer sensor indutor 1431.

Um membro de encaixe 1433 é mostrado separadamente na Fig. 25. O membro de encaixe 1433 é parte do mecanismo de acionamento que inclui o compartimento deslizante 1430 e tem superfícies de captura chanfradas 1434 que vão até uma fenda para encaixar o pino deslizante 314 de um AHI. As superfícies chanfradas 1434 facilitam a inserção do pino deslizante 314 de um AHI. Como será percebido, o membro de encaixe 1433 é desmontável do compartimento deslizante 1430 e feito de material compatível com esterilização. O membro de encaixe pode assim ser instalado no compartimento 1430 somente após uma cobertura estéril cobrir o AIL 1120. Na medida em que o alcance do movimento do compartimento 1430 é limitado, nenhum dano à cobertura estéril poderá ocorrer.

A Fig. 26 mostra uma modalidade alternativa de um AHI 1300 montado no AIL 1120 da Fig. 25. O AHI 1300 é projetado para que seja compatível com o projeto alternativo do AIL 1120 e será detalhado aqui adiante. O AHI 1300 tem suas dimensões moldadas de maneira que sua base esteja confinada à superfície de acesso 1401. A função do AHI 1300 é a mesma que a do AHI 300 mostrado na Fig. 17, qual seja, fornecer uma interface que permita o uso de hastes 302 de instrumentos laparoscópicos manuais convencionais no robô manipulador 14 sem a perda de qualquer funcionalidade disponível nas intervenções manuais. A Fig. 26 mostra

55/59 também um botão de comutação 408 fornecido no AIL 1120 para transferir o sistema para o modo manual. O AHI 1300 é fornecido com uma alavanca 1301 para uma fácil desmontagem manual, isto é, separação do AHI 1300 do AIL 1120. O AHI 1300 também tem um conector elétrico 1308 para conectar instrumentos ligados (por ex., instrumentos de coagulação ou de corte) diretamente a uma fonte de potência elétrica sem fios passando pelo AIL 1120.

Como fica aparente a partir das Figs. 25 e 26, o projeto é tal que todos os componentes do AIL 1120, incluindo o envoltório 1154, o flange 156, as traves de reforço 1157, o conjunto de sensores SFTA 122 e todas as partes do AHI 1300 montado, incluindo a alavanca 1301, estejam localizados dentro do envelope cilíndrico definido pela superfície semicilíndrica 1155. Isto é para reduzir o risco de colisão e dano quando o AIL 1120 é girado por J6.

A Fig. 27 mostra um mecanismo de acionamento alternativo 1400 para comunicar movimentação linear ao compartimento deslizante 1430, de um projeto diferente do mecanismo da Fig. 19. Ele compreende um motor sem escova 1411 conectado através de uma caixa de engrenagens 1412 e um fuso de esfera ou uma engrenagem sem-fim 1420 a um membro de porca 1422. O compartimento 1430 está fixo ao membro de porca 1422 através da intermediação de um sensor de força 1427. O sensor de força 1427 permite que se meça forças exercidas pelo compartimento 1430 por sobre o pino deslizante 314 e vice-versa. Será notado também que em virtude de se montar o compartimento deslizante 1420 sobre o lado do assento longitudinal 1130, o motor 1411 e as engrenagens conectadas podem ser arranjados em paralelo ao eixo longitudinal do AHI 1300 e da haste 302. Isto permite a minimização do comprimento total do AIL 1120 no que os requisitos de dinâmica do acionador para certas juntas (por ex., J4) são reduzidos. Além disso, será apreciado que esse mecanismo de

56/59 acionamento 1400 é aperfeiçoado em relação à produção de vibrações prejudiciais. Outros aspectos e vantagens do mecanismo de acionamento 1400 são semelhantes aos do mecanismo 400 descrito aqui anteriormente.

A Fig. 28 mostra o lado de baixo do AHI 1300 da Fig. 26 quando desprendido do AIL 1120. O AHI 1300 compreende um estojo alongado 1303 com um conector de haste 1304 em sua extremidade frontal (ver Fig. 30). O conector de haste 1304 permite uma conexão removível a um tipo de entrada fixa à haste 302 (mostrada apenas parcialmente) de um instrumento laparoscópico manual convencional desde que qualquer tipo de conexão destacável seja fornecido. Evidentemente, o conector e a entrada poderíam estar localizados respectivamente na haste e no AHI. Semelhante ao estojo 303, o estojo 1303 possui uma superfície semi-cilíndrica em seu lado 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 asas laterais 1305 têm uma superfície inferior plana que é conjugada à superfície de acesso 1401 no AIL 1120 (por ex., e também à elevação 1425). Um espaço recortado 1307 é fornecido em uma asa 1305 acima do pino deslizante 314 para oferecer visibilidade e acesso, por ex., para mover manualmente o pino deslizante 314 quando o AHI 1300 estiver acoplado ao AIL 1120. A Fig. 28 também mostra elementos ferromagnéticos planos 1311 arranjados em cada asa 1305 em cada lado do estojo 1303. Os elementos ferromagnéticos 1311 formam meios de acoplamento que cooperam respectivamente com um dispositivo magnético correspondente 1423 no AIL como mostrado na Fig. 25. Na região 1313, um padrão indutoramente identificável é fornecido no AHI para identificar, por meio dos sensores indutores 1431 mostrados na Fig. 25, o instrumento sendo utilizado. Nesta modalidade mostrada na Fig. 25, uma placa metálica completa corresponde a uma dada palavra de 4 bits (por ex., 1111 ou 0000), enquanto que em outros adaptadores podem ser fornecidos vãos, por

57/59 ex., perfurando-se buracos em uma ou mais das posições voltadas para os sensores indutores 1431, para dar uma palavra de bits diferentes para a identificação.

A Fig. 29 mostra o AHI 1300 da Fig. 28 em uma vista parcialmente desmontada. Como se vê na Fig. 29, o AHI 1300 tem um espaço interno que serve como uma guia cilíndrica 1312 para um pistão 310 de um certo instrumento laparoscópico manual. O pistão 310 é tipicamente utilizado no instrumento manual para comunicar movimento a partir do cabo do instrumento para o eixo guiado na haste 302. Será notado que o pistão de um instrumento manual existente pode ser arranjado para que deslize dentro da guia 1312. Como visto na Fig. 28, um furo oblongo 1315 é fornecido através do estojo 1303, permitindo que o pino deslizante 314 preso transversalmente ao pistão 310 se projete a partir do estojo 1303 e que seja deslocado para frente e para trás na direção axial do estojo 1303 para operar o pistão 310. O pistão 310 mostrado na Fig. 29 é uma peça original de um instrumento bipolar manual, utilizado para fornecer potência elétrica bipolar ao instrumento e para travar/destravar o instrumento.

A Fig. 30 serve para ilustrar que o mesmo tipo de adaptador pode ser utilizado para acomodar diferentes pistões de diferentes tipos dentre os instrumentos laparoscópicos comercialmente disponíveis para intervenção manual, por ex., o pistão 1310 para um instrumento manual unipolar como mostrado na Fig. 30. Isso significa que adaptadores como o AHI 1300 (ou o AHI 300) permitem o uso das partes essenciais de qualquer instrumento manual relativamente barato disponível comercialmente no robô manipulador 14. A Fig. 29 também mostra uma das duas espigas 1317 da alavanca 1301 e o eixo 1319 em tomo do qual ela se articula. Ao empurrar a alavanca 1301 para baixo, as espigas 1317 levantam a superfície inferior, e em particular os elementos ferromagnéticos 1311 do AHI 1300, para fora da superfície de acesso 1401 do AIL 1120 de maneira

58/59 que o AHI 1300 possa ser removido manualmente em uma direção perpendicular ao eixo de rotação J6, ou seja, do eixo da haste do instrumento.

Além dos aspectos descritos aqui acima, o sistema robótico médico 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 C acesse a mesa de operação 12 ou para permitir a instalação de um instrumento radiológico;

os robôs manipuladores 14, em virtude de seus projetos e utilizando informações de um sensor externo, podem se adaptar facilmente sem aumento significativo do tempo de intervenção às variações angulares da mesa de operação 12 durante a intervenção, para a orientação de (anti-)Trendelenburg (-/+ 20 a 35 graus) ou lateral do paciente;

os robôs manipuladores 14, em virtude de seus projetos e utilizando informações de um sensor externo, podem lidar facilmente com as variações de posicionamento dos trocares devido às mudanças da pressão intra-abdominal;

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

o sistema robótico médico 10 permite um ajuste rápido e simples do sistema, inclusive a configuração de uma pluralidade de robôs manipuladores 14 em tomo da mesa de operação 12;

59/59 o robô manipulador 14 é projetado versátil para que seja adequado para uma variedade de aplicações como em cirurgias minimamente invasivas, ortopedia, biópsias, terapia percutânea, coleta de amostras de pele, diagnósticos de ultra-som, etc.

Embora o presente pedido de patente como depositado em princípio se refira à invenção como definida nas reivindicações aqui anexadas, um técnico no assunto irá entender prontamente que o presente pedido de patente contém fundamentação para a definição de outras invenções, que poderíam, por ex., ser reivindicadas como matéria nova em 10 reivindicações emendadas ao presente pedido ou como matéria nova em pedidos divididos e/ou certificados de adição. Tal matéria poderia ser definida por qualquer recurso ou combinação de recursos revelada aqui.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema robótico médico para realizar procedimentos médicos, compreendendo um robô manipulador (14) para o manuseio roboticamente assistido de um instrumento médico (18), sendo que o referido robô manipulador compreende:

- uma base (24);

- um braço de manipulador (26) que tem uma parte essencialmente vertical (27) suportada pela referida base e uma parte essencialmente horizontal (29) suportada pela referida parte vertical;

- um pulso de manipulador (28) suportado pelo referido braço de manipulador (26); e

- uma unidade executora (30) suportada pelo referido pulso de manipulador (28) e configurada para segurar um instrumento médico;

- o referido braço de manipulador (26) ter uma configuração cinemática PRP cilíndrica, que possui, em seqüência, e apenas as três juntas que se seguem, uma primeira junta (J1) prismática (P) para variar a altura da referida parte vertical ao fornecer um grau de liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmente vertical, uma segunda junta (J2) de revolução (R) para variar o ângulo rotacional entre a referida parte vertical e a referida parte horizontal ao fornecer um grau de liberdade rotacional em torno de um eixo essencialmente vertical, e uma terceira junta (J3) para variar o alcance da referida parte horizontal ao fornecer um grau de liberdade translacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal;

e caracterizado por o referido pulso de manipulador (28) compreender, em sequência após a referida terceira junta (J3), uma quarta junta (J4) de revolução (R) e uma quinta junta (J5) de revolução (R) para orientar a

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2 / 5 referida unidade executora (30), os eixos de rotação da referida quarta (J4) junta (R) e a referida segunda (J2) junta (R) sendo paralelos.

2. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pela referida primeira junta (J1) prismática (P) possuir uma guia linear vertical (52) e um primeiro acionador linear (50), preferivelmente um eixo de fuso de esfera linear, para acionar a referida primeira junta (J1) (P), e em que a referida terceira junta (J3) (P) possui uma guia linear horizontal (73) e um segundo acionador linear (70), preferivelmente um eixo de fuso de esfera linear, para acionar a referida terceira junta (J3) (P).
3. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação

2, caracterizado pela referida parte horizontal compreender uma cobertura alongada (74) que envolve a referida guia linear horizontal e o referido segundo acionador linear, a referida parte horizontal compreendendo uma viga (72) que se encurta em relação à referida abertura em um lado e suporta o referido pulso (28) no outro lado.
4. Sistema robótico médico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela referida segunda junta (J2) (R) possuir uma engrenagem, preferivelmente uma engrenagem de transmissão 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 da referida engrenagem.
5. Sistema robótico médico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela referida parte horizontal (29) do referido braço (26) ter um afastamento de elos mínimo de 800 mm.
6. Sistema robótico médico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela unidade executora (30) incluir

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3 / 5 uma junta (j6) de revolução, em sequência após a referida quinta junta (J5) de revolução (R).
7. Sistema robótico médico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pela referida quarta junta (J4) (R) fornecer um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixo essencialmente vertical para ajustar o ângulo de guinada da referida unidade executora (30), e pela referida quinta junta (J5) (R) fornecer um grau de liberdade rotacional ao longo de um eixo essencialmente horizontal para ajustar o ângulo de arfagem da referida unidade executora (30).
8. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação

7, caracterizado pelo referido pulso (28) compreender uma placa de suporte (80) conectada à referida parte horizontal (29) do referido braço, e um membro de suporte substancialmente em forma de L (100), a referida quarta junta (J4) (R) unindo uma primeira porção horizontal do referido membro 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 e possuírem um ponto de interseção.
9. Sistema robótico médico de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pela referida unidade executora (30) compreender um acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120) que possui meios para montar um instrumento cirúrgico (18) no referido manipulador e um mecanismo de acionamento linear (400; 1400) para acionar um instrumento cirúrgico montado.
10. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação

9, caracterizado pela referida unidade executora (30) compreender uma armadura de suporte principal (140) para conectar a referida unidade

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4 / 5 executora (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 que coincide com o eixo longitudinal de um instrumento cirúrgico montado no referido acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120), para ajustar o ângulo de bancagem do referido instrumento cirúrgico (18) montado.
11. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelos eixos de rotação da referida sexta junta (J6) (R) e da referida quinta junta (J5) (R) serem perpendiculares.
12. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo referido pulso de manipulação (28) ser configurado 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 (O5) que corresponde aproximadamente ao diâmetro do acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120) em sua seção transversal maior.
13. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação

10, 11 ou 12, caracterizado pela referida unidade executora (30) compreender um conjunto de sensores (122) que compreende um sensor de força/torque com seis GDL e um acelerômetro linear e angular com seis GDL coincidente, o referido conjunto conectando o referido acionador de instrumento laparoscópico (120; 1120) à referida sexta junta (J6) (R).
14. Sistema robótico médico de acordo com a reivindicação 1 ou 10, caracterizado pela referida quarta junta (J4) (R), a referida quinta junta (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 referido motor, uma correia de transmissão (84; 104; 144) acoplada ao estágio de saída da referida engrenagem para transmitir movimento à junta associada, e um

Petição 870190002825, de 10/01/2019, pág. 9/15

5 / 5 sensor de posição absoluta (88; 108; 148) acoplado à referida correia de transmissão.
15. Sistema robótico médico de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pela referida primeira junta (J1) prismática (P) e pela referida terceira junta (J3) prismática (P) terem respectivamente um freio associado e um sensor de posição absoluta associado.