ES2248066T3 - Control de referencia para camara en un aparato quirurgico minimamente invasivo. - Google Patents
Control de referencia para camara en un aparato quirurgico minimamente invasivo.Info
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Abstract
Un sistema quirúrgico robotizado que comprende: un controlador maestro (700) que tiene un dispositivo (200) de entrada, que puede desplazarse en un espacio de trabajo del controlador; un esclavo (798) que tiene un efector final quirúrgico (14) y al menos una accionamiento acoplado operativamente al efector final, desplazando el accionamiento al efector final en un espacio de trabajo quirúrgico como respuesta a las señales del accionamiento del esclavo; un sistema de imágenes que incluye un dispositivo (304) de captura de imágenes con un campo de visión que puede desplazarse en el espacio de trabajo quirúrgico, generando el sistema de imágenes señales variables de estado que indican el campo de visión; y un procesador (810) que acopla el controlador maestro al brazo del esclavo, generando el procesador unas señales de accionamiento del esclavo estableciendo la correspondencia del dispositivo de entrada en el espacio de trabajo del controlador con el efector final en el espacio de trabajo quirúrgico, de acuerdo con una transformación; caracterizado porque el procesador (810) obtiene la transformación como respuesta a las señales variables de estado del sistema de imágenes y, si se desplaza el dispositivo (304) de captura de imágenes y se indica otro campo de visión por las señales variables de estado, el procesador (810) obtiene una transformación adicional para volver a establecer la correspondencia entre el dispositivo (200) de entrada y el efector final (14).
Description
Control de referencia para cámara en un aparato
quirúrgico mínimamente invasivo.
Las técnicas médicas mínimamente invasivas tienen
como objetivo reducir la cantidad de tejido extraño que se daña
durante el diagnóstico o los procedimientos quirúrgicos, reduciendo
así el tiempo de recuperación del paciente, la incomodidad, y los
efectos nocivos colaterales. En los Estados Unidos se realizan cada
año millones de cirugías. Muchas de estas cirugías pueden ser
realizadas potencialmente de una manera mínimamente invasiva. Sin
embargo, solamente un número relativamente pequeño de estas cirugías
utiliza actualmente estas técnicas, debido a las limitaciones de los
instrumentos y técnicas quirúrgicas mínimamente invasivas y al
entrenamiento quirúrgico adicional requerido para dominarlas.
Los avances de la tecnología quirúrgica
mínimamente invasiva podrían aumentar drásticamente el número de
cirugías realizadas de una manera mínimamente invasiva. La duración
media de una estancia en el hospital para una cirugía estándar es
significativamente mayor que la estancia media de la cirugía
equivalente realizada de una manera quirúrgica mínimamente invasiva.
Por tanto, la completa adopción de técnicas mínimamente invasivas
podría salvar millones de días de hospital y, consecuentemente,
millones de dólares anualmente sólo en costes de residencia en el
hospital. Los tiempos de recuperación del paciente, la incomodidad
del paciente, los efectos quirúrgicos colaterales y el tiempo en que
se falta a trabajo se reducen también con la cirugía mínimamente
invasiva.
La forma más común de cirugía mínimamente
invasiva puede ser la endoscopia. Probablemente, la forma más común
de endoscopia es la laparoscopia, que es una inspección y una
cirugía mínimamente invasivas dentro de la cavidad abdominal. En la
cirugía laparoscópica estándar, se insufla gas en el abdomen del
paciente, y se pasan fundas de cánula a través de pequeñas
incisiones (de aproximadamente 12,7 mm o 1/2 pulgada) para
proporcionar puertas de entrada a los instrumentos de cirugía
laparoscópica.
Los instrumentos quirúrgicos laparoscópicos
incluyen generalmente un laparoscopio para observar el campo
quirúrgico, y herramientas de trabajo que definen efectores finales.
Los efectores finales quirúrgicos típicos incluyen pinzas,
captadores, tijeras, grapadoras, o porta-agujas, por
ejemplo. Las herramientas de trabajo son similares a las utilizadas
en la cirugía convencional (abierta), excepto que el extremo de
trabajo o efector final de cada herramienta está separada de su
mango, por ejemplo, por un tubo de extensión de aproximadamente 305
mm (12 pulgadas) de largo.
Para realizar los procedimientos quirúrgicos, el
cirujano hace pasar estas herramientas de trabajo o instrumentos a
través de las fundas de cánula hasta un lugar quirúrgico interno
requerido, y los manipula desde el exterior del abdomen
deslizándolos hacia dentro y hacia fuera a través de las fundas de
cánula, haciéndolos girar en las fundas, apalancando los
instrumentos (es decir, haciéndolos girar) hacia la pared abdominal
y haciendo actuar a los efectores finales de los extremos distales
de los instrumentos desde el exterior del abdomen. Los instrumentos
giran alrededor de centros definidos por las incisiones que se
extienden a través de los músculos de la pared abdominal. El
cirujano supervisa el procedimiento por medio de un monitor de
televisión que presenta una imagen del sitio quirúrgico, a través de
una cámara laparoscópica. La cámara laparoscópica se introduce
también a través de la pared abdominal y hacia el sitio quirúrgico.
Se emplean técnicas endoscópicas similares por ejemplo en
artroscopia, retroperitoneoscopia, pelviscopia, nefroscopia,
citoscopia, cisternoscopia, sinoscopia, histeroscopia, uretroscopia
y similares.
Existen muchas desventajas relativas a la
tecnología quirúrgica actual mínimamente invasiva (MIS). Por
ejemplo, los instrumentos MIS existentes quitan al cirujano la
flexibilidad de la colocación de instrumentos que se encuentra en la
cirugía abierta. La mayoría de las herramientas laparoscópicas
actuales tienen cuerpos rígidos y se experimenta una dificultad para
aproximarse al sitio quirúrgico a través de la pequeña incisión.
Adicionalmente, la longitud y construcción de muchos instrumentos
quirúrgicos reduce la habilidad del cirujano para sentir las fuerzas
ejercidas por los tejidos y órganos sobre el efector final de la
herramienta asociada. La falta de destreza y sensibilidad de las
herramientas quirúrgicas es un impedimento importante para la
expansión de la cirugía mínimamente invasiva.
Se están desarrollando sistemas telequirúrgicos
mínimamente invasivos para uso en cirugía, con el fin de aumentar la
destreza del cirujano así como para permitirle operar a un paciente
desde un lugar remoto. La telecirugía es un término general para
sistemas quirúrgicos en los que el cirujano utiliza alguna forma de
control a distancia, por ejemplo, un servomecanismo, o similar, para
manipular los movimientos del instrumento quirúrgico en lugar de
sostener y mover directamente los instrumentos a mano. En tal
sistema de telecirugía, al cirujano se le proporciona una imagen del
sitio quirúrgico en un lugar remoto. Mientras observa una imagen
típicamente tridimensional del sitio quirúrgico sobre un visor o
pantalla adecuada, el cirujano realiza los procedimientos
quirúrgicos sobre el paciente manipulando dispositivos maestros de
control, en el lugar remoto, que controlan el movimiento de los
instrumentos accionados por servomecanismos.
El servomecanismo utilizado para la telecirugía
aceptará frecuentemente una entrada desde dos controladores maestros
(uno para cada una de las manos del cirujano), y puede incluir dos
brazos robotizados. La comunicación operativa entre cada controlador
maestro y un brazo y conjunto de instrumento asociados se consigue a
través de un sistema de control. El sistema de control incluye, al
menos, un procesador que retransmite las órdenes de entrada desde un
controlador maestro a un brazo y conjunto de instrumentos asociados
y desde el brazo y conjunto de instrumento al controlador maestro
asociado en el caso, por ejemplo, de una contrareacción de
fuerzas.
Sería ventajoso que la posición del dispositivo
de captura de imágenes pudiera cambiarse en el curso de un
procedimiento quirúrgico, para permitir al cirujano observar el
sitio quirúrgico desde otra posición. Se apreciará que, si cambia la
posición del dispositivo de captura de imágenes, también podrían
cambiar la orientación y la posición de los efectores finales en la
imagen observada. Sería ventajoso también que la relación en la cual
el movimiento del efector final está en correspondencia con el
movimiento de la mano, podría ser establecida de nuevo tras un
cambio de posición del dispositivo de captura de imágenes.
Es un objeto de la invención proporcionar un
método y un sistema de control para un aparato quirúrgico
mínimamente invasivo que establece una correspondencia entre el
movimiento del efector final y el movimiento de la mano. Es un
objeto adicional de la invención proporcionar un método y un sistema
de control para un aparato quirúrgico mínimamente invasivo que
permita restablecer la correspondencia entre el movimiento del
efector final y el movimiento de la mano tras haber sufrido una
interrupción, por ejemplo, por un cambio de posición del dispositivo
de captura de imágenes.
Debe apreciarse que, aunque el método y el
sistema de control de la invención están descritos con referencia a
un aparato quirúrgico mínimamente invasivo en esta memoria, la
aplicación de la invención no debe limitarse solamente a esta
solicitud, sino que también puede ser utilizada en cualquier tipo de
aparato en el que se introduce una entrada en un lugar y se requiere
un movimiento correspondiente en un lugar remoto y en el que se
requiere, o es meramente beneficioso, establecer una correspondencia
entre la orientación y movimiento de la posición del efector final y
el movimiento de la mano a través de un dispositivo de control
maestro asociado.
El documento US 5 631 973 divulga un sistema de
telemanipulación, tal como un sistema quirúrgico a distancia que
tiene un manipulador, un controlador, un dispositivo de captura de
imágenes y un dispositivo de salida de imágenes. Un sensor de
posición asociado con el dispositivo de captura de imágenes detecta
su posición con relación al efector final, y un procesador
transforma la imagen observable en tiempo real en una imagen en
perspectiva con una manipulación por correlación del efector final
por el controlador manual.
El documento US 5 855 583 describe un sistema
para realizar procedimientos cardiacos mínimamente invasivos,
incluyendo efectores finales en los instrumentos quirúrgicos, que
están unidos a brazos robotizados que están acoplados a una pareja
de mandos maestros por un controlador. El movimiento de los mandos
está hecho a escala, de manera que los efectores finales tienen un
movimiento correspondiente diferente, típicamente menor, que el
realizado por las manos del cirujano.
La invención proporciona sistemas de
telepresencia y telecirugia mejoradas, según se establece en las
reivindicaciones anexas. Estos actualizan automáticamente las
transformaciones de coordenadas, de manera que retienen la
coordinación entre el movimiento de un dispositivo de entrada y el
movimiento de un efector final como se presenta contiguamente al
dispositivo de entrada. La invención establece una correspondencia
entre el espacio de trabajo (en el cual se mueve el dispositivo de
entrada) de un controlador y el espacio de trabajo (en el cual se
mueve el efector final) de un efector final, y efectúa el movimiento
del efector final como respuesta al movimiento del dispositivo de
entrada. Esto permite el uso de enlaces de maestro y esclavo
cinemáticamente distintos que tienen, por ejemplo, distintos grados
de libertad. Al utilizar un dispositivo de captura de imágenes
acoplado al enlace del efector final se permite automáticamente el
cálculo de las transformaciones de coordenadas deseadas de la
correspondencia. La correspondencia entre el punto de giro del
miembro de entrada con el punto de giro de la mordaza del efector
final mejora el control del operador, mientras que el uso de
transformaciones intermedias permite que parte del tren cinemático
sea retirado y sustituido. Se mejora la destreza al seguir con
precisión la orientación y los ángulos del movimiento, aún cuando
las distancias del movimiento lineal del efector final no
correspondan a las del dispositivo de entrada.
Un modo de realización puede proporcionar un
sistema robotizado quirúrgico que comprende un controlador maestro
que tiene un dispositivo de entrada que puede desplazarse en el
espacio de trabajo de un controlador. Un esclavo puede tener un
efector final quirúrgico y un accionamiento, desplazando el
accionamiento al efector final en un espacio de trabajo quirúrgico
como respuesta a las señales del accionamiento del esclavo. Un
sistema de imágenes puede incluir un dispositivo de captura de
imágenes con un campo de visión que puede desplazarse en el espacio
de trabajo quirúrgico. El sistema de imágenes puede generar señales
variables de estado que indican el campo de visión. Un procesador
puede acoplar el controlador maestro con el brazo esclavo. El
procesador puede generar las señales del accionamiento esclavo
estableciendo la correspondencia entre el dispositivo de entrada y
el espacio de trabajo del controlador, de acuerdo con una
transformada. El procesador puede obtener la transformación como
respuesta a las señales variables de estado del sistema de
imágenes.
El procesador obtendrá generalmente la
transformación de manera que una imagen del efector final en la
pantalla aparece sustancialmente conectada al dispositivo de entrada
en el espacio de trabajo del controlador. El procesador puede
determinar una posición y una orientación del dispositivo de entrada
en el espacio del controlador maestro a partir de señales variables
de estado generadas por el controlador maestro. De forma similar, el
procesador determinará frecuentemente una posición y una orientación
del efector final en el espacio de trabajo quirúrgico a partir de
las señales variables de estado del esclavo. El procesador puede
generar entonces las señales del accionamiento esclavo comparando la
posición y orientación del dispositivo de entrada y del efector
final en el espacio de correspondencia. Ventajosamente, esta
correspondencia de extremo a extremo permite el uso de trenes
cinemáticos muy diferentes para los sistemas maestro y esclavo,
facilitando considerablemente los enlaces especializados tales como
los utilizados en la cirugía mínimamente invasiva.
En muchos modos de realización, el sistema
esclavo y el de imágenes estarán acoplados para facilitar la
obtención de la transformación por el procesador a partir de las
señales variables de estado proporcionadas por estas dos
estructuras. Por ejemplo, el sistema de imágenes puede comprender un
enlace que apoye la movilidad del dispositivo de captura de
imágenes, y el esclavo puede comprender también un enlace que apoye
la movilidad del efector final. Los enlaces pueden comprender
conexiones que tengan configuraciones de conexión indicadas por las
señales variables de estado. Los enlaces pueden estar acoplados en
una diversidad de formas para facilitar la obtención de la
transformación por el procesador. El acoplamiento de los sistemas
esclavo y de formación de imágenes puede ser mecánico,
electromagnético (tal como infrarrojos), o similar. En el ejemplo de
modo de realización, los enlaces del sistema esclavo y de formación
de imágenes están montados sobre una base común. Esta base puede
comprender un carrito de ruedas para el transporte, una estructura
montada sobre el techo o la pared, una mesa de operaciones, o
similar. Las señales variables de estado del sistema de imágenes y/o
del esclavo no necesitan comprender necesariamente una estructura de
conexión o señales de posición, ya que la transformación puede ser
obtenida en su lugar a partir de sensores magnéticos (incluyendo
aquellos que pueden dirigir el lugar y la orientación), de la
información obtenida por el reconocimiento de imágenes, o similares.
Independientemente, el procesador obtendrá la información,
preferiblemente, en tiempo real, permitiendo así una destreza
mejorada durante y después del movimiento del dispositivo de captura
de imágenes, de los cambios de asociación entre maestros y esclavos,
de los cambios de herramientas, de la recolocación del maestro o del
esclavo, uno con relación al otro, o similar.
Un modo de realización puede proporcionar también
un sistema quirúrgico robotizado que comprende un controlador
maestro con un dispositivo de entrada que puede desplazarse en el
espacio de trabajo del controlador. Un esclavo puede tener un
efector quirúrgico final y al menos un accionamiento acoplado al
efector final. El accionamiento puede desplazar el efector final en
un espacio de trabajo quirúrgico como respuesta a las señales del
accionamiento esclavo. Un sistema de imágenes puede incluir un
dispositivo de captura de imágenes con un campo de visión que puede
desplazarse en el espacio de trabajo quirúrgico. El sistema de
formación de imágenes transmite una imagen a una pantalla. Un
procesador puede acoplar el controlador maestro al brazo esclavo. El
procesador puede generar las señales del accionamiento esclavo
estableciendo una correspondencia entre el dispositivo de entrada en
el espacio de trabajo del controlador y el efector final en el
espacio de trabajo quirúrgico, de acuerdo con una transformación. El
procesador puede obtener la transformación de manera que una imagen
del efector final en la pantalla aparece sustancialmente conectada
al dispositivo de entrada en el espacio de trabajo.
Muchas veces, el controlador maestro comprenderá
un enlace que da apoyo al dispositivo de entrada, mientras que el
esclavo comprende un enlace que da apoyo al efector final, siendo
cinemáticamente distintos el enlace maestro y el esclavo. Más
específicamente, las conexiones del enlace maestro y las conexiones
del enlace esclavo tendrán grados de libertad diferentes, y/o las
conexiones definirán distintos lugares en el espacio de
correspondencia. La correspondencia de extremo a extremo entre el
dispositivo de entrada y el efector final permite al procesador
generar con precisión las señales deseadas del accionamiento
esclavo, a pesar de estas diferencias cinemáticas, que pueden ser
muy pronunciadas en mecanismos esclavos especializados tales como
los utilizados en la cirugía robotizada mínimamente invasiva.
En el ejemplo de modo de realización, el
procesador obtendrá la transformación indirectamente utilizando un
marco de referencia intermedio situado en una conexión desligable
junto con un enlace que dé apoyo al maestro, al efector final y/o al
dispositivo de captura de imágenes. Este cálculo indirecto de la
transformación facilita significativamente la sustitución o
modificación de una parte del subsistema.
La conexión sustancial presentada al operador del
sistema, entre el dispositivo de entrada y el efector final, puede
ser mejorada dirigiendo la información no visual de los sensores al
operador, en correspondencia con la imagen de la pantalla. La
información no visual indicará, preferiblemente, la fuerza y/o el
par aplicados al esclavo. Aunque la información puede ser presentada
en una diversidad de formas, incluyendo audio, térmica, olorosa o
similares, la información no visual será, preferiblemente, en forma
de cargas, fuerzas, y/o pares aplicados a través del dispositivo de
entrada a la mano del operador, idealmente con orientaciones
sustancialmente correspondientes a las orientaciones de las fuerzas
y pares aplicados al esclavo (de acuerdo con la imagen del esclavo
ilustrada en la pantalla). Como se ha descrito anteriormente con
relación al movimiento, la correlación entre las orientaciones y
pares en el dispositivo de entrada en el esclavo puede ser revisada
por el controlador (a menudo cuando se revisa la transformación)
utilizando la correspondencia de extremo a extremo. Opcionalmente,
la información de la fuerza y del par presentada al operador indica
la información de contacto, (por ejemplo el enganche entre un
efector final y un tejido), la información de perturbaciones (por
ejemplo cuando un brazo esclavo se engancha con otro brazo esclavo
fuera del cuerpo de un paciente), y/o la información sintética
(incluyendo las limitaciones en los movimientos o "paredes
virtuales" calculadas en un dominio simulado para impedir el
movimiento de un efector final en una dirección restringida). Por
tanto, la información de fuerza y de par puede ser obtenida a partir
de señales del motor del esclavo, de sensores (incluyendo sensores
de fuerza, sensores de presión, sensores de aceleración, sensores de
velocidad o similares), de simulación (incluyendo restricciones
calculadas) y de otras fuentes.
Un modo de realización puede proporcionar también
un sistema quirúrgico robotizado que comprende un controlador
maestro que tiene un dispositivo de entrada apoyado por un enlace,
de manera que el dispositivo de entrada puede desplazarse en un
espacio de trabajo del controlador con un primer número de grados de
libertad. Un esclavo puede tener un efector quirúrgico final y una
pluralidad de accionamientos acoplados a él, de manera que el
efector final puede desplazarse en un espacio de trabajo quirúrgico
con un segundo número de grados de libertad, como respuesta a las
señales del accionamiento esclavo, siendo el segundo número inferior
al primero. Un procesador puede acoplar el controlador maestro al
esclavo. El procesador puede generar las señales del accionamiento
esclavo estableciendo una correspondencia entre el dispositivo de
entrada en el campo de trabajo del controlador y el efector final en
el espacio de trabajo quirúrgico. Esto permite, por ejemplo, el uso
de maestros que tengan al menos un grado redundante de libertad, o
el uso de un maestro completo con los seis grados de libertad con un
esclavo que tenga una capacidad de movimiento más limitada. Tales
maestros pueden ofrecer una amplia gama de movimientos a un cirujano
sin restringir el diseño del esclavo, ni el tamaño, complejidad y/o
intercambiabilidad del efector final.
Un modo de realización puede proporcionar también
un sistema quirúrgico robotizado que comprende un controlador
maestro que tiene un dispositivo de entrada que puede desplazarse en
el espacio de trabajo del controlador. Un esclavo puede comprender
un brazo esclavo y una primera herramienta montada liberablemente
sobre el brazo. La primera herramienta puede tener un primer efector
final que se desplaza en un espacio de trabajo quirúrgico como
respuesta a las señales del accionamiento del esclavo. Una segunda
herramienta puede estar montada liberablemente en el esclavo en
lugar de la primera herramienta. La segunda herramienta puede tener
un segundo efector final que puede desplazarse en el campo de
trabajo quirúrgico como respuesta a las señales del accionamiento
del esclavo. La segunda herramienta puede ser cinemáticamente
diferente a la primera herramienta. El procesador puede acoplar el
controlador maestro al brazo esclavo. El procesador puede generar
las señales del accionamiento del esclavo estableciendo una
correspondencia entre el dispositivo de entrada en el espacio de
trabajo del controlador y el efector final de la herramienta montada
en el espacio de trabajo quirúrgico.
El dispositivo de entrada puede tener un sensor
de agarre para ser apretado con una mano del operador. El sensor de
agarre define un pivote de agarre. El brazo esclavo puede tener un
efector final apoyado por un enlace, de manera que el efector final
puede desplazarse en un campo de trabajo del efector final. El brazo
esclavo puede tener accionamientos acoplados al enlace para
desplazar el efector final como respuesta a las señales del
accionamiento del esclavo. El efector final puede comprender
mordazas con un pivote de mordaza. Un dispositivo de captura de
imágenes puede tener un campo de visión dentro del espacio de
trabajo del efector final y puede transmitir una imagen a una
pantalla. Un procesador puede acoplar el controlador maestro al
brazo esclavo, generando el procesador las señales del accionamiento
del esclavo como respuesta al movimiento del dispositivo de entrada,
de manera que el pivote de mordaza aparezca en la pantalla
sustancialmente conectado con el pivote de agarre.
El dispositivo de entrada puede tener un
desplazamiento con una pluralidad de grados de libertad en el
espacio del controlador maestro. El movimiento del dispositivo de
entrada puede definir al menos un ángulo seleccionado entre el grupo
que comprende un cambio de la orientación angular y un ángulo de
traslación. Un brazo esclavo puede tener un efector final apoyado
por un enlace con una pluralidad de conexiones, de manera que el
esclavo pueda desplazarse en un espacio de trabajo del efector
final. El brazo esclavo puede tener accionamientos acoplados a las
conexiones para desplazar el efector final como respuesta a las
señales de accionamiento del esclavo. Un dispositivo de captura de
imágenes transmite una imagen a una pantalla contigua al controlador
maestro. Un procesador puede acoplar el controlador maestro al brazo
esclavo. El procesador puede generar las señales del accionamiento
del esclavo como respuesta al movimiento del dispositivo de entrada,
de manera que al menos un ángulo seleccionado entre el grupo que
comprende un cambio de la orientación angular y un ángulo de
traslación del efector final, está dentro de los cinco grados de al
menos un ángulo del dispositivo de entrada. Ventajosamente, tal
precisión angular puede reforzar la conectividad sustancial del
dispositivo de entrada y del efector final, a pesar de las
diferencias significativas de las distancias del movimiento
percibidas por el operador del sistema.
Se contempla un método quirúrgico robotizado que
comprende un dispositivo maestro de entrada en un espacio de trabajo
del controlador, articulando una pluralidad de conexiones maestras.
Un efector quirúrgico final puede ser desplazado en un espacio de
trabajo quirúrgico articulando una pluralidad de conexiones esclavas
como respuesta a las señales del motor del esclavo. Una imagen de un
campo de visión arbitrario dentro del espacio de trabajo quirúrgico
puede ser presentada en una pantalla contigua al controlador
maestro. Las señales del motor esclavo pueden ser generadas
automáticamente como respuesta al movimiento del maestro, de manera
que una imagen del efector final aparece en la pantalla
sustancialmente conectada con el dispositivo de entrada en el
espacio del controlador
maestro.
maestro.
Un modo de realización puede proporcionar un
sistema quirúrgico robotizado que comprende un controlador maestro
que tiene un dispositivo de entrada que puede desplazarse en un
espacio del controlador maestro. El dispositivo de entrada puede
incluir un primer y un segundo miembros de agarre para actuar con el
primer y segundo dedos de una mano del operador. Un esclavo puede
tener un efector quirúrgico final que se desplaza en un campo de
trabajo quirúrgico como respuesta a las señales del accionamiento
del esclavo. El efector final puede incluir un primer y un segundo
elementos del efector final. Un procesador puede acoplar el maestro
al esclavo. El procesador puede generar las señales del
accionamiento esclavo de manera que el movimiento del primer miembro
de agarre se corresponde sustancialmente con el primer elemento del
efector final, y de manera que el movimiento del segundo elemento
del efector final se corresponde sustancialmente con el movimiento
del segundo elemento del efector final.
Los miembros de agarre y los elementos del
efector final mostrados en la pantalla pueden estar opcionalmente
conectados sustancialmente a las conexiones de pivote entre los
miembros de agarre y los elementos del efector final.
Alternativamente, el punto de conectividad sustancial puede estar
dispuesto en los puntos centrales entre las puntas de los miembros
de agarre y los elementos del efector final, particularmente cuando
se utilizan herramientas que tienen longitudes de los elementos del
efector final relativamente largas entre el punto de pivote y la
punta.
Un modo de realización puede proporcionar un
sistema quirúrgico robotizado que comprende un controlador maestro
con un mango quirúrgico soportado por una pluralidad de conexiones,
de manera que el mango puede desplazarse en un espacio del
controlador maestro. Las conexiones pueden definir un punto de
rotación de cardan alrededor de una pluralidad de ejes, y el mango
puede estar contiguo al punto de cardan. Un esclavo puede tener un
efector quirúrgico final que se desplaza en un espacio de trabajo
quirúrgico como respuesta al movimiento del mango. Esto puede
reducir la inercia del sistema maestro cuando el cirujano cambia la
orientación, particularmente cuando el mango es sustancialmente
coincidente con el punto de cardan. Muchas veces, un procesador
acopla el maestro al esclavo, y genera señales del accionamiento
esclavo de manera que el punto de cardan del maestro está
sustancialmente conectado a una última conexión del esclavo contiguo
al efector final.
Un modo de realización puede proporcionar un
sistema quirúrgico robotizado que comprende un controlador maestro
que tiene un mango que se desplaza en un campo de trabajo del
controlador maestro. Un esclavo puede dar apoyo a un efector
quirúrgico final y mover el efector final dentro de un espacio de
trabajo quirúrgico, como respuesta a señales del accionamiento
esclavo. Un procesador puede acoplar el maestro al esclavo. El
procesador puede generar las señales del accionamiento esclavo de
manera que el movimiento de un punto de correspondencia a lo largo
del mango del controlador maestro se corresponde sustancialmente con
el movimiento de un punto de correspondencia a lo largo del efector
final. El procesador puede ser capaz de cambiar al menos uno de los
puntos, el de correspondencia del mango y el de correspondencia del
efector final.
En general, los accionamientos pueden comprender
una diversidad de motores, (incluyendo los eléctricos, hidráulicos,
neumáticos y similares). En otros modos de realización, los
accionamientos pueden comprender frenos, embragues, dispositivos
vibradores que aplican cargas cíclicas utilizando la inercia, o
similares. También pueden utilizarse otros accionamientos,
particularmente aquellos que proporcionan simulación táctil en forma
de calor o similar. Las herramientas de la presente invención pueden
incluir una diversidad de herramientas quirúrgicas y/o de efectores
finales, incluyendo los forceps, sujeciones, pinzas tijeras,
escalpelos electroquirúrgicos y mecánicos y similares. Otros
efectores finales más pueden proporcionar irrigación, aspiración o
succión, chorros de aire, luces y/o dispositivos de imágenes.
También se proporcionan sistemas robotizados generales (análogos a
los descritos anteriormente), y métodos quirúrgicos robotizados,
tanto generales como quirúrgicos.
Aunque estos sistemas, métodos y dispositivos son
particularmente ventajosos para la cirugía robotizada, la presente
invención abarca también sistemas robotizados, métodos y
dispositivos similares para la telemanipulación y telepresencia en
otros campos y para aplicaciones robotizadas generales.
Se describirá ahora la invención a modo de
ejemplo, y con referencia a los dibujos diagramáticos que se
acompañan, en los cuales:
La figura 1A muestra una vista tridimensional de
una estación de operador de un sistema telequirúrgico de acuerdo con
la invención;
La figura 1B muestra una vista tridimensional de
un carro o estación quirúrgica de un sistema telequirúrgico,
transportando el carro tres brazos controlados de forma robotizada,
siendo el movimiento de los brazos controlable a distancia desde la
estación de operador ilustrada en la figura 1A;
La figura 2A muestra una vista lateral de un
brazo robotizado y el conjunto de instrumental quirúrgico;
La figura 2B muestra una vista tridimensional
correspondiente a la figura 2A;
La figura 3 muestra una vista tridimensional de
un instrumento quirúrgico;
La figura 4 muestra un diagrama cinemático
esquemático correspondiente a la vista lateral del brazo robotizado
ilustrado en la figura 2A, e indica que el brazo ha sido desplazado
desde una posición a otra posición;
La figura 5 muestra, en una escala ampliada, un
miembro de muñeca y un efector final del instrumento quirúrgico
ilustrado en la figura 3, estando montados de manera movible el
miembro de muñeca y el efector final sobre un extremo de trabajo de
un cuerpo del instrumento quirúrgico;
La figura 6A muestra una vista tridimensional de
una parte sostenida por la mano o cardan de muñeca, de un
dispositivo de control maestro del sistema telequirúrgico;
\newpage
La figura 6B muestra una vista tridimensional de
una parte del brazo articulado del dispositivo de control maestro
del sistema telequirúrgico, sobre el cual está montado para su uso
el cardan de muñeca de la figura 6A;
La figura 6C muestra una vista tridimensional del
dispositivo de control maestro ilustrando el cardan de muñeca de la
figura 6A montado sobre la parte del brazo articulado de la figura
6B;
La figura 7 muestra un dibujo tridimensional
esquemático que indica las posiciones de los efectores finales con
relación a un extremo de visión de un endoscopio y las
correspondientes posiciones de los dispositivos maestros de control
con relación a los ojos de un operador, típicamente un cirujano;
La figura 8 muestra un dibujo tridimensional
esquemático que indica la posición y orientación de un efector final
con relación a un sistema de referencia de coordenadas cartesianas
de una cámara;
La figura 9 muestra un dibujo tridimensional
esquemático que indica la posición y orientación de una estructura
de pinza del dispositivo de control maestro con relación a un
sistema de referencia visual de coordenadas cartesianas;
La figura 10 muestra una vista lateral
esquemática de una parte de la estación quirúrgica del aparato
quirúrgico mínimamente invasivo, que indica la situación de los
sistemas de referencia de coordenadas cartesianas utilizados por un
sistema de control del aparato quirúrgico mínimamente invasivo, para
determinar la posición y orientación de un efector final con
relación a un sistema de referencia de coordenadas cartesianas en el
extremo de observación de un dispositivo de captura de imágenes;
La figura 11 muestra una vista lateral
esquemática de parte de la estación de operador del aparato
quirúrgico mínimamente invasivo, que indica la situación de los
sistemas de referencia de coordenadas cartesianas utilizadas por el
sistema de control del aparato quirúrgico mínimamente invasivo, para
determinar la posición y orientación de la estructura de pinza del
dispositivo de control maestro con relación a un sistema de
referencia visual de coordenadas cartesianas;
La figura 11A-C ilustra
esquemáticamente los correspondientes lugares de correspondencia
sobre la mano del cirujano, sobre el controlador maestro y sobre el
efector final, y los métodos para su selección;
La figura 12 ilustra esquemáticamente un modelo
de arquitectura de control de alto nivel de un sistema quirúrgico
robotizado maestro/esclavo;
La figura 12A muestra un diagrama de bloques
esquemático que indica los pasos seguidos por el sistema de control
del aparato quirúrgico mínimamente invasivo para la determinación de
la posición y la orientación del efector final con relación al
sistema de referencia de coordenadas cartesianas en el extremo de
observación del dispositivo de captura de imágenes;
La figura 13 muestra un diagrama de bloques
esquemático que indica los pasos seguidos por el sistema de control
del aparato quirúrgico mínimamente invasivo para la determinación de
la posición y orientación de la estructura de pinza con relación al
sistema de referencia visual de coordenadas cartesianas;
La figura 14 muestra un diagrama de bloques que
indica los pasos seguidos por el sistema de control del aparato
quirúrgico mínimamente invasivo para efectuar el control entre el
movimiento de posición y de orientación de la estructura de pinza y
el movimiento de posición y orientación del efector final;
La figura 15 muestra un detalle adicional de un
"dominio simulado" del sistema de control ilustrado en la
figura 14;
La figura 16 muestra un modo de realización de un
bloque de simulación ilustrado en la figura 15;
La figura 17 muestra una relación entre L y
1/L;
La figura 18 muestra otro modo de realización del
bloque de simulación ilustrado en la figura 15;
La figura 19 muestra un diagrama de bloques que
indica la imposición de límites simulados de velocidad y de
posición;
La figura 20 muestra un modo de realización
preferido del bloque de simulación ilustrado en la figura 15; y
La figura 21 muestra un diagrama de bloques que
indica la imposición de límites simulados de velocidad y de posición
con relación al movimiento de orientación del esclavo.
Esta solicitud está relacionada con las
siguientes patentes y solicitudes de patente: Solicitud
internacional PCT núm. PCT/US98/19508, titulada "Aparato
robotizado", depositada el 18 de Septiembre de 1998, Solicitud de
Estados Unidos con núm. de serie 60/111.713, titulada
"Herramientas quirúrgicas robotizadas, Arquitectura de datos y su
utilización", depositada el 8 de Diciembre de 1998; Solicitud de
Estados Unidos con núm. de serie 60/111.711, titulada
"Desplazamiento de imágenes para un sistema telerobotizado",
depositada el 8 de Diciembre de 1998; Solicitud de Estados Unidos
con núm. de serie 60/111.714, titulada "Sistema de observación
estéreo para su uso en un sistema telerobotizado", depositada el
8 de Diciembre de 1998; Solicitud de Estados Unidos con núm. de
serie 60/111.710, titulada "Maestro con grados de libertad
redundantes", depositada el 8 de Diciembre de 1998; Solicitud de
Estados Unidos con núm. de serie 60/116.891, titulada "Asociación
dinámica de maestro y esclavo en un sistema telequirúrgico
mínimamente invasivo", depositada el 22 de Enero de 1999; y
Patente de Estados Unidos núm. 5.808.665, titulada "Instrumento
quirúrgico endoscópico y método para usarlo", publicada el 15 de
Septiembre de 1998.
Según se utiliza en esta memoria, los objetos
(y/o imágenes) aparecen "sustancialmente conectados" si la
dirección de un movimiento incremental de posición de un primer
objeto coincide con la dirección de un movimiento incremental de
posición del segundo objeto (a menudo según se ve en una imagen).
Las direcciones coincidentes no necesitan ser exactamente iguales,
ya que los objetos (o el objeto y la imagen) pueden ser percibidos
como conectados si la desviación angular entre los movimientos
permanece inferior a alrededor de diez grados, preferiblemente
inferior a alrededor de cinco grados. De forma similar, los objetos
y/o imágenes pueden ser percibidos como estando "conectados
sustancialmente y en orientación" si están sustancialmente
conectados y si la dirección de un movimiento incremental de
orientación del primer objeto coincide con la dirección de un
movimiento incremental de orientación del segundo objeto (a menudo
como se ve en una imagen presentada cerca del primer objeto).
Pueden proporcionarse niveles adicionales de
conectividad, pero no es necesario. La "conexión de la
magnitud" indica una conexión sustancial y que la magnitud de los
movimientos de orientación y/o conexión del primer objeto y del
segundo objeto (típicamente como se ve en una imagen), están
directamente relacionados. Las magnitudes no necesitan ser iguales,
de manera que es posible acomodar la escala o el alabeo dentro de un
sistema robotizado sustancialmente conectado en magnitud. La
conexión en magnitud de la orientación no implicará conexión
sustancial y de orientación, ni tampoco magnitudes relacionadas del
movimiento de orientación, mientras que la conexión sustancial y de
magnitud significa una conexión sustancial estando relacionadas las
magnitudes de posición.
Según se utiliza en esta memoria, un primer
objeto aparece absolutamente conectado en posición con una imagen de
un segundo objeto, si los objetos están sustancialmente conectados y
la posición del primer objeto y la posición de la imagen del segundo
objeto aparecen coincidentes, es decir, que están en el mismo lugar,
durante el movimiento. Un primer objeto aparece absolutamente
conectado en orientación con una imagen del segundo objeto, si están
sustancialmente conectados y la orientación del primer objeto y del
segundo objeto aparecen coincidentes durante el movimiento.
Haciendo referencia a la figura 1A de los
dibujos, una estación de operador o una consola de cirujano de un
sistema telequirúrgico mínimamente invasivo está indicado en general
con la referencia numérica 200. La estación 200 incluye un visor
202, en el que se presenta una imagen de un sitio quirúrgico en uso.
Se dispone un soporte 204 sobre el cual un operador, típicamente un
cirujano, puede descansar sus antebrazos al tiempo que agarra dos
controles maestros (no ilustrados en la figura 1A), uno en cada
mano. Los controles maestros están situados en un espacio 206, más
adentro del soporte 204. Cuando se utiliza la estación 200 de
control, el cirujano está sentado típicamente en una silla enfrente
de la estación 200 de control, sitúa sus ojos enfrente del visor 202
y agarra los controles maestros, uno en cada mano, al tiempo que
descansa sus antebrazos sobre el soporte 204.
En la figura 1B de los dibujos, un carro o
estación quirúrgica del sistema telequirúrgico está indicado en
general con la referencia numérica 300. Durante el uso, el carro 300
está situado cerca de un paciente que requiere cirugía y después se
hace que permanezca estacionario hasta que se ha completado el
procedimiento quirúrgico a realizar. El carro 300 tiene típicamente
ruedas o rodillos para hacerlo móvil. La estación 200 está situada
típicamente a distancia del carro 300 y puede estar separada del
carro 300 a una gran distancia, incluso a kilómetros, pero será
utilizada típicamente dentro de una sala de operaciones con el carro
300.
El carro 300 transporta típicamente tres
conjuntos de brazos robotizados. Uno de los conjunto de brazos
robotizados, indicado con la referencia numérica 302, está
configurado para sostener un dispositivo 304 de captura de imágenes,
por ejemplo, un endoscopio o similar. Cada uno de los dos conjuntos
de brazos restantes, 10, 10 respectivamente, incluye un instrumento
quirúrgico 14. El endoscopio 304 tiene un extremo 306 de visión en
un lugar distante de un cuerpo alargado del mismo. Podrá apreciarse
que el endoscopio 304 tiene un cuerpo alargado para permitir que su
extremo 306 de visión sea insertado a través de una puerta de
entrada en un sitio quirúrgico interno del cuerpo de un paciente. El
endoscopio 304 está operativamente conectado al visor 202 para
presentar una imagen capturada en su extremo 306 de visión sobre el
visor 202. Cada conjunto 10, 10 de brazo robotizado está normalmente
conectado operativamente a uno de los controles maestros. Así, el
movimiento de los conjuntos 10, 10 de brazos robotizados está
controlado por la manipulación de los controles maestros. Los
instrumentos 14 de los conjuntos 10, 10 de brazos robotizados tienen
efectores finales que están montados sobre miembros de muñeca que
están montados giratoriamente sobre extremos distales de los cuerpos
alargados de los instrumentos 14, como se describe con más detalle a
continuación. Podrá apreciarse que los instrumentos 14 tienen
cuerpos alargados para permitir que los efectores finales sean
insertados a través de puertas de entrada en el sitio quirúrgico
interno del cuerpo de un paciente. El movimiento de los efectores
finales con relación a los extremos de los cuerpos de los
instrumentos 14 es controlado también por los controles
maestros.
Los brazos robotizados 10, 10, 302 están montados
sobre un carro deslizante 97 por medio de brazos 95 de conexión de
instalación. El carro deslizante 97 puede ser ajustado
selectivamente para variar su altura con relación a una base 99 del
carro 300, como se indica con las flechas K. Los brazos 95 de
conexión de instalación están configurados para permitir variar las
posiciones y orientaciones laterales de los brazos 10, 10, 302, con
relación a una columna 93 que se extiende verticalmente del carro
300. Consecuentemente, pueden ajustarse las posiciones,
orientaciones y alturas de los brazos 10, 10, 302 para facilitar el
paso del los cuerpos alargados de los instrumentos 14 y del
endoscopio 304 a través de las puertas de entrada a las posiciones
deseadas con relación al sitio quirúrgico. Cuando los instrumentos
quirúrgicos 14 y el endoscopio 304 están colocados de esta manera,
los brazos 95 de conexión de instalación y el carro deslizante 97
están típicamente enclavados en su posición.
En las figuras 2A y 2B de los dibujos, se muestra
con más detalle uno de los conjuntos 10 de brazos robotizados. Cada
conjunto 10 incluye un brazo robotizado articulado 12, y un
instrumento quirúrgico, indicado esquemática y generalmente con la
referencia numérica 14, montado sobre él. La figura 3 indica la
apariencia general del instrumento quirúrgico 14 con más
detalle.
El instrumento quirúrgico 14 incluye un cuerpo
alargado 14.1. El mecanismo similar a la muñeca, indicado
generalmente con la referencia numérica 50, está situado en un
extremo de trabajo del cuerpo 14.1. Un alojamiento 53, configurado
para acoplar liberablemente el instrumento 14 al brazo robotizado
12, está situado en un extremo opuesto del cuerpo 14.1. En la figura
2A, y cuando el instrumento 14 está acoplado o montado sobre el
brazo robotizado 12, el cuerpo 14.1 se extiende a lo largo de un eje
indicado como 14.2. El instrumento 14 está montado típicamente de
forma liberable sobre un carro 11, que puede ser accionado para
trasladarse a lo largo de una estructura de guía lineal 24 del brazo
12 en la dirección de las flechas P.
El brazo robotizado 12 está típicamente montado
sobre una base o plataforma en un extremo de su brazo asociado 95 de
conexión de instalación por medio de la abrazadera o placa 16 de
montaje.
El brazo robotizado 12 incluye una bandeja,
indicada generalmente como 18, una parte superior 20 del brazo, una
parte 22 de antebrazo y la estructura 24 de guía. La bandeja 18 está
montada giratoriamente sobre la placa 16 a modo de cardan para
permitir el movimiento de balanceo de la bandeja 18 en la dirección
de las flechas 26, como está ilustrado en la figura 2B, alrededor de
un eje 28 de giro. La parte superior 20 del brazo incluye unos
miembros 30, 32 de enlace y la parte 22 de antebrazo incluye
miembros 34, 36 de enlace. Los miembros 30, 32 de enlace están
montados giratoriamente sobre la bandeja 18 y están conectados
giratoriamente a los miembros 34, 36 de enlace. Los miembros 34, 36
de enlace están conectados giratoriamente a la estructura 24 de
guía. Las conexiones giratorias entre los miembros 30, 32, 34, 36 de
enlace, la bandeja 18 y la estructura 24 de guía están configuradas
para restringir el movimiento del brazo robotizado 12 de una manera
específica. El movimiento del brazo robotizado 12 está ilustrado
esquemáticamente en la figura 4.
Con referencia a la figura 4, las líneas
continuas indican esquemáticamente una posición del brazo robotizado
y las líneas de puntos indican otra posible posición a la cual puede
desplazarse el brazo desde la posición indicada en líneas
continuas.
Se comprenderá que el eje 14.2 a lo largo del
cual se extiende el cuerpo 14.1 del instrumento 14 cuando está
montado sobre el brazo robotizado 12, gira alrededor de un centro de
giro o fulcro 49. Así, independientemente del movimiento del brazo
robotizado 12, el centro 49 de giro permanece normalmente en la
misma posición con relación al carro estacionario 300, sobre el cual
está montado el brazo 12. Durante el uso, el centro 49 de giro está
situado en una puerta de entrada en el cuerpo del paciente cuando se
va a realizar un procedimiento quirúrgico interno. Se apreciará que
el cuerpo 14.1 se extiende a través de tal puerta de entrada,
estando situado entonces el mecanismo 50 similar a la muñeca dentro
del cuerpo del paciente. Así, la posición general del mecanismo 50
con relación al sitio quirúrgico en el cuerpo del paciente puede ser
cambiada por el movimiento del brazo 12. Como el centro 49 de giro
es coincidente con la puerta de entrada, tal movimiento del brazo no
afecta excesivamente al tejido circundante de la puerta de
entrada.
Como puede verse mejor con referencia a la figura
4, el brazo robotizado 12 proporciona tres grados de libertad de
movimientos al instrumento quirúrgico 14, cuando está montado sobre
él. Estos grados de libertad de movimientos son en primer lugar el
movimiento a modo de cardan indicado por las flechas 26, el
movimiento de giro o cabeceo como indican las flechas 27 y el
desplazamiento lineal en la dirección de las flechas P. El
movimiento del brazo que indican las flechas 26, 27 y P está
controlado por los accionamientos colocados apropiadamente, por
ejemplo, motores eléctricos o similares, que responden a las
entradas desde su control maestro adecuado para llevar el brazo 12 a
una posición deseada, como dictamina el movimiento del control
maestro. Se disponen unos sensores colocados apropiadamente, por
ejemplo, potenciómetros, codificadores, o similares, sobre el brazo
y su brazo asociado 95 de conexión de instalación, para permitir al
sistema de control del sistema quirúrgico mínimamente invasivo
determinar las posiciones de la conexión, como se describe con más
detalle a continuación. Podrá apreciarse que cuando se citan
"sensores" en esta memoria, el término debe ser interpretado
ampliamente para incluir cualquier sensor apropiado, tal como los
sensores de posición, sensores de velocidad o similares. Se podrá
apreciar que haciendo que el brazo robotizado 12 se desplace
selectivamente desde una posición a otra, la posición general del
mecanismo 50 en forma de muñeca en el sitio quirúrgico puede ser
variada durante la realización de un procedimiento
quirúrgi-
co.
co.
Haciendo referencia ahora a la figura 5 de los
dibujos, se describirá ahora el mecanismo 50 en forma de muñeca con
mayor detalle. En la figura 5, el extremo de trabajo del cuerpo 14.1
está indicado como 14.3. El mecanismo 50 en forma de muñeca incluye
un miembro 52 de muñeca. Una parte final del miembro 52 de muñeca
está montado giratoriamente sobre una horquilla, indicada
generalmente como 17, en un extremo 14.3 del cuerpo 14.1 por medio
de una conexión giratoria 54. El miembro 52 de muñeca puede girar en
la dirección de las flechas 56, alrededor de la conexión giratoria
54. Un efector final, indicado generalmente con la referencia
numérica 58, está montado giratoriamente sobre un extremo opuesto
del miembro 52 de muñeca. El efector final 58 tiene la forma, por
ejemplo, de un aplicador de pinzas para unas pinzas de anclaje,
durante un procedimiento quirúrgico. Consecuentemente, el efector
final 58 tiene dos partes 58.1 y 58.2 que juntas definen una
estructura en forma de mordaza.
Podrá apreciarse que el efector final puede tener
la forma de cualquier herramienta quirúrgica deseada, por ejemplo,
dos miembros o apéndices que giran uno con respecto al otro, tales
como tijeras, tenazas para ser utilizadas como conductores de
agujas, o similares. En lugar de eso, puede incluir un solo miembro
de trabajo, por ejemplo, un escalpelo, un electrodo de cauterización
o similar. Cuando se desea una herramienta distinta a un aplicador
de pinzas durante el procedimiento quirúrgico, se retira simplemente
la herramienta 14 de su brazo asociado y se sustituye por un
instrumento que porta el efector final deseado, por ejemplo,
tijeras, o tenazas o similares.
El efector final 58 está montado giratoriamente
sobre una horquilla, indicada generalmente con la referencia
numérica 19, sobre un extremo opuesto del miembro 52 de muñeca, por
medio de una conexión giratoria 60. Se podrá apreciar que los
extremos libres 11, 13 de las partes 58.1, 58.2 pueden desplazarse
angularmente alrededor de la conexión giratoria 60, acercándose y
alejándose entre sí, como indican las flechas 62, 63. Se podrá
apreciar también que los miembros 58.1, 58.2 pueden desplazarse
angularmente alrededor de la conexión giratoria 60 para cambiar la
orientación del efector final 58 como un todo, con relación al
miembro 52 de muñeca. Así, cada parte 58.1, 58,2 puede desplazarse
angularmente alrededor de la conexión giratoria 60
independientemente una de la otra, de manera que el efector final
58, como un todo, puede desplazarse angularmente alrededor de la
conexión giratoria 60, como se indica con las líneas de puntos de la
figura 5. Además, el cuerpo 14.1 está montado giratoriamente sobre
el alojamiento 53 para girar como indican las flechas 59. Así, el
efector final 58 tiene tres grados de libertad de movimientos con
relación al brazo 12, que son, la rotación alrededor del eje 14.2,
como indican las flechas 59, el desplazamiento angular como un todo
alrededor del pivote 60 y el desplazamiento angular alrededor del
pivote 54, como indican las flechas 56. Al desplazar el efector
final dentro de sus tres grados de libertad de movimientos, puede
variarse selectivamente su orientación con relación al extremo 14.3
del cuerpo 14.1. Se apreciará que el movimiento del efector final
con relación al extremo 14.3 del cuerpo 14.1 está controlado por los
accionamientos colocados apropiadamente, por ejemplo, motores
eléctricos o similares, que responden a las entradas del control
maestro asociado para conducir el efector final 58 a una orientación
deseada según dictamina el movimiento del control maestro. Además,
se disponen unos sensores colocados apropiadamente, por ejemplo,
codificadores o potenciómetros o similares, para permitir al sistema
de control del sistema telequirúrgico mínimamente invasivo
determinar las posiciones de conexión como se describe con más
detalle a continuación.
En la figura 6C de los dibujos se indica uno de
los controles maestros 700, 700. En la figura 6A se indica una parte
sostenida con la mano o cardan de muñeca del dispositivo 700 de
control maestro y está indicada generalmente con la referencia
numérica 699. La parte 699 tiene una parte de brazo articulado que
incluye una pluralidad de miembros o enlaces 702 conectados
conjuntamente por medio de conexiones giratorias o juntas 704. El
cirujano agarra la parte 699 colocando su pulgar y su dedo índice
sobre una estructura 706 de pinza. El pulgar y el dedo índice del
cirujano están típicamente sostenidos en la estructura 706 de pinza
por medio de correas (no ilustradas) enroscadas en unas ranuras 710.
Cuando la estructura 706 de pinza es apretada entre el pulgar y el
dedo índice, los apéndices o elementos del efector final 58 se
cierran. Cuando se separa el pulgar del dedo índice, los apéndices
del efector final 58 se separan en conjunción con la separación de
la estructura 706 de pinza. Las conexiones de la parte 699 están
operativamente conectadas a los accionamientos, por ejemplo, motores
eléctricos o similares, para proporcionar por ejemplo, fuerza de
contra-reacción, compensación de la gravedad y/o
similares, como se describe con más detalle a continuación. Además,
sobre cada conexión 704 de la parte 699 hay situados unos sensores
colocados apropiadamente, por ejemplo codificadores o
potenciómetros, para permitir determinar por el sistema de control
las posiciones de conexión de la parte 699.
La parte 699 está típicamente montada sobre un
brazo articulado 712, como se indica en la figura 6B. La referencia
numérica 4 en las figuras 6A y 6B indica las posiciones en las
cuales la parte 699 y el brazo articulado 712 están conectados
conjuntamente. Cuando están conectados conjuntamente, la parte 699
puede desplazarse angularmente alrededor de un eje en 4.
El brazo articulado 712 incluye una pluralidad de
enlaces 714 conectados conjuntamente en las conexiones giratorias o
juntas 716. Se podrá apreciar que también el brazo articulado 712
tiene accionamientos colocados apropiadamente, por ejemplo, motores
eléctricos o similares, para proporcionar, por ejemplo, fuerza de
contra-reacción, compensación de la gravedad y/o
similares. Además, unos sensores situados apropiadamente, por
ejemplo, codificadores o potenciómetros o similares, están situados
sobre las conexiones 716 de manera que permiten determinar las
posiciones de la conexión del brazo articulado 712, por el sistema
de control, como se describe con más detalle a continuación.
Para mover la orientación del efector final 58
y/o su posición a lo largo de un camino de traslación, el cirujano
desplaza simplemente la estructura 708 de pinza para hacer que el
efector final 58 se desplace a donde quiere que esté el efector
final 58 en la imagen observada en el visor 202. Así, se hace que la
posición y orientación del efector final sigan a la de la estructura
706 de pinza.
Los dispositivos 700, 700 de control maestro
están típicamente montados sobre la estación 200 a través de
conexiones giratorias en 717, como se indica en la figura 6B. Como
se ha mencionado anteriormente, para manipular cada uno de los
dispositivos 700 de control maestro, el cirujano sitúa su pulgar y
dedo índice sobre la estructura 706 de pinza. La estructura 706 de
pinza está situada en un extremo libre de la parte 699 que, a su
vez, está montada sobre un extremo libre de la parte 712 del brazo
articulado.
Los motores eléctricos y los sensores asociados
con los brazos robotizados 12 y con los instrumentos quirúrgicos 14
montados sobre ellos, y los motores eléctricos y los sensores
asociados con los dispositivos 700 de control maestro, están
enlazados operativamente en el sistema de control. El sistema de
control incluye típicamente al menos un procesador, típicamente una
pluralidad de procesadores, para efectuar el control entre la
entrada del dispositivo de control maestro y la respuesta del brazo
robotizado y la salida del instrumento quirúrgico, y para efectuar
el control entre la entrada del brazo robotizado y el instrumento
quirúrgico y la salida de respuesta del control maestro, en el caso
por ejemplo de una fuerza de contra-reacción.
Durante el uso, y como se indica esquemáticamente
en la figura 7 de los dibujos, el cirujano observa el sitio
quirúrgico a través del visor 202. Se hace que el efector final 58
transportado por cada brazo 12 realice los movimientos de posición y
de orientación como respuesta al movimiento y a las entradas de
accionamiento de sus controles maestros asociados. Los controles
maestros están indicados esquemáticamente en 700, 700. Se podrá
apreciar que, durante un procedimiento quirúrgico, las imágenes de
los efectores finales 58 son capturadas por el endoscopio 304, junto
con el sitio quirúrgico, y son presentadas en el visor 202 de manera
que el cirujano ve los movimientos y acciones de respuesta de los
efectores finales 58 como si controlase tales movimientos y acciones
por medio de los dispositivos 700, 700 de control maestro. El
sistema de control está organizado para hacer que el movimiento de
orientación y de posición del efector final, como se ve en la imagen
del visor 202, tenga una correspondencia con el movimiento de
orientación y de posición de la estructura de pinza del control
maestro, como será descrito con mayor detalle a continuación.
A continuación se describirá con mayor detalle el
funcionamiento del sistema de control del aparato quirúrgico
mínimamente invasivo. En la descripción que sigue, se describirá el
sistema de control con referencia a un solo control maestro 700 y su
brazo robotizado 12 e instrumento quirúrgico 14 asociados. El
control maestro 700 será denominado simplemente "maestro" y su
brazo robotizado 12 e instrumento quirúrgico 14 asociados serán
denominados simplemente "esclavo".
Se describirá ahora el método por el que el
sistema de control consigue el control entre el movimiento maestro y
el correspondiente movimiento esclavo del aparato quirúrgico
mínimamente invasivo con referencia a las figuras 7 a 9 de los
dibujos de manera global. Después se describirá el método con más
detalle con referencia a las figuras 10 a 21 de los dibujos.
El control entre el movimiento maestro y el
esclavo se consigue comparando la posición y orientación del maestro
en un sistema de referencia visual de coordenadas cartesianas con la
posición y orientación en un sistema de referencia de coordenadas
cartesianas de la cámara. Para facilidad de comprensión y ahorro de
palabras, el término "sistema de referencia de coordenadas
cartesianas" será denominado simplemente como "marco" en el
resto de esta memoria. Consecuentemente, cuando el maestro está
estacionario, la posición y orientación del esclavo dentro del marco
de la cámara es comparado con la posición y orientación del maestro
en el marco visual, y si la posición y/u orientación del esclavo en
el marco de la cámara no se corresponden con la posición y/u
orientación del maestro en el cuadro visual, se hace que el esclavo
se desplace a una posición y/u orientación en el marco de la cámara
en la cual su posición y orientación en marco de la cámara se
corresponda con la posición y/u orientación del maestro en el marco
visual. En la figura 8, el marco de la cámara se indica generalmente
con la referencia numérica 610 y el marco visual se indica
generalmente con la referencia numérica 612 de la figura 9.
Cuando el maestro se desplaza a una nueva
posición y/u orientación en el marco visual 612, la nueva posición
y/u orientación del maestro no se corresponde con la posición y/u
orientación previamente correspondiente del esclavo en el marco 610
de la cámara. El sistema de control hace entonces que se desplace el
esclavo a una nueva posición y/u orientación en el marco 610 de la
cámara en la cual la nueva posición y/u orientación, su posición y/u
orientación en el marco 610 de la cámara se corresponde con la nueva
posición y/u orientación del maestro en el marco visual
612.
612.
Se apreciará que el sistema de control incluye al
menos uno, y típicamente una pluralidad, de procesadores que
calculan nuevas posiciones y orientaciones correspondientes del
esclavo como respuesta a órdenes de entrada de movimientos del
maestro, en una base continua, determinadas por la velocidad del
ciclo de proceso del sistema de control. Una velocidad típica del
ciclo de proceso del sistema de control bajo discusión es de
alrededor de 1300 Hz. Así, cuando el maestro se desplaza desde una
posición a la siguiente, el movimiento correspondiente deseado por
el esclavo para responder se calcula a alrededor de 1300 Hz.
Naturalmente, el sistema de control puede tener cualquier velocidad
del ciclo de proceso apropiada, dependiendo del procesador o
procesadores utilizados en el sistema de control. Todo el proceso de
servo-ciclo en tiempo real se lleva a cabo,
preferiblemente, en un chip de DSP (Procesador Digital de Señales).
Los DSP son preferibles debido a su predecibilidad y
reproducibilidad constantes del cálculo. Un procesador Sharc DSP de
la compañía Analog Devices, Inc. de Massachusetts es un ejemplo
aceptable de tal procesador para realizar las funciones descritas en
esta memoria.
El marco 610 de la cámara está situado de forma
tal que su origen 614 está situado en el extremo 306 de visión del
endoscopio 304. Convenientemente, el eje z del marco 610 de la
cámara se extiende axialmente a lo largo del eje 616 de visión del
endoscopio 304. Aunque en la figura 8 el eje 616 de visión se
muestra en alineación coaxial con un eje del cuerpo del endoscopio
304, debe apreciarse que el eje 616 de visión puede formar un ángulo
con respecto a él. Así, el endoscopio puede tener la forma de una
mira angulada. Naturalmente, los ejes x e y están situados en un
plano perpendicular al eje z. El endoscopio se puede desplazar
típicamente de forma angular alrededor del eje de su cuerpo. Los
ejes x, y y z son fijos con relación al eje de visión
del endoscopio 304, de manera que puede desplazarse angularmente
alrededor del eje del cuerpo en correspondencia con el
desplazamiento angular del endoscopio 304 alrededor del eje de su
cuerpo.
Para permitir que el sistema de control determine
la posición y orientación del esclavo, se define un marco sobre el
efector final 58 o unido a él. Este marco es denominado marco del
efector final o marco de la punta del esclavo, en el resto de esta
memoria, y está indicado generalmente con la referencia numérica
618. El marco 618 del efector final tiene su origen en la conexión
giratoria 60. Convenientemente, uno de los ejes, por ejemplo el eje
z, del marco 618, está definido de manera que se extiende a lo largo
de un eje de simetría, o similar, del efector final 58.
Naturalmente, los ejes x e y se extienden entonces
perpendicularmente al eje z. Se apreciará que la orientación del
esclavo está definida entonces porque la orientación del marco 618
tiene su origen en la conexión giratoria 60, con relación al marco
610 de la cámara. De forma similar, la posición del esclavo está
definida entonces por la posición del origen del marco en 60 con
relación al marco 610 de la cámara.
Haciendo referencia ahora a la figura 9 de los
dibujos, se elige el marco visual 612 de forma tal que su origen
corresponda con una posición 201 en la que los ojos del cirujano
están situados normalmente cuando está observando el sitio
quirúrgico en el visor 202. El eje z se extiende a lo largo de una
línea de visión del cirujano, indicada por el eje 620, cuando se
observa el sitio quirúrgico a través del visor 202. Naturalmente,
los ejes x e y se extienden perpendicularmente desde el eje z en el
origen 201. Convenientemente, se elige el eje y de manera que se
extienda generalmente vertical con relación al visor 202 y se elige
el eje x de manera que se extienda generalmente horizontal con
relación al visor 202.
Para permitir que el sistema de control determine
la posición y orientación del maestro dentro del marco 612 del
visor, se elige un punto en el maestro que define un origen de un
maestro o marco de la punta del maestro, indicada por la referencia
numérica 622. Se elige este punto en un punto de intersección
indicado por la referencia numérica 3A, entre los ejes de rotación 1
y 3 del maestro, como mejor puede verse en la figura 6A de los
dibujos. Convenientemente, el eje z del marco 622 del maestro, que
está sobre el maestro, se extiende a lo largo de un eje de simetría
de la estructura 706 de pinza que se extiende coaxialmente a lo
largo del eje 1 de rotación. Los ejes x e y se extienden entonces
perpendicularmente desde el eje 1 de simetría en el origen 3A.
Consecuentemente, la orientación del maestro dentro del marco visual
612 está definida por la orientación del marco 622 del maestro con
relación al marco visual 612. La posición del maestro en el marco
visual 612 está definida por la posición del origen 3A con relación
al marco visual 612.
A continuación se describirá cómo el sistema de
control determina la posición y orientación del esclavo dentro del
marco 610 de la cámara, con referencia a la figura 10 de los
dibujos. La figura 10 muestra un diagrama esquemático de uno de los
conjuntos de brazo robotizado 12 y del instrumento quirúrgico 14
montados sobre el carro 300. Sin embargo, antes de comenzar con una
descripción de la figura 10, es apropiado describir ciertos aspectos
mencionados previamente de la estación quirúrgica 300, que tienen un
impacto sobre la determinación de la orientación y posición del
esclavo con relación al marco 610 de la cámara.
Durante el uso, cuando se desea realizar un
procedimiento quirúrgico por medio del aparato quirúrgico
mínimamente invasivo, la estación quirúrgica 300 se desplaza en
estrecha proximidad del paciente que requiere el procedimiento
quirúrgico. El paciente está normalmente apoyado sobre una
superficie, tal como una mesa de operaciones, o similar. Para
permitir superficies de apoyo de altura variable, y para permitir
distintas posiciones de la estación quirúrgica 300 con relación al
sitio quirúrgico en el cual ha de realizarse el procedimiento
quirúrgico, la estación quirúrgica 300 está provista de la capacidad
para tener configuraciones variables de la instalación inicial.
Consecuentemente, los brazos robotizados 12, 12 y el brazo 302 del
endoscopio están montados sobre el carro deslizante 97 que es
ajustable en altura, como indican las flechas K, con relación a la
base 99 del carro 300, como mejor puede verse en las figuras 1B y 10
de los dibujos. Además, los brazos robotizados 12, 12 y el brazo 302
del endoscopio están montados sobre el carro deslizante 97 por medio
de los brazos 95 de conexión de instalación. Así, la posición y
orientación laterales de los brazos 12, 12, 302, pueden
seleccionarse moviendo los brazos 95 de conexión de instalación.
Así, en el inicio del procedimiento quirúrgico, el carro 300 se
desplaza a una posición en estrecha proximidad con el paciente, se
selecciona una altura apropiada del carro deslizante 97
desplazándolo a una altura apropiada con relación a la base 99 y se
desplazan los instrumentos quirúrgicos 14 con relación al carro
deslizante 97 para introducir los cuerpos de los instrumentos 14 y
el endoscopio 304 a través de las puertas de entrada y en posiciones
en las cuales los efectores finales 58 y el extremo 306 de
observación del endoscopio 304 están situados apropiadamente en el
sitio quirúrgico, y los fulcros son coincidentes con las puertas de
entrad. Una vez seleccionadas la altura y las posiciones, el carro
deslizante 97 queda enclavado a su altura apropiada y los brazos 95
de conexión de instalación quedan enclavados en sus posiciones y
orientaciones. Normalmente, en todo el proceso quirúrgico, el carro
deslizante 97 se mantiene a la altura seleccionada y, de forma
similar, se mantienen los brazos 95 de conexión de instalación en
sus posiciones seleccionadas. Sin embargo, si se desea, el
endoscopio o bien uno o ambos instrumentos pueden ser introducidos a
través de otras puertas de entrada durante el procedimiento
quirúrgico.
Volviendo ahora a la figura 10, se describirá
ahora la determinación por el sistema de control de la posición y
orientación del esclavo dentro del marco 610 de la cámara. Se
apreciará que esto se consigue por medio de uno o más procesadores
que tienen una velocidad específica del ciclo del proceso. Así,
donde es apropiado, cuando se hace referencia a la posición y
orientación en esta memoria, debe tenerse en cuenta que también se
determina fácilmente una velocidad correspondiente. El sistema de
control determina la posición y orientación del esclavo dentro del
marco 610 de la cámara, determinando la posición y orientación del
esclavo con relación a un marco 624 del carro, y determinando la
posición y orientación del endoscopio 304 con referencia al mismo
marco 624 del carro. El marco 624 del carro tiene un origen indicado
por la referencia numérica 626 en la figura 10.
Para determinar la posición y orientación del
esclavo con relación al marco 624 del carro, se determina la
posición de un marco 630 del fulcro que tiene su origen en el fulcro
49, dentro del marco 624 del carro, como se indica con la flecha 628
en líneas de puntos. Se apreciará que la posición del fulcro 49
permanece normalmente en el mismo lugar, coincidente con una puerta
de entrada al sitio quirúrgico, en todo el procedimiento quirúrgico.
La posición del marco 618 del efector final en el esclavo, que tiene
su origen en la conexión giratoria 60, se determina después con
relación al marco 630 del fulcro y también se determina la
orientación del marco 618 del efector final en el esclavo con
relación al marco 630 del fulcro. La posición y orientación del
marco 618 del efector final con relación al marco del carro se
determina después por medio de una rutina de cálculo utilizando
relaciones trigonométricas.
Se apreciará que el brazo robotizado 302 del
endoscopio 304 tiene restringido el movimiento de una manera similar
al brazo robotizado 10, como se indica esquemáticamente en la figura
4 de los dibujos. Así, el endoscopio 304, cuando está situado con su
extremo 306 de observación dirigido al sitio quirúrgico, define
también un fulcro coincidente con su puerta de entrada asociada al
sitio quirúrgico. El brazo 302 del endoscopio puede ser dirigido
para hacer que el endoscopio 304 se desplace hacia una posición
diferente durante un procedimiento quirúrgico, para permitir que el
cirujano vea el sitio quirúrgico desde una posición diferente en el
curso de la realización del procedimiento quirúrgico. Se apreciará
que se efectúa un movimiento del extremo 306 de observación del
endoscopio 304 variando la orientación del endoscopio 304 con
relación a su centro de giro o fulcro. La posición y orientación del
marco 610 de la cámara dentro del marco 624 del carro, se determina
de una manera similar a la de la posición y orientación del esclavo
dentro del marco 624 del carro. Cuando la posición y orientación del
marco 610 de la cámara con relación al marco 624 del carro, y la
posición y orientación del esclavo con relación al marco 624 del
carro han sido determinadas de esta manera, se puede determinar
fácilmente la posición y orientación del esclavo con relación al
marco 610 de la cámara por medio de una rutina de cálculo utilizando
relaciones trigonométricas.
A continuación se describirá cómo el sistema de
control determina la posición y orientación del maestro dentro del
marco 612 del visor, con referencia a la figura 11 de los dibujos.
La figura 11 muestra un diagrama esquemático de uno de los controles
maestros 700 en la estación 200 de operador.
La estación 200 de operador incluye también,
opcionalmente, brazos de conexión de instalación, como se indica con
el número 632, para permitir variar la situación general de los
maestros 700, 700 para que se adapten al cirujano. Así, la posición
general de los maestros 700, 700 puede ser variada selectivamente
para llevar los maestros 700, 700 a una posición general en la cual
están cómodamente situados para el cirujano. Cuando los maestros
700, 700 están así cómodamente colocados, los brazos 632 de conexión
de instalación están enclavados en su posición y se mantienen
normalmente en esa posición en todo el procedimiento quirúrgico.
Para determinar la posición y orientación del
maestro 700, como se indica en la figura 11, dentro del marco visual
612, se determina la posición y orientación del marco visual 612 con
relación al marco 634 de la estación del cirujano y la posición y
orientación del maestro 700 con relación al marco 634 del cirujano.
El marco 634 de la estación del cirujano tiene su origen en un lugar
que es normalmente estacionario durante el procedimiento quirúrgico
y está indicado en 636.
Para determinar la posición y orientación del
maestro 700 con relación al marco 634 de la estación, se determina
una posición del marco 640 de instalación del maestro en un extremo
de los brazos 632 de conexión de instalación sobre el cual está
montado el maestro, con relación al marco 636 de la estación, como
indica la flecha 638 en líneas de puntos. Se determina entonces la
posición y orientación del marco 622 del maestro sobre el maestro
700, que tiene su origen en 3A, con relación al marco 640 de
instalación del maestro. De esta manera, puede determinarse la
posición y orientación del marco 622 del maestro con relación al
marco 634, por medio de una rutina de cálculo utilizando relaciones
trigonométricas. La posición y orientación del marco visual 612 con
relación al marco 634 de la estación se determinan de una manera
similar. Se apreciará que la posición del visor 202 con relación al
resto de la consola 200 del cirujano puede ser variada
selectivamente para adaptarse al cirujano. La posición y orientación
del marco 622 del maestro con relación al marco visual 612 pueden
ser determinadas entonces a partir de la posición y orientación del
marco 622 del maestro y del marco visual 612, con relación al marco
634 de la estación del cirujano, por medio de una rutina de cálculo
utilizando relaciones trigonométricas.
En la manera descrita anteriormente, el sistema
de control del aparato quirúrgico mínimamente invasivo determina la
posición y orientación del efector final 58 por medio del marco 618
del efector final en el marco 610 de la cámara y, de igual manera,
determina la posición y orientación del maestro por medio del marco
622 del maestro con relación al marco visual 612.
Como se ha mencionado, el cirujano agarra el
maestro situando su pulgar y dedo índice sobre la estructura 706 de
pinza. Cuando el pulgar y el dedo índice del cirujano están situados
sobre la estructura de pinza, el punto de intersección 3A está
situado hacia el interior de las puntas de los dedos pulgar e
índice. El marco del maestro, que tiene su origen en 3A, tiene una
correspondencia efectiva con el marco 618 del efector final, que
tiene su origen en la conexión giratoria 60 del efector final 58,
según la ve el cirujano en el visor 202. Así, cuando se realiza el
procedimiento quirúrgico, y el cirujano manipula la posición y
orientación de la estructura 706 de pinza, para hacer seguir la
posición y orientación del efector final 58, al cirujano le aparece
su pulgar y dedo índice en correspondencia con los apéndices del
efector final 58, y la conexión giratoria 60 del efector final 58 se
corresponde con un punto de giro virtual del pulgar y del dedo
índice del cirujano hacia el interior de las puntas del pulgar y del
dedo índice. Se apreciará que, dependiendo de la configuración real
de la estructura de pinza, en particular del punto de intersección
de los ejes 1 y 3 con relación a la posición de la estructura 706 de
pinza, el marco 622 del maestro 700 puede ser descentrado de la
intersección 3A de manera que se acerque a un punto con relación a
la mano del cirujano, en cuyo punto se corresponde aproximadamente
la conexión giratoria 60.
Consecuentemente, a medida que se realiza el
procedimiento quirúrgico, la posición y orientación de los apéndices
del efector final siguen los cambios de orientación y posición del
pulgar y dedo índice del cirujano de una manera intuitiva o
superpuesta natural. Además, el accionamiento del efector final 58,
que hace que los apéndices del efector final se abran y cierren
selectivamente, se corresponde intuitivamente con la abertura y
cierre del pulgar y dedo índice del cirujano. Así, el cirujano
efectúa el accionamiento del efector final 58 según se ve en el
visor 302, de una manera intuitiva natural, ya que el punto de giro
60 del efector final 58 se tiene aproximadamente una correspondencia
con el punto de giro virtual entre el pulgar y dedo índice del
cirujano.
Se apreciará que el marco 618 del efector final
puede estar descentrado, donde sea apropiado, con relación a la
conexión 60 de giro. Así, por ejemplo, si el efector final (como se
muestra en la pantalla) tiene apéndices de una longitud
relativamente larga, el origen del marco del efector final puede
estar descentrado en una dirección que va hacia las puntas de los
apéndices del efector final. Se apreciará también que utilizando los
descentramientos de posición y/u orientación entre el marco 622 del
maestro y la intersección 3A, así como entre el marco 618 del
efector final y la conexión giratoria 60, la correspondencia entre
la estructura 706 de pinza y el efector final 58 puede ser
desplazada, por ejemplo para efectuar una correspondencia entre las
puntas de la estructura de pinza y las puntas del efector final.
Estas correspondencias alternativas están ilustradas en la figura
11A.
Generalmente, un primer elemento 706A de la pinza
estará, preferiblemente, sustancialmente conectado a un primer
elemento 58.1 del efector final, mientras que un segundo elemento
706B de la pinza estará sustancialmente conectado a un segundo
elemento 58.2 del efector final. Opcionalmente, el punto 3A (que
está idealmente cerca del centro de rotación de la estructura de
cardan del maestro 700, 706A y 706B), contiguo a la conexión
giratoria entre los elementos de la pinza, puede estar
sustancialmente conectado con la conexión giratoria 60 del esclavo.
Esto proporciona también efectivamente una conexión sustancial entre
el punto de giro en la mano H del cirujano y la conexión giratoria
60, ya que el cirujano asirá a menudo el maestro con el punto de
giro de la mano (en la base del dedo y del pulgar del cirujano)
dispuesto a lo largo del punto de giro de la pinza.
Alternativamente, el punto central MPI, dispuesto entre las puntas
de los elementos de la pinza, puede estar sustancialmente conectado
al punto central MP2 dispuesto entre las puntas de los elementos del
efector final. Cada uno de los niveles de conexión más altos
descritos en esta memoria puede ser proporcionado opcionalmente por
esta correspondencia.
Las figuras 11B y C ilustran más claramente los
correspondientes puntos de la correspondencia entre el mango del
controlador maestro y el efector final del esclavo, mientras que la
figura 11C ilustra esquemáticamente los pasos del método para
seleccionar estos puntos correspondientes de la correspondencia. En
general, pueden acomodarse efectores finales intercambiables que
tengan longitudes diferentes de los elementos del efector final,
mediante la variación del punto de correspondencia del mango o del
efector final. Tal variación en los puntos de correspondencia puede
utilizarse cuando la magnificación de la imagen ilustrada en la
pantalla cambia significativamente. Por ejemplo, puede ser apropiada
una conexión sustancial de la conexión giratoria 60 del efector
final y la intersección 3A del mango, cuando se muestra el efector
final con una primera magnificación, pero puede ser inapropiada
cuando se aumenta significativamente la magnificación del efector
final, o cuando se une al esclavo un efector final alternativo que
tenga elementos más largos del efector final. En cualquiera de esas
circunstancias, puede ser apropiado alterar la interacción
maestro/esclavo para conectar sustancialmente el punto central MP2
del maestro con el punto central MP1' del efector final, como se
ilustra en la figura 11B.
Como asunto preliminar, es beneficioso en los
sistemas quirúrgicos robotizados, proporcionar un controlador
maestro que tenga un punto de cardan GP contiguo al mango que ha de
asir el cirujano. Esto evita una inercia grande del maestro cuando
el cirujano gira el mango con rapidez, como ocurre frecuentemente
durante los procedimientos quirúrgicos. Al tener un maestro que
tiene múltiples grados de libertad que forman una intersección en el
punto de cardan GP (idealmente teniendo tres grados de libertad en
la orientación que forman una intersección en el punto de cardan), y
teniendo un punto de cardan coincidente con el mango, la inercia de
los movimientos giratorios rápidos puede ser bastante baja.
Como se ha descrito anteriormente, es beneficioso
a menudo coordinar los movimientos del esclavo de manera que una
imagen de la conexión giratoria 60 del esclavo aparezca
sustancialmente conectada al punto de giro 3A de la estructura de
pinza entre la pinza o elementos de agarre 706A, 706B. Sin embargo,
cuando los elementos 58.1, 58.2 del efector final se extienden a una
distancia considerable más allá de la conexión giratoria 60 (como se
ilustra en la pantalla contigua al controlador maestro), el cirujano
puede sentir que la manipulación de estos largos elementos del
efector final, desde la conexión giratoria distante, se hace
complicada. De forma similar, cuando se manipula un solo elemento de
efector final, tal como un escalpelo, que es mucho más largo (como
se presenta en la estación de control maestro) que el mango del
maestro, el cirujano puede tener la impresión de cortar con una
espada de empuñadura larga, en lugar de un escalpelo de fácil
control. Como se ha descrito anteriormente, una alternativa para
superar una disparidad complicada en las longitudes de la
empuñadura/efector final, es efectuar una correspondencia entre el
espacio de trabajo quirúrgico y el espacio de trabajo del maestro,
de manera que los puntos centrales MP1, MP2 entre los extremos de la
mordaza del efector final y los extremos del miembro de empuñadura
del mango quedan sustancialmente conectados. Al hacer la
correspondencia entre los espacios de trabajo quirúrgico y maestro,
de manera que estos puntos centrales queden sustancialmente
conectados, el cirujano puede coordinar el movimiento utilizando el
efector final a pesar de las diferencias significativas de la
longitud entre los elementos del efector final y los elementos de
agarre.
No es necesario que el punto de la
correspondencia esté limitado a un punto en particular. En el
ejemplo de modo de realización, se define generalmente un eje
central de los miembros de agarre, MAG, a mitad de camino entre los
elementos 706A, 706B de la pinza, mientras que se define un eje
central similar del efector final, MAE, a mitad de camino entre los
elementos 58.1, 58.2 del efector final. El punto de la
correspondencia (o punto de conexión sustancial) del maestro estará
dispuesto, preferiblemente, a lo largo del eje central de agarre,
MAG, idealmente en un recorrido que va desde la intersección 3A al
punto central MP2. De forma similar, el punto de correspondencia o
de conexión sustancial del efector final estará dispuesto,
preferiblemente, a lo largo del eje central MAE, idealmente en un
recorrido desde la conexión giratoria 60 al punto central MP1.
La figura 11C ilustra esquemáticamente un método
para determinar el lugar de los puntos de correspondencia
sustancialmente conectados a lo largo del mango y del efector final.
En primer lugar, se revisa la situación de la mano del cirujano a lo
largo del mango del maestro, para determinar la posición de los
dedos del cirujano con relación al punto de cardan GP. En un modo de
realización, la distancia de descentramiento entre un lugar de las
puntas de los dedos del cirujano y el punto de cardan GP define una
distancia de descentramiento. Esta distancia de descentramiento es
escalada utilizando un factor de escalación, típicamente utilizando
una relación entre una longitud de los miembros de agarre y la
longitud de los elementos del efector final, una magnificación de la
presentación, o similar. Por ejemplo, utilizando números típicos del
ejemplo del sistema quirúrgico robotizado, la distancia de
descentramiento es escalada multiplicándola por un tercio, ya que
los miembros de agarre tienen típicamente una longitud de alrededor
de tres veces las longitudes de los elementos del efector final.
Este factor de escalación puede cambiar con los cambios de
herramientas (cuando se utilizan efectores finales que tienen
elementos de efector final más largos o más cortos), o similares. La
situación de los puntos de correspondencia en el esclavo pueden ser
calculados, por ejemplo, en un descentramiento de posición desde el
punto central MP1 hacia la conexión giratoria 60, a lo largo del eje
central MAE del efector final por la distancia escalada de
descentramiento. Este punto de correspondencia del efector final
puede estar sustancialmente conectado al punto de cardan GP del
maestro.
Se apreciará que el marco 624 del carro puede ser
elegido en cualquier lugar conveniente en el cual su origen
corresponda con un lugar del carro 300 que no varíe con relación a
su base 99. El marco 634 de la estación del cirujano puede ser
elegido igualmente en cualquier lugar conveniente tal que su origen
esté situado en una posición que no varíe con relación a una base
642 del mismo. Además, para determinar la posición y orientación del
marco 610 de la cámara con relación al marco 624 del carro, se puede
hacer uso de una pluralidad de caminos intermedios del marco
diferentes. Para determinar la posición y orientación del marco 618
del efector final, con relación al marco 624 del carro, se puede
hacer uso también de una pluralidad de caminos intermedios del marco
diferentes.
Sin embargo, se ha averiguado que si los caminos
intermedios del marco fueran elegidos apropiadamente, el sistema de
control quedaría dispuesto para ser fácilmente adaptable para
acomodar la sustitución modular de partes modulares que tengan
características diferentes a las partes modulares que se están
sustituyendo. Se apreciará que al seleccionar marcos intermedios,
también se facilita el proceso de cálculo implicado en la
determinación de la posición y orientación del maestro y del
esclavo.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 10 de
los dibujos, el marco del carro se elige en 624, como ya se ha
mencionado. Se apreciará que la determinación de la posición del
marco 630 del fulcro, con relación al marco 624 del carro, se
consigue mediante sensores situados apropiadamente, tales como
potenciómetros, codificadores o similares. Convenientemente, la
posición 630 del marco del fulcro, con relación al marco 624 del
carro, se determina a través de dos marcos intermedios. Uno de los
marcos es el marco 644 de la guía del carro deslizante, que tiene su
origen en un lugar conveniente sobre una guía, a lo largo de la cual
es guiado el carro deslizante 97. El otro marco, un marco de
plataforma del brazo indicado como 646, está situado en un extremo
del brazo 95 de conexión de instalación, sobre el cual está montado
el brazo robotizado 12. Así, cuando se determina la posición y
orientación del esclavo con relación al marco 624 del carro, se
determina la posición del marco 644 de la guía del carro deslizante,
con relación al marco 624 del carro, después la posición del marco
646 de la plataforma con relación al marco 644 de la guía del carro
deslizante, después el marco 630 del fulcro con relación al marco
646 de la plataforma, y después la orientación y posición del
esclavo con relación al marco 630 del fulcro, para determinar así la
posición y orientación del esclavo con relación al marco 624 del
carro. Se apreciará que la posición y orientación del esclavo con
relación al marco 624 del carro se determina de esta manera para
cada brazo 10 y de una forma similar para el marco 610 de la cámara,
a través de su brazo 302, con relación al marco 624 del carro.
Haciendo referencia a la figura 11, se determina
la posición y orientación del control maestro determinando la
posición de un marco 648 de la base con relación al marco 648 de la
estación del cirujano, determinando después la posición del marco
640 de la plataforma con relación al marco 640 de la base, y
determinando después la posición y orientación del maestro con
relación al marco 640 de la plataforma. La posición y orientación
del marco 622 del maestro con relación al marco 634 de la estación
del cirujano se determina después fácilmente por medio de una rutina
de cálculo utilizando relaciones trigonométricas. Se apreciará que
la posición y orientación del otro marco del maestro con relación al
marco 634 de la consola del cirujano se determina de una manera
similar.
Haciendo referencia a la figura 10, eligiendo los
marcos como se ha descrito, la conexión 95 de instalación puede ser
sustituida por otra conexión de instalación al tiempo que se utiliza
el mismo brazo robotizado. El sistema de control puede ser
programado entonces con información, por ejemplo, longitudes de
brazos y/o similares, relativa solamente a la nueva conexión de
instalación. De forma similar, el brazo robotizado 10 puede ser
sustituido por otro brazo, requiriendo entonces el sistema de
control una programación con información, por ejemplo, la posición
del fulcro y/o similar, relativa solamente al nuevo brazo
robotizado. Se apreciará que, de esta manera, el brazo 302 del
endoscopio y su conexión de instalación asociada, puede ser
sustituido también independientemente, requiriendo entonces el
sistema de control una programación de información relativa
solamente a la parte que se sustituye. Además, haciendo referencia a
la figura 11, la conexión de instalación y el control maestro pueden
ser sustituidos también independientemente, requiriendo entonces el
sistema de control una programación de información relativa
solamente a las características de la parte nueva.
La figura 12 ilustra esquemáticamente una
arquitectura de control de alto nivel para un sistema robotizado
1000 de maestro/esclavo. Comenzando en la entrada del operador, un
cirujano 1002 desplaza un dispositivo de entrada de un manipulador
1004 del maestro aplicando fuerzas f_{h} manuales o humanas contra
el dispositivo de entrada. Los codificadores del manipulador 1004
del maestro generan señales e_{m} del codificador del maestro que
son interpretadas por un procesador 1006 de entrada/salida del
maestro, para determinar las posiciones \theta_{m} de la
conexión del maestro. Las posiciones de la conexión del maestro son
utilizadas para generar las posiciones cartesianas del dispositivo
de entrada del maestro, x_{m}, utilizando un modelo cinemático
1008 del maestro.
Comenzando ahora con la entrada desde el entorno
quirúrgico 1018, las estructuras del tejido en el espacio de trabajo
quirúrgico impondrán unas fuerzas f_{e} contra un efector final
quirúrgico (y posiblemente contra otros elementos de la herramienta
y/o del manipulador). Las fuerzas ambientales f_{e} del entorno
quirúrgico 1018 alteran la posición del esclavo 1016, alterando así
los valores e_{s} del codificador del esclavo transmitidos al
procesador 1014 de entrada/salida del esclavo. El procesador 1014 de
entrada/salida del esclavo interpreta los valores del codificador
del esclavo para determinar las posiciones \theta_{s} de la
conexión, que se utilizan después para generar las señales x_{s}
de posición del esclavo, de acuerdo con el bloque 1012 de proceso de
la cinemática del esclavo.
Las posiciones cartesianas x_{m}, x_{s} del
maestro y del esclavo son introducidas en el controlador bilateral
1010, que utiliza estas entradas para generar las fuerzas
cartesianas deseadas para ser aplicadas por el esclavo, f_{s}, de
manera que el cirujano pueda manipular el esclavo como desee para
realizar un procedimiento quirúrgico. Además, el controlador
bilateral 1010 utiliza las posiciones cartesianas del maestro y del
esclavo, x_{m}, x_{s}, para generar las fuerzas cartesianas
deseadas para ser aplicadas por el maestro, f_{m}, para
proporcionar la contra-reacción de fuerzas al
cirujano.
En general, el controlador bilateral 1010
generará las fuerzas del esclavo y del maestro, f_{s}, f_{m},
estableciendo la correspondencia de la posición cartesiana del
maestro en el espacio de trabajo del controlador maestro, con la
posición cartesiana del efector final en el espacio de trabajo
quirúrgico, de acuerdo con una transformación. Preferiblemente, el
sistema 1000 de control obtendrá la transformación como respuesta a
las señales variables de estado proporcionadas por el sistema de
imágenes, de manera que una imagen del efector final en la pantalla
aparece sustancialmente conectada al dispositivo de entrada. Estas
variables de estado indicarán generalmente la posición cartesiana
del campo de visión del dispositivo de captura de imágenes, como la
proporcionan los manipuladores del esclavo que dan apoyo al
dispositivo de captura de imágenes. Por tanto, es beneficioso el
acoplamiento del manipulador de captura de imágenes y el manipulador
del efector final esclavo para obtener esta transformación.
Claramente, el controlador bilateral 1010 puede ser utilizado para
controlar más de un brazo esclavo, y/o puede estar provisto de
entradas adicionales.
Basándose generalmente en la diferencia de
posición entre el maestro y el esclavo en el espacio de trabajo de
correspondencia, el controlador bilateral 1010 genera una fuerza
cartesiana esclava f_{s} para hacer que el esclavo siga a la
posición del maestro. La cinemática 1012 del esclavo se utiliza para
interpretar las fuerzas cartesianas esclavas f_{s} y generar los
pares de la conexión del esclavo, \tau_{s}, que darán como
resultado las fuerzas deseadas en el efector final. El procesador
1014 de entrada/salida del esclavo utiliza estos pares de la
conexión para calcular las corrientes i_{s} del motor del esclavo,
que vuelven a colocar el esclavo x_{e} dentro del sitio de trabajo
quirúrgico.
Las fuerzas de contra-reacción
deseadas desde el controlador bilateral son interpretadas de forma
similar a partir de la fuerza cartesiana sobre el maestro, f_{m},
basándose en la cinemática 1008 del maestro, para generar pares de
conexión, \tau_{s}, del maestro. Los pares de conexión del
maestro son interpretados por el controlador 1006 de entrada/salida
del maestro para proporcionar la corriente i_{m} del motor del
maestro al manipulador 1004 del maestro, que cambia la posición del
dispositivo de entrada x_{h} sostenido con la mano del
cirujano.
Se reconocerá que el sistema 1000 de control
ilustrado en la figura 12 es una simplificación. Por ejemplo, el
cirujano no solamente aplica fuerzas contra el dispositivo de
entrada del maestro, sino que mueve también el mango dentro del
campo de trabajo del maestro. De forma similar, la corriente de
motor suministrada a los motores del manipulador maestro puede no
dar como resultado ningún movimiento si el cirujano mantiene la
posición del controlador maestro. No obstante, las corrientes del
motor dan como resultado una fuerza táctil de
contra-reacción al cirujano basándose en las fuerzas
aplicadas al esclavo por el entorno quirúrgico. Además, aunque es
preferible una correspondencia de coordenadas cartesianas, el uso de
marcos esféricos, cilíndricos u otros marcos de referencia, puede
proporcionar al menos algunas de las ventajas de la invención.
Se describirán ahora otros aspectos del sistema
de control del aparato quirúrgico mínimamente invasivo, con
referencia a la figura 12A.
La figura 12A indica los pasos de control por los
que el sistema de control del aparato quirúrgico mínimamente
invasivo determina la posición y orientación del esclavo, es decir,
la posición y orientación del marco 618 del efector final en el
marco 610 de la cámara.
La posición o descentramientos del marco 644 de
la guía del carro deslizante con relación al marco 624 del carro
están indicados en 621. Los descentramientos en 621 son alimentados
a través de un bloque cinemático de avance (FKIN) en 623, para
producir las correspondientes coordenadas cartesianas del marco 644
con relación al marco 624 del carro.
Los sensores 625 asociados operativamente con el
brazo 95 de conexión de instalación y los sensores que determinan la
altura del carro deslizante 97, son leídos por un procesador 627
para determinar las posiciones de traslación y de la conexión. Las
posiciones de traslación y de conexión son introducidas después en
un bloque 629 FKIN para determinar las correspondientes coordenadas
cartesianas. En 631, las coordenadas cartesianas del marco 644 de la
guía del carro deslizante con relación al marco 624 del carro, y las
coordenadas cartesianas del marco 646 de la plataforma con relación
al marco 644 del carro deslizante son utilizadas para determinar las
coordenadas cartesianas del marco 646 de la plataforma con relación
al marco 624 del carro.
Como la posición del fulcro 49 con relación al
marco 646 de la plataforma no cambia, un descentramiento relativo al
marco 646 de la plataforma, indicado en 633, es introducido en el
controlador FKIN en 635 para producir las coordenadas cartesianas
del marco 630 del fulcro con relación al marco 646 de la plataforma.
Se apreciará que, donde sea apropiado, el término controlador FKIN
ha de interpretarse como que incluye una matriz de conversión y unas
relaciones cinemáticas apropiadas. En 637, las coordenadas
cartesianas del marco 630 del fulcro con relación al marco 624 del
carro, están determinadas por medio de los valores determinados en
631 y 635, respectivamente.
Se apreciará que, de forma similar, las
coordenadas cartesianas del fulcro del endoscopio se determinan con
relación al marco 624 del carro. Esto está indicado en 639.
Como se ha mencionado, la posición y orientación
del endoscopio 304 pueden ser variadas. La posición y orientación
del endoscopio 304 pueden ser variadas durante la instalación del
carro 300 antes de que comience el procedimiento quirúrgico, o
durante la realización de un procedimiento quirúrgico si el cirujano
desea observar el sitio quirúrgico desde un lugar diferente.
Para permitir que el sistema de control determine
la posición y orientación del endoscopio con relación al marco 624
del carro, de disponen unos sensores sobre su brazo asociado 302.
Estos sensores, indicados en 641, son leídos por un procesador en
643 para determinar las posiciones de la conexión. Las posiciones de
la conexión así determinadas son alimentadas en un controlador FKIN
en 645, junto con las coordenadas cartesianas determinadas en 639,
para determinar la orientación y posición del endoscopio con
relación al marco 624 del carro. Estos valores son introducidos
después en 647 junto con los valores determinados en 637, para
permitir que el marco 630 del fulcro del esclavo sea determinado con
relación al marco 610 de la cámara.
Durante el curso del procedimiento quirúrgico, la
orientación y posición del esclavo es normalmente cambiante
constantemente. Las posiciones y velocidades variables de la
conexión son alimentadas en un controlador FKIN en 653, junto con
los valores de coordenadas cartesianas de la posición del esclavo
con relación al marco de la cámara determinada en 647, para obtener
la posición cartesiana y la velocidad del esclavo, es decir, el
marco 618 del efector final, con relación al marco 610 de la cámara,
como se indica por las flechas 655, 657, respectivamente. Para
ahorrar palabras, la posición cartesiana ha de interpretarse que
incluye la orientación cartesiana en el resto de esta memoria, donde
sea apropiado. Las posiciones y las velocidades variables de la
conexión son alimentadas en el bloque 653 FKIN de un dominio de
simulación, como se describe con más detalle a continuación.
Haciendo referencia ahora a la figura 13, se
describirá ahora la posición y orientación del maestro con relación
al marco 612 del visor.
El marco 648 de la base no cambia normalmente con
relación al marco 634 de la estación del cirujano. De forma similar,
el marco en 640 no cambia normalmente con relación al marco 648 de
la base. Como se ha mencionado, las conexiones de instalación pueden
disponerse opcionalmente en 632 si se desea. Por razones de claridad
de la descripción que sigue, la posición del marco en 640 con
relación al marco 648 de la base se supone que es inmutable.
Naturalmente, si se disponen los brazos de conexión de instalación
en 632, se dispondrían unos sensores apropiados para permitir
determinar la posición del marco en 640 con relación al marco en
648.
Haciendo referencia ahora a la figura 13, se
alimentan los descentramientos que determinan la posición del marco
648 con relación al marco 634 de la estación del cirujano, como se
indica en 659, a través de un controlador 665 FKIN para obtener las
coordenadas cartesianas del marco 648 de la base con relación al
marco 634 de la estación de cirujano. De forma similar, se alimentan
los descentramientos relativos a la posición del marco 640 con
relación a la posición del marco 648 de la base, como se indica en
661, a través de un controlador FKIN en 663 para obtener las
coordenadas cartesianas del marco 640 con relación al marco 648 de
la base. A partir de los valores obtenidos en 665, 663, se
determinan las coordenadas cartesianas del marco 640 con relación al
marco 634 de la estación del cirujano, en 667.
Los descentramientos en 697 relativos al marco de
la base del visor, no indicados en la figura 11, son alimentados a
través de un controlador FKIN en 669 para obtener las
correspondientes coordenadas cartesianas del marco de la base con
relación al marco 634. El visor 202 puede ser ajustable en posición
con relación al resto de la estación 200 del operador. Para permitir
la determinación de una posición del visor con relación al marco de
la base del visor, se disponen unos sensores 671 situados
apropiadamente. Las lecturas desde estos sensores en 671 son
procesadas en 673 para determinar las posiciones de la conexión o de
la traslación que son alimentadas después a través de un controlador
FKIN en 675 para obtener las coordenadas cartesianas del marco del
visor con relación al marco de la base del visor. En 667, se
determina la posición del marco del visor en coordenadas cartesianas
con relación al marco 634 de la estación del cirujano, a partir de
los valores obtenidos en 669 y 675, respectivamente.
Los descentramientos correspondientes a la
posición de los ojos del cirujano con relación al marco del visor en
679, son alimentados a través de un controlador FKIN en 681 para
obtener las coordenadas cartesianas de la posición de los ojos del
cirujano con relación marco del visor. En 683, los valores de 677 y
681 son utilizados para determinar el marco 612 del ojo del cirujano
con relación al marco 634 de la estación del cirujano.
En 685, se utilizan los valores de 667 y 683 para
determinar la posición del marco 640 con relación al marco 612 del
ojo.
Naturalmente, la posición y orientación del
maestro con relación al marco 612 del ojo está cambiando
continuamente durante el curso de un procedimiento quirúrgico. Los
sensores del maestro 700, indicados en 687, son leídos por un
procesador en 689 para determinar la posición y la velocidad de la
conexión del maestro. Estos valores de posición y velocidad de la
conexión son alimentados a través de un controlador FKIN en 691,
junto con el valor obtenido en 685, para obtener los valores
cartesianos de posición y velocidad del maestro 693, 695, con
relación a la posición y velocidad cartesianas del marco del maestro
622, con relación al marco 612 del ojo.
Al comenzar un procedimiento quirúrgico, se fija
una posición inicial del maestro 700 para que se corresponda con una
posición inicial del esclavo. De ahí en adelante, cuando el maestro
700 se mueve, el sistema de control supervisa tal movimiento y
ordena al esclavo que siga al movimiento del maestro. Así, al inicio
de un procedimiento quirúrgico, el marco 618 del esclavo en la
conexión giratoria 60, con relación a su marco 610 de referencia en
un extremo 306 de visión del endoscopio 304, en la posición inicial,
se corresponde con el marco 622 del maestro con relación a su marco
612 de referencia del ojo en su posición inicial. De forma similar,
el sistema hace corresponder una orientación inicial del marco 622
de la estructura de pinza con una orientación inicial del marco 618
del efector final. Así, la orientación del marco 618 del efector
final es obligada a seguir la orientación del marco 622 del maestro.
No es necesario que la posición y orientación del esclavo en el
marco 610 de la cámara que se corresponda idénticamente con la
posición y orientación del maestro en el marco 612 del ojo.
Consecuentemente, pueden introducirse descentramientos relativos a
la orientación y posición del marco 618 del efector final con
relación al marco 610 de la cámara, para definir una posición y
orientación arbitrarias del marco del efector final que se
correspondan con una posición y orientación del marco 622 del
maestro en el marco 612 del ojo. Se apreciará que el sistema de
control puede determinar fácilmente la orientación y posición del
marco 618 del efector final con relación al marco 610 de la cámara
en el cual deben corresponderse con las del marco del maestro con
relación al marco del ojo, por medio de los marcos y
descentramientos descritos anteriormente. Así, incluso en el
transcurso de un procedimiento quirúrgico, si se interrumpe el
control entre el maestro y el esclavo y el endoscopio se desplaza,
uno o ambos instrumentos quirúrgicos son vueltos a colocar a través
de distintas puertas de entrada, o se cambian las posiciones del
maestro en la consola del cirujano, o similar, puede conseguirse
fácilmente el restablecimiento de una correspondencia del esclavo
con relación al maestro en sus respectivos marcos de la cámara y del
ojo, por medio del sistema de control.
Se describirá ahora con más detalle el sistema de
control, indicado generalmente con la referencia numérica 810, con
referencia a la figura 14 de los dibujos, en la cual se utilizan
referencias numéricas similares para designar partes o aspectos
similares, a menos que se afirme lo contrario.
Como se ha mencionado anteriormente, el control
maestro 700 tiene sensores, por ejemplo codificadores o
potenciómetros o similares, asociados con él para permitir que el
sistema de control 810 determine la posición del control maestro 700
en el espacio de la conexión, a medida que se desplaza desde una
posición a la posición siguiente sobre una base continua durante el
curso de la realización de un procedimiento quirúrgico. En la figura
14, las señales de estos sensores de posición están indicadas con la
flecha 814. Las lecturas de posición medidas por los sensores en 687
son leídas por el procesador indicado en 689 (véase la figura 13).
Se apreciará que como el control maestro 700 incluye una pluralidad
de conexiones que conectan un miembro del brazo del mismo con el
siguiente, se disponen suficientes sensores de posición en el
maestro 700 para permitir determinar la posición angular de cada
brazo con relación al miembro del brazo al cual está unido, para
permitir con ello la determinación de la posición y orientación del
marco 622 del maestro en el propio maestro. Como las posiciones
angulares de un miembro del brazo, con relación al miembro del brazo
con el cual está conectado, son leídas cíclicamente por el
procesador 689, como respuesta a los movimientos inducidos sobre el
control maestro 700 por el cirujano, las posiciones angulares están
cambiando continuamente. El procesador lee, en 689, estas posiciones
angulares y calcula la velocidad a la cual cambian estas posiciones
angulares. Así, el procesador 689 lee posiciones angulares y calcula
la velocidad del cambio angular, o velocidad de la conexión, sobre
una base continua correspondiente al tiempo del ciclo de proceso del
sistema, es decir, 1300 Hz. Las órdenes de posición de la conexión y
de velocidad de la conexión así calculadas en 689 son introducidas
después en el controlador cinemático de avance (FKIN) en 691, como
ya se ha descrito anteriormente.
En el controlador FKIN 691, las posiciones y
velocidades en el espacio de la conexión son transformadas en las
correspondientes posiciones y velocidades en el espacio cartesiano,
con relación al marco 612 del ojo (véanse las figuras 11 y 13). El
controlador FKIN 691 es un procesador que emplea, típicamente, una
matriz jacobiana para conseguirlo. Se apreciará que la matriz
jacobiana transforma posiciones y velocidades angulares en las
correspondientes posiciones y velocidades del espacio cartesiano por
medio de relaciones trigonométricas convencionales. Así, las
posiciones y velocidades correspondientes del espacio cartesiano, u
órdenes de velocidad y posición cartesianas, son calculadas por el
controlador FKIN 691 que corresponden a los cambios de posición y
velocidad cartesianas del marco 622 del maestro en el marco 612 del
ojo.
La velocidad y posición del espacio cartesiano
son introducidas en un controlador cartesiano, indicado en 820, y en
un convertidor de escalas y de descentramientos, indicado en
822.
El aparato quirúrgico mínimamente invasivo
proporciona un cambio de escala entre el movimiento de entrada del
maestro y el movimiento de respuesta de salida del esclavo. Así,
puede seleccionarse una escala en la que, por ejemplo, un movimiento
de 25 mm (1 pulgada) del control maestro 700 se transforma en un
movimiento correspondiente de respuesta de 5 mm (1/5 de pulgada) en
el esclavo. En el paso 822 de escalación y descentramiento, los
valores de posición y velocidad cartesianas son escalados de acuerdo
con la escala seleccionada para realizar el procedimiento
quirúrgico. Naturalmente, si se ha seleccionado una escala de 1:1,
no se efectúa ningún cambio de escala en 822. De forma similar, se
tienen en cuenta los descentramientos que determinan la posición y/u
orientación correspondiente del marco 618 del efector final en el
marco 610 de la cámara, con relación a la posición y orientación del
marco 622 del maestro en el marco 612 del ojo.
Tras realizar el paso de escalación y
descentramiento en 822, se introduce una posición deseada resultante
del esclavo y una velocidad deseada del esclavo en un dominio
simulado o virtual en 812, como se indica con las flechas 811. Se
apreciará que la rotulación del bloque 812 como dominio simulado o
virtual es solamente con fines de identificación. Consecuentemente,
el control simulado descrito a continuación es realizado también por
elementos que están fuera del bloque 812.
A continuación se describirá con más detalle el
dominio simulado 812. Sin embargo, se describirán ahora ampliamente
los pasos impuestos en la velocidad y posición deseadas del esclavo
en el dominio virtual 812, para facilidad de comprensión de la
descripción que sigue. En el dominio virtual o simulado 812, se
supervisan continuamente la posición y velocidad actuales del
esclavo. La posición y velocidad deseadas del esclavo son comparadas
con la posición y velocidad actuales del esclavo. Si la posición y/o
velocidad deseadas del esclavo, según se introducen en 822, no
originan ninguna violación de las limitaciones, por ejemplo la
velocidad y/o posición y/o singularidad, y/o similares, como se han
fijado en el dominio virtual 812, se entrega en la salida una
velocidad y posición cartesianas similares del esclavo desde el
dominio virtual 812, y se introducen en un convertidor inverso de
escalas y de descentramiento, como se indica en 826. La salida de
velocidad y posición similares en el espacio cartesiano del dominio
virtual 812 está indicada con las flechas 813 y se corresponde con
las órdenes reales de salida del espacio de la conexión desde el
dominio virtual 812, como indican las flechas 815, como se
describirá con mayor detalle a continuación. Desde el convertidor
inverso 826 de escalas y descentramiento, que realiza el paso de
escalación y descentramiento de 822 a la inversa, la posición y
velocidad cartesianas invertidas son introducidas en el controlador
cartesiano en 820. En el controlador cartesiano 820, la posición y
velocidad cartesianas originales, según salen del controlador FKIN
691, son comparadas con la posición y velocidad cartesianas
introducidas desde el dominio simulado 812. Si no se violan las
limitaciones en el dominio simulado 812, los valores de la velocidad
y de la posición introducidos desde el controlador FKIN 691 serían
los mismos que los valores de la velocidad y la posición
introducidos desde el dominio simulado 812. En tal caso, se genera
una señal de error igual a cero por el controlador cartesiano
820.
En el caso de que la posición y velocidad
cartesianas deseadas del esclavo introducidas en 811, violen una o
más limitaciones fijadas, los valores deseados quedan restringidos a
permanecer dentro de los límites de las limitaciones.
Consecuentemente, la velocidad y posición cartesianas reenviadas
desde el dominio simulado 812 al controlador cartesiano 820, no
serían entonces los mismos que los valores del controlador FKIN 691.
En tal caso, cuando se comparan los valores en el controlador
cartesiano 820, se genera una señal de error.
A continuación se describirá con más detalle el
tipo de limitaciones impuestas en la posición y velocidad
cartesianas deseadas del esclavo.
Suponiendo que se genere un error cero en el
controlador cartesiano 820, no se pasará ninguna señal desde el
controlador cartesiano o convertidor 820. En el caso de generarse
una señal de error, se hace pasar la señal a través de una unión de
suma 827 hacia un controlador cinemático 828 de transposición del
maestro.
La señal de error se utiliza típicamente para
calcular una fuerza cartesiana. La fuerza cartesiana se calcula
típicamente, a modo de ejemplo, de acuerdo con la fórmula
siguiente:
F_{CART} = K
(\Delta x) + B (\Delta
\overline{x})
donde K es la constante de un
resorte, B es una constante de amortiguación,
(\Delta\overline{x}) es la diferencia entre las entrada de
velocidad cartesiana al controlador cartesiano 820 y \Deltax es la
diferencia entre las entradas de posición cartesiana al controlador
cartesiano 820. Se apreciará que para un error orientativo, se
determina un par correspondiente en el espacio cartesiano, de
acuerdo con métodos
convencionales.
La fuerza cartesiana se corresponde con una
cantidad por la cual la posición y/o velocidad deseadas del esclavo
se extienden más allá de las limitaciones impuestas en el dominio
simulado 812. La fuerza cartesiana, que podría ser el resultado de
una limitación de velocidad, una limitación de posición y/o una
limitación de singularidad, como se describe con más detalle a
continuación, es convertida después en una correspondiente señal de
par, por medio del controlador cinemático 828 de transposición del
maestro, que incluye, típicamente, un procesador que emplea una
matriz Jacobiana de transposición (J^{T}) y relaciones cinemáticas
para convertir la fuerza cartesiana en un par correspondiente en el
espacio de la conexión. El par así determinado es introducido
después a un procesador, en 830, donde son calculadas las corrientes
eléctricas apropiadas para los motores asociados con el maestro 700,
y son suministradas a los motores. Estos pares son aplicados después
a los motores operativamente asociados con el control maestro 700.
El efecto de esto es que el cirujano experimenta una resistencia en
el control maestro para desplazarlo a la velocidad a la cual está
obligando a desplazarse al control maestro, o bien a desplazarlo en
la posición en la cual está obligando al control maestro a
desplazarse. La resistencia al movimiento en el control maestro es
debida al par en los motores operativamente asociados con él.
Consecuentemente, cuanto mayor sea la fuerza aplicada sobre el
control maestro para hacer que se desplace a una posición más allá
de la limitación impuesta, mayor será la magnitud de la señal error
y mayor será un par de oposición en los motores que oponen
resistencia al desplazamiento del control maestro en la dirección de
esa fuerza. De forma similar, cuanto mayor es la velocidad impuesta
sobre el maestro más allá de la limitación de velocidad, mayor será
la señal error y mayor el par de oposición en los motores asociados
con el maestro.
Se describirá ahora con mayor detalle la
imposición de limitaciones en el dominio simulado 812, con
referencia a la figura 15 de los dibujos. En la figura 15, se
utilizan referencias numéricas similares para designar partes o
aspectos similares, a menos que se establezca lo contrario.
La velocidad cartesiana deseada del esclavo se
hace pasar desde el convertidor 822 de escalas y descentramientos a
través de una unión de suma en 832. Se apreciará que la velocidad
cartesiana deseada del esclavo se hace pasar a través de una unión
832 de suma secuencialmente a la velocidad del ciclo de proceso del
sistema de control, es decir, 1300 Hz. En la unión 832, se imparte
una señal de error sobre la velocidad cartesiana deseada del esclavo
cuando la velocidad deseada de una señal de velocidad cartesiana
deseada anterior hubiera instruido al esclavo simulado para que
violase una o más limitaciones. Esto será descrito con más detalle a
continuación. Si la velocidad deseada anterior del esclavo no
hubiera causado una violación, no se hubiera generado ninguna señal
de error y la velocidad deseada del esclavo pasaría entonces
inalterada a través de la unión 832 de suma. La señal de velocidad
que ha pasado a través de la unión 832 de suma es denominada
velocidad cartesiana de referencia, como se indica con la flecha
833.
Desde la unión 832 de suma, la velocidad
cartesiana de referencia es alimentada en un bloque 834 de
simulación. La velocidad de referencia es comparada entonces con las
limitaciones en el bloque 834 de simulación, como será descrito con
mayor detalle a continuación con referencia a las figuras 16 a 21 de
los dibujos.
En el caso en que la velocidad de referencia del
esclavo no viole la limitación, la velocidad de referencia del
esclavo pasa inalterada a través del bloque 834 de simulación. Sin
embargo, en el bloque 834 de simulación se calcula una
correspondiente velocidad simulada de la conexión del esclavo.
La velocidad simulada de la conexión es integrada
en el bloque 834 de simulación para entregar una posición simulada
correspondiente de la unión. La velocidad y posición simuladas de la
conexión son entregadas a la salida desde el bloque 834 de
simulación, como se indica con las flechas 835.
La velocidad y posición simuladas de la conexión
se hacen pasar después a través de un filtro en 838. El filtro 838
está organizado para separar las oscilaciones de las señales de
velocidad y posición. Se apreciará que tales oscilaciones podrían
resultar de unas sacudidas involuntarias del control maestro, que
pueden ser inducidas en el control maestro por el cirujano. Como
sería deseable eliminar tales movimientos de oscilación de las
señales reales de velocidad y posición del esclavo, de manera que se
refuerce el movimiento de precisión del esclavo como respuesta a la
entrada del maestro, estas oscilaciones se filtran de las señales de
velocidad y posición por medio del filtro 838. Tras el paso de
filtrado en 838, se hacen pasar al esclavo las señales resultantes
de velocidad y de posición de la conexión del esclavo, como se
indica con las flechas 815, y como será descrito con mayor detalle a
continuación. Se apreciará que la señal simulada de posición y/o
velocidad de la conexión del esclavo puede ser modificada de
cualquier manera que se desee en 838. Típicamente, en 838 pueden
implementarse modificaciones que no requieran realimentación en el
maestro. Así, el paso 838 de filtrado no está necesariamente
limitado solamente a filtrar las oscilaciones de la señal. Además, o
en su lugar, puede modificarse la frecuencia de las señales de
posición y/o velocidad para impedir la resonancia en el esclavo, por
ejemplo.
Siguiendo con la referencia a la figura 15 de los
dibujos, la velocidad y posición simuladas de la conexión, tras
pasar a través del bloque 834 de simulación, es encaminada a través
de un controlador FKIN en 653 para calcular las correspondientes
velocidades y posiciones en el espacio cartesiano, como se
describirá con referencia a la figura 12A de los dibujos. Se hacen
pasar después las señales al controlador cartesiano 820, como ya se
ha descrito con referencia a la figura 14.
Siguiendo con la referencia a la figura 15, la
señal de posición del controlador 653 FKIN es encaminada a un bloque
de error con escalación cartesiana en 844. La posición cartesiana
deseada del esclavo obtenida desde el bloque 822 de escalación y
descentramiento es encaminada también al bloque 844 de error con
escalación cartesiana. Las dos señales con comparadas en 844 para
calcular una señal de error si no se corresponden. Si las dos
señales son iguales, es decir cuando la señal de velocidad deseada
del esclavo no está restringida al dominio simulado 834, no se
genera ninguna señal de error.
En el caso en que la velocidad deseada del
esclavo fuera restringida en el bloque 834 de simulación, la salida
de velocidad simulada de la conexión no se correspondería con la
entrada de velocidad cartesiana de referencia del esclavo en el
bloque 834 de simulación. Consecuentemente, tras la integración en
el bloque 834 de simulación, y de la conversión al espacio
cartesiano por el controlador 653 FKIN, la posición cartesiana
correspondiente resultante no se correspondería con la entrada
original de la posición cartesiana deseada del esclavo en el bloque
844 de error con escalación cartesiana. Consecuentemente, se genera
una señal de error de una magnitud determinada, típicamente, por la
sustracción de la posición cartesiana resultante de la posición
original deseada, y la multiplicación por una constante apropiada,
por el bloque 844 de error con escalación cartesiana. Esta señal de
error es impuesta a la siguiente señal de velocidad deseada del
esclavo en la unión 832 de suma.
Se apreciará que solamente se introduce la señal
de velocidad en el bloque 834 de simulación. Así, las limitaciones
están impuestas de una manera dinámica en el bloque de simulación.
La posición simulada del esclavo no sigue necesariamente a la
posición del maestro simultáneamente. Este es particularmente el
caso en que se ha impuesto una limitación en el bloque 834 de
simulación. Por ejemplo, si se ha impuesto un límite de velocidad
cuando el maestro se desplaza muy rápidamente, se obtiene como
resultado cierto grado de retardo de la posición simulada del
esclavo para seguir a la posición del maestro. Consecuentemente, se
deriva una discrepancia entre las posiciones del maestro y del
esclavo. Por medio del error de posición generado en 844, se efectúa
un cambio apropiado de la señal de velocidad en la unión 852, para
efectuar una función de "seguimiento" posicional en la señal de
velocidad. Así, si se deja descansar al maestro cuando se genera un
error posicional, la entrada de la señal de velocidad en 832 sería
cero, pero se seguiría introduciendo una velocidad cartesiana de
referencia al bloque 834 de simulación, para efectuar el seguimiento
de la posición simulada del esclavo con la del maestro.
Haciendo referencia de nuevo a la figura 14 de
los dibujos, la señal de velocidad y posición resultante de la
conexión del esclavo se hace pasar desde el dominio simulado 812 a
un controlador 848 de la conexión. En el controlador 848 de la
conexión, la señal resultante de la velocidad y posición de la
conexión es comparada con la posición y velocidad actuales de la
conexión. La velocidad y posición actuales de la conexión son
obtenidas por medio de los sensores del esclavo, como se indica en
849, tras haber sido procesadas en el procesador 851 de entrada para
obtener la posición y velocidad actuales del esclavo en el espacio
de la conexión.
El controlador 848 de la conexión calcula los
pares deseados en los motores del esclavo para hacer que el esclavo
siga a la señal resultante de posición y velocidad de la conexión,
teniendo en cuenta su posición y velocidad de la conexión actuales.
Los pares en la conexión así determinados son encaminados después a
un procesador 852 de contra-reacción y a una salida
del procesador en 854.
Los pares en la conexión son calculados
típicamente, a modo de ejemplo, por medio de la fórmula
siguiente:
T = K
(\Delta\theta) + B (\Delta
\overline{\theta})
donde K es la constante de un
resorte, B es una constante de amortiguación,
\Delta\overline{\theta} es la diferencia entre las entradas de
velocidad de la conexión al controlador 851 de la conexión, y
\Delta\theta es la diferencia entre las entradas de posición de
la conexión al controlador 851 de la
conexión.
El procesador 854 de salida determina las
corrientes eléctricas que han de ser suministradas a los motores
asociados con el esclavo, para obtener los pares que se han
ordenado, y hace que se alimenten las corrientes a los motores, como
se ha indicado con la flecha 855.
Desde el procesador 852 de
contra-reacción se suministra una fuerza de
contra-reacción al maestro. Como se ha mencionado
anteriormente, se proporciona al maestro 700 una fuerza de
contra-reacción siempre que se induce una limitación
en el dominio simulado 812. La fuerza de
contra-reacción se proporciona directamente desde el
esclavo 798 a través del procesador 852 de
contra-reacción, en otras palabras, no se hace a
través de un dominio virtual o simulado, sino a través de un
movimiento directo del esclavo. Esto será descrito con más detalle a
continuación.
Como se ha mencionado anteriormente, el esclavo
indicado en 798 está provisto de una pluralidad de sensores. Estos
sensores están típicamente conectados operativamente a las
conexiones giratorias del brazo robotizado 10 y del instrumento
14.
Estos sensores están operativamente enlazados al
procesador en 851. Se apreciará que estos sensores determinan la
posición actual del esclavo. Si el esclavo 798 fuera sometido a una
fuerza externa suficientemente grande como para inducir un
movimiento de reacción en el esclavo 798, los sensores detectarían
naturalmente tal movimiento. Tal fuerza externa podría originarse
desde una diversidad de fuentes, tales como cuando el brazo
robotizado 10 es golpeado accidentalmente, o cuando golpea a otro
brazo robotizado 10 o al brazo 302 del endoscopio o similar. Como se
ha mencionado, el controlador 848 de la conexión calcula los pares
deseados para hacer que el esclavo 798 siga al maestro 700. Una
fuerza externa en el esclavo 798 que haga variar su posición actual,
hace variar también el movimiento deseado del esclavo para que siga
al maestro. Por tanto, se genera un par compuesto en la conexión por
medio del controlador 848 de la conexión, incluyendo este par el par
deseado para desplazar al esclavo para que siga al maestro, y el par
deseado para compensar el movimiento reactivo inducido en el esclavo
por la fuerza externa. El par generado por el controlador 848 de la
conexión es encaminado hacia el procesador de
contra-reacción en 852, como ya se ha mencionado. El
procesador 852 de contra-reacción analiza la señal
del par del controlador 848 de la conexión y acentúa la parte de la
señal de par resultante de la fuerza extraña en el esclavo 798. La
parte de la señal del par acentuada puede ser elegida dependiendo de
los requisitos. En este caso, solamente se acentúa la parte de la
señal del par relativa a las conexiones del brazo robotizado 12, 12,
302. La señal del par, tras haber sido procesada de esta manera, es
encaminada a un bloque cinemático 860 de establecimiento de
correspondencia, a partir del cual se determina la correspondiente
fuerza cartesiana. En el bloque cinemático 860, la información que
determina la posición del fulcro del esclavo con relación al marco
de la cámara, es introducida desde 647, como se ha indicado. A este
respecto, debe hacerse referencia a la figura 12A de los dibujos.
Así, se determina fácilmente la fuerza cartesiana con relación al
marco de la cámara. Esta fuerza cartesiana se hace pasar después
apropiadamente a través de un paso de ganancia, en 862, para variar
la magnitud de la fuerza cartesiana. La fuerza resultante en el
espacio cartesiano se hace pasar después a la unión de suma en 827 y
después es comunicada al control maestro 700, como se ha descrito
anteriormente.
La referencia numérica 866 indica generalmente
otro camino directo de fuerza de contra-reacción del
sistema 810 de control, donde se suministra la fuerza de
contra-reacción directa al control maestro 700. El
camino 866 incluye uno o más sensores que no están necesariamente
operativamente conectados a las conexiones del esclavo. Estos
sensores pueden ser, típicamente, en forma de sensores de fuerza o
de presión, apropiadamente situados sobre el instrumento quirúrgico
14, típicamente sobre el efector final 58. Así, si el efector final
58 entra en contacto con un cuerpo extraño, tal como el tejido
corporal en el sitio quirúrgico, genera una señal correspondiente
proporcional a la fuerza de contacto. Esta señal es procesada por un
procesador en 868 para dar como resultado un par correspondiente.
Este par se hace pasar hacia un bloque cinemático 864 de
establecimiento de correspondencias, junto con la información de 647
para entregar una fuerza cartesiana correspondiente con relación al
marco de la cámara. A partir de 864, la fuerza resultante se hace
pasar a través de un bloque de ganancia en 870 y después es
reenviada a la unión 827 de suma. Se imparte una
contra-reacción sobre el control maestro 700 por
medio del par suministrado a los motores, asociados operativamente
con el control maestro 700, como se ha descrito anteriormente. Se
apreciará que esto puede conseguirse por medio de cualquier sensor
apropiado, tal como los sensores de corriente, sensores de presión,
acelerómetros, sensores de detección de proximidad, o similares.
En algunos modos de realización, las fuerzas
resultantes del establecimiento cinemático de correspondencias 864
pueden ser transmitidas a un bloque de presentación alternativa
864.1 de manera que indique al cirujano las fuerzas aplicadas en un
formato alternativo. Por ejemplo, la fuerza total puede ser
presentada en forma de un gráfico de barras mostrado en la pantalla,
típicamente por detrás de un borde de la imagen presentada
procedente del dispositivo de captura de imágenes. Alternativamente,
las fuerzas resultantes aplicadas contra el esclavo pueden ser
ilustradas gráficamente como un vector de fuerzas, ya sea fuera del
borde de la imagen de la pantalla, o bien superpuesta sobre la
estructura del esclavo en la imagen presentada. Todavía son posibles
otras alternativas de presentación, incluyendo el uso de colores
falsos (por ejemplo, cambiando el color de un componente del esclavo
a amarillo, y después a rojo a medida que el componente se aproxima
y alcanza su máxima capacidad de fuerza), o auditivamente, indicando
la fuerza sobre la estructura del esclavo con un tono que aumenta su
pitido y/o volumen a medida que aumenta la fuerza. Pueden emplearse
otras representaciones táctiles adicionales de la fuerza, por
ejemplo, utilizando calor para indicar la fuerza o un accionamiento
de inercia, el cual, por ejemplo, vibra con velocidad o amplitud
creciente a medida que aumenta la fuerza. Tales accionamientos
inerciales pueden aplicar fuerzas aparentes a un dispositivo de
entrada en el que no hay ningún enlace que soporte al dispositivo de
entrada con relación a un marco fijo de referencia, por ejemplo,
cuando se utiliza guantes dermato-esqueléticos
soportados por el brazo del cirujano.
En general, la información no visual, tal como la
fuerza detectada por el esclavo, puede ser representada en formatos
no visuales correspondientes (es decir, disposiciones
maestro/esclavo que reflejan la fuerza), o en forma no visual
alternativa (por ejemplo, la fuerza presentada como un sonido o por
calor). La información no visual detectada por el esclavo puede ser
presentada también al cirujano en formato visual, tal como la
utilización de un gráfico de barras o de un vector de fuerza, como
se ha descrito anteriormente. Según se utiliza aquí, la información
no visual incluye información de detección táctil (incluyendo
fuerza, presión, vibración, textura, calor, y similares),
información sonora (que puede ser detectada utilizando un micrófono
del esclavo), olor/sabor (como puede detectarse utilizando un sensor
químico o bioquímico del esclavo), y similares.
Debe entenderse que, tradicionalmente, la
información gráfica (incluyendo imágenes ópticas tomadas desde un
dispositivo de captura de imágenes, imágenes de ultrasonidos,
imágenes fluoroscópicas, imágenes tomográficas y similares) pueden
ser presentadas tanto en formato visual (en el visor estéreo o en
otros mecanismos de presentación) y en formatos no visuales (por
ejemplo, utilizando información detectada por ultrasonidos para
identificar, haciendo un seguimiento y evitando el contacto con
tejidos seleccionados, imponiendo paredes táctiles en el dominio
simulado). Por tanto, la información no visual detectada por el
esclavo y la información no visual presentada por el maestro pueden
incluir una diversidad de información que, o bien es detectada y/o
presentada en una forma para los sentidos distintos de la visión,
incluyendo el sentido de oler, el sentido de gustar, el sentido de
tocar, el sentido de oír y similares.
Como se ha mencionado, el sistema 810 de control
permite fijar limitaciones en el bloque 834 de simulación. Estas
limitaciones pueden elegirse de manera que sean conformes con las
limitaciones o restricciones del sistema mecánico o y/o pueden ser
prefijadas de manera que se correspondan con las limitaciones del
movimiento sensibles al medio ambiente en el sitio quirúrgico, como
será descrito con más detalle a continuación. Así, las limitaciones
impuestas en el dominio simulado 812, en un ejemplo, pueden ser
consideradas como limitaciones virtuales correspondientes con las
limitaciones reales del sistema físico. Las limitaciones en el
dominio simulado 812 no se derivan del movimiento real del esclavo,
sino del movimiento simulado o virtual del esclavo. Por tanto, el
esclavo queda impedido de violar realmente una limitación simulando
su movimiento y velocidad y restringiendo el movimiento y velocidad
simulados antes de instruir al esclavo real para que responda. Una
limitación típica fijada en el dominio simulado 812 concierne a las
singularidades del sistema.
Se describirá ahora lo que se quiere decir con el
término singularidad por medio de un ejemplo de singularidad, en la
estructura mecánica del aparato quirúrgico mínimamente invasivo.
Haciendo referencia a la figura 2A de los dibujos, y como ya se ha
mencionado, el instrumento 14, cuando está montado sobre el brazo
robotizado 10, puede desplazarse linealmente en la dirección de la
flecha P. Si el instrumento 14 está situado de forma tal que el
efector final 58 está retirado relativamente lejos del fulcro 49, y
se manipula el control maestro para ordenar los movimientos de
respuesta, el movimiento de respuesta del esclavo puede ser
realizado normalmente con facilidad. A una distancia específica fija
del fulcro 49, el efector final tiene un recorrido de movimiento
lateral restringido dentro de los límites dictados por las
restricciones de la estructura mecánica del brazo 12. Se apreciará
que cuanto más cerca se desplaza el efector final 58 hacia el fulcro
49, menor se hace el posible recorrido de movimiento lateral. Esto
puede ser visualizado dibujando un cono que tenga su vértice en el
fulcro 49 y extendiéndose desde el fulcro 49 en una dirección
descendente en la figura 2A. El recorrido del movimiento lateral del
efector final 58 queda limitado al interior del cono visualizado. Se
apreciará por tanto que hacia la base del cono visualizado, el
movimiento lateral del efector final por ejemplo a 25 mm (1
pulgada), puede conseguirse fácilmente por la estructura mecánica
del brazo 12. Sin embargo, hacia el vértice del cono, en otras
palabras, hacia el fulcro 49, se alcanza un punto en el que un
movimiento lateral del efector final 58 de 25 mm (1 pulgada) no
puede conseguirse sencillamente debido a las restricciones mecánicas
del brazo 12. Además, el movimiento del brazo robotizado 12 para
inducir un movimiento lateral del efector final 58, se hace más
radical cuanto más cerca se desplaza el efector final 58 hacia el
fulcro 49.
Cuando un cirujano está realizando un
procedimiento quirúrgico por medio del aparato quirúrgico
mínimamente invasivo, no es consciente normalmente de los
movimientos del brazo robotizado 12, ya que está viendo el sitio
quirúrgico a través del visor 202. Consecuentemente, a menos que se
haga una previsión de lo contrario, podría suceder que en el curso
de un procedimiento quirúrgico el efector final 58 se desplace
demasiado cerca del fulcro 49, de manera que una entrada del maestro
hace que el brazo robotizado 12 se desplace demasiado rápidamente a
unas distancias correspondientemente largas como respuesta a las
órdenes del movimiento del efector final. El sistema 810 de control
está organizado para proporcionar un método de impedir que el brazo
robotizado haga un movimiento demasiado rápido o largo como
respuesta a una entrada del maestro, debido a la singularidad
descrita anteriormente.
Se describirá ahora otra singularidad de la
estructura mecánica del esclavo, en particular del instrumento
quirúrgico 14, con referencia a la figura 5 de los dibujos.
Como se ha mencionado, el efector final 58 puede
desplazarse angularmente alrededor del eje 14.2, como indican las
flechas 59. Si el eje de simetría 60A del efector final se situase a
lo largo del eje 14.2, se induciría fácilmente el desplazamiento
angular del efector final alrededor del eje 60A. Sin embargo, si el
eje 60A se situase perpendicular al eje 14.2, el desplazamiento
angular del efector final 58 alrededor del eje 60A no es posible.
Así, se hace una aproximación a una singularidad cuando el eje 60A
se acerca a una posición perpendicular al eje 14.2.
Puede comprenderse una singularidad adicional del
brazo robotizado 10 haciendo referencia a la figura 4 de los
dibujos. Como ya se ha mencionado, el brazo robotizado puede
desplazarse angularmente alrededor del eje 28, como se indica con
las flechas 26. Cuando el eje 14.2 es perpendicular al eje 28, se
induce fácilmente el movimiento del brazo 10 en la dirección de las
flechas 26 sobre el efector final 58. Como se observa fácilmente en
la figura 4, se acerca una singularidad cuanto más cerca se desplaza
el eje 14.2 hacia una posición paralela al eje 28.
Otra limitación típica impuesta en el dominio
simulado 812 está relacionada con las restricciones posicionales de
las diversas conexiones.
Otra limitación típica impuesta en el dominio
simulado es una limitación de velocidad correspondiente a una
velocidad del esclavo que pueda conseguirse prácticamente de forma
mecánica. Naturalmente, el esclavo tiene una masa mayor y mayores
momentos de inercia que el maestro. Por tanto, si el cirujano
desplaza el maestro demasiado rápidamente, o si el maestro es
golpeado accidentalmente para inducir un rápido movimiento sobre él,
se le ordenaría al esclavo que se desplace en correspondencia con el
maestro, pero a una velocidad que no puede conseguirse en la
práctica por el brazo 10, debido a las restricciones mecánicas.
Otra limitación que puede ser impuesta en el
movimiento del maestro es que el esclavo y/o las herramientas tengan
grados de libertad limitados. Aunque se proporcionarían muchas
herramientas con los seis grados de libertad mas el accionamiento
(para el agarre, el encendido de alimentación
electro-quirúrgica, etc.), otras herramientas pueden
tener una gama de movimientos más limitada. Por ejemplo, cuando una
herramienta no articulada (tal como un endoscopio o similar) está
montada sobre un manipulador, para proporcionar un efector final con
cinco o menos grados de libertad, el procesador puede restringir el
movimiento del maestro a cinco o menos grados de libertad
correspondientes dentro del espacio de trabajo del controlador
maestro. Como el maestro y el esclavo serán a menudo cinemáticamente
distintos, esto puede implicar múltiples pares de accionamiento
coordinados en el maestro para simular un solo grado de libertad
"enclavado" en el esclavo.
Como se ha mencionado, opcionalmente, pueden
efectuarse limitaciones relativas a las restricciones ambientales
quirúrgicas, como se describirá con más detalle a continuación.
Haciendo referencia ahora a la figura 16 de los
dibujos, un modo de realización del bloque 834 de simulación incluye
un controlador jacobiano inverso modificado, indicado con J^{-1*},
en 870. El controlador jacobiano inverso modificado está organizado
para inhibir los efectos perniciosos que resultan cuando se acerca
una singularidad. Esto se consigue modificando una matriz jacobiana
inversa del controlador J^{-1*}. Se describirá ahora, a modo de
ejemplo, la modificación de la matriz, y con referencia a la figura
2A y 17 de los dibujos. En las figuras 2A y 17, la longitud de la
parte del brazo del cuerpo 14.1 del instrumento 14, que se extiende
más allá del fulcro 49, está indicada como L.
La relación entre la velocidad \overline{x} en
el espacio cartesiano con relación a la velocidad angular
\overline{\theta} en el espacio de la conexión está expresado
típicamente por la relación
\overline{x} =
J.
\overline{\theta}
Para el aparato quirúrgico mínimamente invasivo,
la matriz jacobiana es típicamente de la forma de una matriz de 6x6
términos para convertir las coordenadas del espacio de la conexión
en las correspondientes coordenadas cartesianas. Naturalmente,
algunos de los términos de la matriz incluyen un factor de
multiplicación igual a L. Consecuentemente, cuando se desea
determinar las posiciones en el espacio de la conexión
correspondientes a coordenadas cartesianas, se utiliza la relación
siguiente:
\overline{\theta} = J^{-1}.
\overline{x}
Cuando se utiliza la matriz jacobiana inversa de
esta manera, los términos que incluyen el factor de multiplicación
de L se convierten en términos que tienen un factor de
multiplicación de 1/L.
Se apreciará que a medida que disminuye L, el
término 1/L se acerca a infinito. Esta característica asociada con
una singularidad está ilustrada esquemáticamente en la figura 17. La
longitud L está indicada a lo lardo del eje que se extiende
horizontalmente y el correspondiente factor 1/L está indicado a lo
largo del eje que se extiende verticalmente. Las líneas parabólicas
indican la relación entre L y 1/L. Es claro que cuando se determina
la velocidad deseada de la conexión por medio de la velocidad
cartesiana \overline{x} y el término incluye el factor de
multiplicación 1/L, la velocidad de la conexión se aproxima a
infinito a medida que disminuye el valor de L, por tanto a medida
que el efector final se desplaza más cerca del fulcro 49.
Para compensar estos efectos perniciosos cuando
se acerca una singularidad, el término 1/l de la matriz jacobiana
inversa es sustituido por una función de L de la que se obtiene una
relación resultante entre L y 1/L, como se indica con las líneas de
puntos en la figura 17. Dos de las líneas de puntos indicadas
muestran distintas funciones posibles de L. De una forma similar, la
matriz jacobiana inversa es modificada para atender a todas las
singularidades del sistema ya descritas.
Haciendo referencia nuevamente a la figura 16 de
los dibujos, se describirá a continuación con más detalle el bloque
834 de simulación.
El controlador Jacobiano inverso modificado, que
es tolerante a las singularidades descritas anteriormente, está
indicado con la referencia numérica 870. Se introduce la velocidad
de referencia en el espacio cartesiano como se indica con la flecha
833. Tras la conversión a una velocidad resultante de la conexión
por el controlador 870, la velocidad resultante de la conexión es
entregada a la salida en 874. La velocidad resultante 874 de la
conexión es introducida después en un paso de limitación de
velocidad de la conexión en 876. En este paso, la velocidad
resultante de la conexión es limitada para permanecer dentro de una
gama entre una velocidad máxima predeterminada V_{máx} y una
velocidad mínima predeterminada V_{min}. Estos valores máximo y
mínimo son seleccionados, típicamente, para restringir la velocidad
de la conexión dentro de las limitaciones correspondientes a las
restricciones de la estructura mecánica del sistema.
Consecuentemente, en 876, si la entrada 874 de velocidad de la
conexión tiene una magnitud mayor que los valores máximo y mínimo,
la magnitud 874 de la velocidad de la conexión es disminuida hacia
el interior de la gama fijada. Por tanto:
| si \overline{\theta} > máx | \overline{\theta} = máx | |
| si \overline{\theta} < (mín) | \overline{\theta} = mín |
donde \overline{\theta}
representa la velocidad de la conexión, y máx indica una magnitud
positiva y mín indica una magnitud
negativa.
Una vez que la velocidad de la conexión está
limitada de esta manera, la velocidad de la conexión es integrada en
878 para entregar una posición correspondiente en el espacio de la
conexión. De manera similar al paso de limitación de velocidad de la
conexión en 876, se limita la posición en 880 para que permanezca
dentro de una gama posicional fijada.
A partir de 880, la señal resultante de posición
de la conexión es encaminada al filtro 838, como indica una de las
flechas 835, y como ya se ha descrito en esta memoria con referencia
a la figura 14. La señal de velocidad resultante, como es entregada
a la salida de 876, es encaminada al filtro 838 como se indica con
la otra flecha 835. La señal de velocidad resultante está enlazada
con el paso de control posicional 880, como se indica en 881, de
manera que en el caso de que la posición esté limitada, la señal de
velocidad se hace cero.
Como se ha mencionado, las limitaciones o
restricciones de velocidad, posición y singularidad son aplicadas a
la entrada de velocidad cartesiana de referencia en el bloque 834 de
simulación, indicado en la figura 14, para entregar una posición y
velocidad simuladas de la conexión en el esclavo. Naturalmente, si
la entrada de velocidad cartesiana de referencia al bloque 834 de
simulación no da como resultado una violación de ninguna de las
limitaciones fijadas para el esclavo, la entrada de velocidad
cartesiana de referencia al bloque 834 de simulación es transferida
entonces simplemente a unas señales de posición y velocidad
correspondientes de la conexión del esclavo sin ninguna imposición
de limitaciones. La posición y velocidad correspondientes de la
conexión del esclavo son reenviadas entonces al esclavo, tras el
paso de filtrado en 838.
Se describirá ahora un bloque 834B de simulación
alternativo y otro método de imposición de limitaciones, con
referencia a la figura 18 de los dibujos, en la cual se utilizan
referencias numéricas similares para designar partes similares, a
menos que se indique lo contrario.
Haciendo referencia ahora a la figura 18, y en el
bloque 834B de simulación, la velocidad cartesiana de referencia es
introducida inicialmente en un bloque de limitación de posición y
velocidad cartesianas en 902. En 902, puede fijarse cualquier
limitación deseada de posición y velocidad en el espacio cartesiano.
Esto puede conseguirse de una manera similar a la manera en la cual
fueron impuestas las limitaciones de velocidad y posición de la
conexión en la figura 16. Tales limitaciones pueden ser elegidas
para adaptarse al procedimiento quirúrgico específico a realizar.
Así, por ejemplo, si el procedimiento quirúrgico a realizar fuera en
un lugar sensible, tal como cerca del cerebro o del corazón, o
similar, pueden fijarse limitaciones para restringir el movimiento
del efector final dentro de un espacio, de manera que no sea capaz
de entrar en contacto con la zona de sensibilidad. Así, en 902, las
limitaciones pueden ser adaptadas para que reúnan las limitaciones
ambientales específicas definidas por el procedimiento quirúrgico
específico a realizar, para evitar un daño accidental a un órgano
sensible o similar. Así, en 902, la posición y velocidad del esclavo
pueden ser restringidas para que permanezcan dentro de limitaciones
prefijadas, dictadas por el procedimiento quirúrgico a realizar. Se
apreciará que tales limitaciones dependientes del entorno quirúrgico
pueden ser impuestas en el bloque de simulación 834 de la figura 16,
y también en el bloque de simulación preferido 834A que será
descrito con referencia a la figura 20.
Tras el paso de limitación en 902, la velocidad
cartesiana resultante es introducida en un controlador jacobiano
inverso modificado en 904. El controlador modificado 904 impone
limitaciones en la entrada de velocidad cartesiana durante la
conversión de la entrada de velocidad cartesiana a la
correspondiente velocidad del espacio de la conexión para tolerar
las singularidades como ya se ha descrito.
Desde el controlador jacobiano inverso modificado
904, la velocidad de la conexión resultante es introducida en un
bloque de posición y velocidad de la conexión en 906. En el bloque
906 de posición y velocidad de la conexión, se supervisa la entrada
de la velocidad de la conexión resultante para asegurarse de que las
correspondientes órdenes de velocidad y posición para cada conexión
específica no viola las limitaciones fijadas correspondientes a las
limitaciones reales de posición angular y velocidad en esa conexión.
Una vez que la velocidad de la conexión ha sido supervisada en 906,
y se ha impuesto cualquier limitación, la velocidad simulada
resultante de la conexión del esclavo es entregada a la salida, como
indica la flecha 835. La velocidad simulada de la conexión del
esclavo es alimentada también a través de un paso de integración en
910 para obtener la correspondiente posición simulada de la conexión
del esclavo.
La posición simulada de la conexión para cada
conexión específica es encaminada al bloque 906 de posición y
velocidad de la conexión, y al bloque jacobiano inverso modificado
904, como se indica con las líneas de puntos. La señal 835 de
posición es encaminada al bloque jacobiano inverso modificado 904
para permitir la transformación desde el espacio cartesiano al de la
conexión. La señal 835 de posición es encaminada al bloque 906 de
posición y velocidad con el fin de que se impongan límites en la
posición y velocidad de la conexión en 906. Esto se describirá ahora
con referencia a la figura 19, en la cual se utilizan referencias
numéricas simulares para designar partes similares, a menos que se
indique lo contrario. Se apreciará que la figura 19 es un ejemplo de
imposición de límites de posición y velocidad en una sola conexión.
Se emplea el mismo método de imposición de tales límites de posición
y velocidad para cada conexión en 906.
En la figura 19, la entrada de velocidad de la
conexión desde el controlador jacobiano inverso modificado en 904
está indicada con la flecha 912. La velocidad resultante tras haber
pasado a través del bloque de posición y velocidad de la conexión,
está indicada con la flecha 914 y la entrada de posición de la
conexión está indicada con la flecha 835 y se ilustra en líneas de
puntos. La conexión para la cual han de imponerse límites de
posición y velocidad por el diagrama de bloques ilustrado en la
figura 19, tiene normalmente limitaciones físicas. Así, la conexión
tiene una posición máxima en la cual los miembros del brazo que
están conectados giratoriamente están en una posición angular
máxima, uno con relación al otro. De forma similar, la conexión
tiene una posición mínima en la cual los miembros del brazo que
están conectados uno con el otro, están en una posición angular
mínima, uno con relación al otro. Consecuentemente, la conexión
tiene un recorrido de desplazamiento angular que se extiende entre
su posición mínima y su posición máxima. Los límites angulares de la
conexión están indicados por los bloques 918 y 920, respectivamente,
indicando el bloque 918 la posición mínima y el bloque 920 la
posición máxima. Naturalmente, como se está tratando con un dominio
simulado, los límites pueden ser elegidos de manera que se adapten.
Consecuentemente, las posiciones angulares mínima y máxima 918, 920
no necesitan corresponderse necesariamente con los límites reales de
posición física de la conexión, sino que pueden elegirse en
cualquier posición angular apropiada, dentro de la capacidad de
recorrido de la posición angular de la conexión.
La entrada de posición en 835 varía normalmente
de manera continua a medida que el cirujano manipula al maestro
durante el curso de un procedimiento quirúrgico. La entrada de
posición 835 es alimentada a las uniones 922, 924 de suma. En la
unión 922, la posición angular como la introducida en 835, es
comparada con el límite mínimo o inferior de posición para obtener
un valor angular correspondiente a la desviación angular de la
entrada de posición 835 con relación al límite 918. Así, en 922, se
determina un valor angular igual a la diferencia entre el límite
angular y la entrada 835 de posición angular. La desviación angular
desde el límite inferior 918 así determinada, es alimentada después
a un bloque de determinación de la velocidad en 926. La velocidad
del ciclo de proceso del sistema de control es conocida. En este
caso, es típicamente de 1300 Hz. En 926, se determina la velocidad a
la cual la conexión necesita haber causado que su posición coincida
con el límite inferior 918 de la conexión del siguiente ciclo de
proceso. Este valor de velocidad es encaminado después a un bloque
de decisión en 928. Naturalmente, si la posición angular como se
introduce en 835 se retira alejándose del límite inferior 918, el
valor de velocidad resultante obtenido en 926 será demasiado grande
y, típicamente, inalcanzable físicamente. Sin embargo, a medida que
la desviación angular se aproxima a cero, es decir, cuando la
posición angular 835 se acerca al límite inferior 918, la salida de
velocidad desde 926 se hace menor que la velocidad alcanzable de la
conexión y se hace cero cuando la posición angular 835 está en el
límite inferior 918.
La referencia numérica 930 representa un límite
fijado de la velocidad de la conexión. Este límite se elige
típicamente de acuerdo con el límite aceptable de velocidad de la
conexión para esa conexión. Este límite inferior fijado de velocidad
es alimentado también en el bloque de decisión 928. En 928, se
comparan las dos velocidades de la conexión y se selecciona la mayor
de las dos. Se apreciará que se selecciona el valor mayor porque se
está considerando un límite de velocidad en una dirección negativa.
Así, el valor mayor es el mismo que el valor mínimo absoluto. El
valor seleccionado de la velocidad así determinado define el límite
inferior de velocidad, como se indica en 932.
Podría suceder que la conexión esté situada más
allá del límite inferior de posición 918. Esto puede ocurrir cuando
el aparato quirúrgico mínimamente invasivo es instalado
inicialmente, o cuando los límites de posición se cambian
selectivamente, por ejemplo. En tal caso, es deseable hacer que la
posición de la conexión vuelva dentro del recorrido fijado por los
límites superior e inferior en 918 y 920, respectivamente. Para el
límite inferior de posición angular, esto se consigue con el bloque
934. Lo que se consigue con el bloque 934 es un refrenado constante
del movimiento posicional para mantenerlo por debajo del límite
inferior. Así, el cirujano manipula el maestro, permitiendo los
movimientos que hacen que la posición angular de la conexión se
desplace hacia el límite, pero una vez que tal movimiento ha tenido
lugar, la conexión se restringe a su nueva posición más cercana al
límite. El proceso se mantiene hasta que la posición de la conexión
está dentro del recorrido fijado por los valores en 918, 920,
respectivamen-
te.
te.
Se apreciará que se determina una velocidad
máxima, como se indica con la referencia numérica 935, de una manera
similar a la de la velocidad mínima, como puede verse en la figura
19 de los dibujos.
Haciendo referencia ahora a la figura 20 de los
dibujos, se describirá ahora un bloque de simulación preferido 834A.
En la figura 20, se utilizan las mismas referencias numéricas para
designar partes o aspectos similares, a menos que se establezca lo
contrario.
\newpage
En la figura 20, la velocidad cartesiana de
referencia es introducida como indica la flecha 833. Las posiciones
y velocidades simuladas de la conexión son entregadas a la salida en
835. La velocidad cartesiana de referencia 833 es encaminada a un
bloque jacobiano inverso completo modificado en 942 y a un bloque de
aislamiento en 944.
En 942, la señal 833 de velocidad cartesiana de
referencia es transformada en una señal correspondiente 946 de
velocidad de la conexión. El bloque jacobiano inverso completo
modificado 942 es tolerante a las singularidades como ya se ha
mencionado con referencia a 904 en la figura 18.
En el aparato quirúrgico mínimamente invasivo que
se debate, el bloque jacobiano inverso completo modificado incluye
típicamente una matriz de seis por seis términos. Tras la
transformación en el bloque 942, la señal resultante de velocidad de
la conexión se hace pasar a un bloque 948 de aislamiento. En el
bloque 948 de aislamiento, los términos relativos a las conexiones
de las muñecas, como se indica en la figura 5 de los dibujos, son
aislados de los términos relativos a las conexiones del brazo
robotizado 12, como se indica en la figura 2A y 2B. Tras el
aislamiento en 948, las velocidades de la conexión de las muñecas
son reenviadas a un bloque de limitación de posición y de velocidad
de conexión de las muñecas en 950.
En 950, se imponen límites de velocidad de
conexión de las muñecas sobre cada una de las conexiones de las
muñecas, de una manera similar al método descrito anteriormente con
referencia a la figura 19. Sin embargo, para las conexiones de las
muñecas, es decir, las conexiones que proporcionan los tres grados
de libertad de movimientos al efector final 58, las limitaciones se
imponen simultáneamente en lugar de hacerlo sobre una base de
conexión a conexión. Esto será descrito ahora con referencia a la
figura 21.
Haciendo referencia a la figura 21, los límites
para cada conexión se determinan de una manera similar a la descrita
con referencia a la figura 19. Pero, como se indica en 970, se
utilizan las limitaciones para definir una limitación de velocidad
correspondiente para las tres conexiones juntas, como se indica en
la caja 972. Consecuentemente, se dispone una limitación de la
velocidad de la conexión, en este caso una limitación tridimensional
de la velocidad de la conexión.
La señal de velocidad de la conexión de entrada
en 951 es comparada con la limitación multidimensional de velocidad
de la conexión, en 970. Si la señal de velocidad de entrada en 951
cae enteramente dentro de la limitación, queda inalterada por la
limitación. En tal caso, la señal 952 de velocidad de salida es la
misma que la señal 951 de velocidad de entrada. Sin embargo, si la
señal 951 de velocidad de entrada cae fuera de la limitación, el
bloque de limitación en 970 seleccionará la velocidad de salida en
952 de acuerdo con un criterio que será descrito a continuación.
Se define un error de la velocidad de la conexión
entre la señal 951 de velocidad de entrada y la velocidad 952 de
salida seleccionada, como se ilustra en 974. El error de velocidad
de la conexión es transformado en error de velocidad cartesiana
utilizando una matriz jacobiana en 976. Se apreciará que la matriz
jacobiana en 976 describe la cinemática de las conexiones de las
muñecas, que incluyen los puntos de giro 54, 60 y el eje 14.2, con
referencia a la figura 5. La magnitud del error de velocidad
cartesiana se determina entonces en 978.
El criterio para seleccionar la velocidad 952 de
salida por el bloque 970 de limitación es el cumplimiento de la
limitación multidimensional y hacer mínima la magnitud del error de
velocidad cartesiana.
Volviendo ahora a la figura 20 de los dibujos, la
salida 952 del bloque 950 de limitación representa una señal
combinada de velocidad de la conexión incluyendo velocidades de
conexión en las conexiones o pivotes 54, 60 y la velocidad de la
conexión alrededor del eje 14.2, con referencia a la figura 5 de los
dibujos, tras haber impuesto cualquier limitación relativa a la
velocidad, posición y singularidades.
En el bloque 944 de aislamiento, los términos de
la velocidad cartesiana de traslación son aislados de la señal 833
de velocidad cartesiana de referencia. Los términos aislados
corresponden a las órdenes de velocidad cartesiana dirigidas a las
conexiones del brazo robotizado 12. Tras el aislamiento, la señal de
velocidad cartesiana de referencia para las conexiones externas
solamente, es reenviada a un bloque de ajuste en 954.
En el caso de que la señal de velocidad de
conexión de la muñeca quedase restringida a uno o ambos bloques 942,
950, la velocidad de la conexión exterior puede ser adaptada en 954.
Esto será descrito ahora con más detalle y con referencia a la
figura 5 de los dibujos.
Se apreciará que una orden en el control maestro
700, relativa solamente a un cambio de orientación del efector final
58, puede dar como resultado no solamente un movimiento angular de
respuesta alrededor de los pivotes 54, 60 y del eje 14.2, sino
también un movimiento de respuesta de la conexión exterior. Esto es
así debido a la falta de similitud entre el maestro y el esclavo.
Por tanto, para que el esclavo realice un movimiento de orientación
correspondiente a un movimiento de orientación del maestro, se desea
a veces que las conexiones exteriores del esclavo se desplacen
también.
Consecuentemente, en el caso de imponer límites
de velocidad de la conexión de las muñecas, es deseable adaptar la
velocidad de la conexión exterior, o de traslación, en la medida en
que la velocidad de la conexión exterior forme parte de la
limitación de orientación de la muñeca. Esto se consigue en 954.
La señal resultante de velocidad cartesiana de
traslación, posiblemente adaptada, es reenviada después a un bloque
jacobiano inverso de traslación modificado en 956. En 956, la señal
es convertida en una correspondiente señal de velocidad del espacio
de la conexión. La matriz jacobiana inversa modificada en 956 es
tolerante a la singularidad del fulcro 49 y a la singularidad de la
inclinación máxima del brazo robotizado, como ya se ha descrito con
referencia a la figura 4. La señal de velocidad del espacio de la
conexión de 956 es transferida después a un bloque de limitación en
958. En 958, se imponen limitaciones de posición y de velocidad
sobre la señal, de una manera similar a la ya descrita con
referencia a la figura 19 de los dibujos, y para cada conexión
exterior.
La señal final de velocidad de la conexión de la
muñeca y la señal final de velocidad de la conexión exterior son
combinadas después en 960 para entregar la velocidad simulada 835 de
la conexión. La velocidad simulada 835 de la conexión es integrada
en 962 para entregar una correspondiente posición simulada de la
conexión, indicada por la otra de las flechas 835.
La posición simulada de la conexión es alimentada
en los bloques 942, 950, 954, 956 y 958 para permitir los cálculos
deseados.
Aunque esta invención ha sido ilustrada y
descrita particularmente con referencias a modos de realización
preferidos de la misma, se comprenderá por los expertos en la
técnica que pueden hacerse en ella diversos cambios en la forma y en
los detalles, sin apartarse del alcance de la invención como se
define en las reivindicaciones que se acompañan. Por ejemplo, aunque
la invención describe el uso de sistemas de coordenadas cartesianas,
la invención puede encontrar aplicaciones también aprovechando los
sistemas de coordenadas polares, los sistemas de coordenadas
cilíndricas o similares. Por tanto, el alcance de la presente
invención está limitado solamente por las reivindicaciones
siguientes.
Claims (36)
1. Un sistema quirúrgico robotizado que
comprende:
un controlador maestro (700) que tiene un
dispositivo (200) de entrada, que puede desplazarse en un espacio de
trabajo del controlador;
un esclavo (798) que tiene un efector final
quirúrgico (14) y al menos una accionamiento acoplado operativamente
al efector final, desplazando el accionamiento al efector final en
un espacio de trabajo quirúrgico como respuesta a las señales del
accionamiento del esclavo;
un sistema de imágenes que incluye un dispositivo
(304) de captura de imágenes con un campo de visión que puede
desplazarse en el espacio de trabajo quirúrgico, generando el
sistema de imágenes señales variables de estado que indican el campo
de visión; y
un procesador (810) que acopla el controlador
maestro al brazo del esclavo, generando el procesador unas señales
de accionamiento del esclavo estableciendo la correspondencia del
dispositivo de entrada en el espacio de trabajo del controlador con
el efector final en el espacio de trabajo quirúrgico, de acuerdo con
una transformación;
caracterizado porque el procesador (810)
obtiene la transformación como respuesta a las señales variables de
estado del sistema de imágenes y, si se desplaza el dispositivo
(304) de captura de imágenes y se indica otro campo de visión por
las señales variables de estado, el procesador (810) obtiene una
transformación adicional para volver a establecer la correspondencia
entre el dispositivo (200) de entrada y el efector final (14).
2. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 1, en el que el dispositivo (304) de captura de
imágenes se desplaza independientemente del esclavo (798).
3. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 2, en el que el procesador (810) obtiene la
transformación de manera que una imagen del efector final (14) en la
pantalla aparece sustancialmente conectada al dispositivo (200) de
entrada en el espacio de trabajo del controlador.
4. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 1, en el que el esclavo (798) genera señales
variables de estado como respuesta a una posición del efector final
(14) en el espacio de trabajo quirúrgico, obteniendo el procesador
(810) la transformación utilizando las señales variables de estado
del esclavo (798).
5. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 4, en el que el procesador (810) determina una
posición y orientación del dispositivo (200) de entrada en el
espacio del controlador maestro, a partir de las señales variables
de estado del controlador maestro (700), donde el procesador (810)
determina una posición y orientación del efector final (14) en el
espacio de trabajo quirúrgico a partir de las señales variables de
estado del esclavo (798), y donde el procesador genera las señales
del accionamiento del esclavo comparando la posición y orientación
del dispositivo (200) de entrada con las del efector final (14) en
el espacio de correspondencia.
6. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 4, en el que el esclavo comprende un cuerpo alargado
(14.1) que soporta al efector final (14), donde el dispositivo de
captura de imágenes comprende un endoscopio (304) que tiene un
extremo distal, y donde el procesador obtiene la transformación
cuando el cuerpo (14.1) y el endoscopio (304) son insertados en el
sitio quirúrgico a través de sitios de acceso arbitrarios
mínimamente invasivos, de manera que el efector final (14) y el
extremo distal del endoscopio (304) se desplazan mediante el giro
del cuerpo (14.1) y del endoscopio (304) alrededor de los sitios de
acceso.
7. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 1, en el que el sistema de imágenes comprende un
enlace que soporta de forma movible el dispositivo (304) de captura
de imágenes, comprendiendo el esclavo (798) un enlace que soporta de
forma movible al efector final (14), comprendiendo los enlaces unas
conexiones y comprendiendo las señales variables de estado unas
señales de configuración de las conexiones, estando acoplados los
enlaces de manera que el procesador (810) obtiene la transformación
como respuesta a las señales de configuración de las conexiones, de
forma tal que el movimiento de una imagen del efector final (14) en
la pantalla aparece sustancialmente conectada al dispositivo (200)
de entrada en el espacio de trabajo.
8. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 7, en el que el enlace del esclavo está montado a una
base (300) de un esclavo, y en el que el enlace del sistema de
imágenes está mecánicamente acoplado a la base (300) del
esclavo.
9. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 7, en el que el enlace del sistema de imágenes está
montado a la base (300) del esclavo, y en el que la base (300) del
esclavo tiene ruedas para transportar el enlace del efector final y
el dispositivo (304) de captura de imágenes.
10. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 1, en el que el esclavo comprende un soporte de
herramientas y una herramienta montada de forma extraíble en el
soporte de herramientas, incluyendo la herramienta el efector final
(14) y al menos una conexión, comprendiendo además el sistema
quirúrgico robotizado una pluralidad de herramientas quirúrgicas
alternativas cinemáticamente diferentes que tienen efectores
quirúrgicos finales alternativos (14), pudiendo montarse las
herramientas alternativas al menos a un soporte de herramientas en
el lugar de la herramienta, siendo capaz el procesador (810) de
cambiar la transformación como respuesta a una señal de cambio de la
herramienta.
11. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 1, que comprende además una pluralidad de esclavos
(798), pudiendo asociarse selectivamente el controlador maestro
(700) a los esclavos (798) como respuesta a una señal de selección
del esclavo, en el que el procesador (810) cambia la transformación
como respuesta a la señal de selección del esclavo, de manera que el
movimiento de una imagen del efector final (14) del esclavo
seleccionado, según se muestra en la pantalla, corresponde
sustancialmente al movimiento del dispositivo (200) de entrada en el
espacio de trabajo.
12. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 1, en el que el procesador obtiene la transformación
en tiempo real.
13. Un sistema quirúrgico robotizado que
comprende:
un controlador maestro (700) que tiene un
dispositivo (200) de entrada, que puede desplazarse en un espacio de
trabajo del controlador;
un esclavo (798) que tiene un efector final
quirúrgico (14) y al menos un accionamiento acoplado operativamente
al efector final (14), desplazando el accionamiento al efector final
(14) en un espacio de trabajo quirúrgico como respuesta a las
señales del accionamiento del esclavo;
un sistema de imágenes que incluye un dispositivo
(304) de captura de imágenes con un campo de visión que puede
desplazarse en el espacio de trabajo quirúrgico, transmitiendo el
sistema de imágenes una imagen a una pantalla; y
un procesador (810) que acopla el controlador
maestro (700) al brazo (798) del esclavo, generando el procesador
(810) unas señales de accionamiento del esclavo estableciendo la
correspondencia del dispositivo (200) de entrada en el espacio de
trabajo del controlador con el efector final (14) en el espacio de
trabajo quirúrgico, de acuerdo con una transformación;
caracterizado porque el procesador (810)
obtiene la transformación de manera que una imagen del efector final
(14) en la pantalla aparece sustancialmente conectada al dispositivo
de entrada en el espacio de trabajo; y, si el dispositivo (304) de
captura de imágenes se desplaza, para presentar otro campo de
visión, el procesador (810) obtiene una transformación adicional
para volver a establecer una correspondencia entre el dispositivo
(200) de entrada y el efector final (14).
14. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que el controlador maestro (700) comprende
un enlace que soporta al dispositivo (200) de entrada, y el esclavo
(798) comprende un enlace que soporta al efector final (14), siendo
el enlace del maestro y el enlace del esclavo cinemáticamente
diferentes.
15. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 14, en el que las conexiones del enlace del maestro y
las conexiones del enlace del esclavo tienen grados de libertad
diferentes.
16. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que las conexiones del enlace del maestro y
las conexiones del enlace del esclavo definen localizaciones
diferentes en el espacio de correspondencia.
17. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que:
el esclavo (798) comprende un enlace con una
pluralidad de conexiones que dan soporte al efector final, con los
accionamientos acoplados a las conexiones de manera que hacen girar
un cuerpo rígido del esclavo (798) alrededor de un primer acceso
arbitrario mínimamente invasivo y desplazan el efector final (14)
como respuesta a las señales del motor del esclavo; y
en el que el sistema de imágenes comprende
accionamientos y un enlace que da soporte al dispositivo (304) de
captura de imágenes, comprendiendo el enlace una pluralidad de
conexiones, y estando acoplados los accionamientos a las conexiones
para desplazar el campo de visión dentro del espacio de trabajo
quirúrgico cuando un cuerpo rígido del dispositivo (304) de captura
de imágenes se extiende a través de un segundo acceso arbitrario
mínimamente invasivo.
18. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que al menos uno de los dispositivos entre
el esclavo (798), el controlador maestro (700) y el sistema de
imágenes, comprende un enlace que tiene una conexión extraíble
dispuesta entre las conexiones, para definir una primera parte del
enlace unida a una base y una segunda parte del enlace unida a la
primera parte del enlace, definiendo las partes del enlace un primer
y un segundo sistemas de coordenadas de referencia, donde el
procesador (810) obtiene la transformación indirectamente a partir
de una primera relación del primer sistema de coordenadas con la
base del primer sistema de enlace y a partir de una segunda relación
del segundo sistema de coordenadas con el primer sistema de
coordenadas.
19. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que el procesador (810) calcula la
transformación como respuesta a una señal que indica al menos un
miembro del grupo consistente en un movimiento de la cámara, un
desacoplo y recolocación de uno de los dispositivos maestro y
esclavo (798) con relación al otro, un cambio de herramientas para
montar un efector final diferente en el esclavo, un cambio de escala
en la correspondencia, un movimiento manual de una conexión pasiva
del maestro o del esclavo (798), y la asociación del maestro con un
esclavo alternativo (798).
20. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que el esclavo (798) detecta información no
visual de sensores en el espacio de trabajo quirúrgico, presentando
el controlador maestro (700) la información no visual a un cirujano
que manipula el dispositivo (304) de entrada.
21. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 20, en el que la pantalla muestra una representación
gráfica de la información no visual.
22. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 21, en el que la información no visual comprende una
fuerza aplicada al efector final (14).
23. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 22, en el que la pantalla representa la fuerza como
un miembro seleccionado entre el grupo consistente en un gráfico de
barras, un vector de fuerzas y un color del efector final.
24. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 20, en el que la información no visual comprende una
fuerza aplicada al efector final (14), y en el que el controlador
maestro (700) comprende un generador de sonido, produciendo el
generador de sonido un sonido variable como respuesta a la
fuerza.
25. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que el controlador maestro (700) presenta
información no visual de sensores a un cirujano que manipula el
dispositivo (200) de entrada.
26. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 25, en el que el controlador maestro (700) presenta
la información no visual con una orientación que está en correlación
con la imagen.
27. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 25, en el que el controlador maestro (700) comprende
una pluralidad de accionamientos, proporcionando los accionamientos
una realimentación táctil al cirujano que manipula el dispositivo de
entrada, como respuesta a las señales del accionamiento del maestro
generadas por el procesador (810).
28. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 27, en el que los accionamientos aplican cargas
contra el dispositivo de entrada como respuesta a señales del
accionamiento del maestro, y en el que el procesador genera las
señales del accionamiento del maestro como respuesta a una
comparación entre una posición y una orientación del efector final y
una posición y una orientación del dispositivo de entrada en el
espacio de la correspondencia.
29. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 26, en el que la información no visual indica fuerzas
y pares aplicados al esclavo.
30. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 29, en el que la información no visual comprende
fuerzas y pares aplicados a través del dispositivo de entrada a la
mano del cirujano, de manera que las fuerzas y pares del dispositivo
de entrada se corresponden sustancialmente con las fuerzas y pares
del esclavo, de acuerdo con la imagen del esclavo que se muestra en
la pantalla.
31. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 29, en el que el controlador revisa la correlación
entre la información no visual y la imagen cuando se revisa la
transformación.
32. El sistema quirúrgico robotizado de la
reivindicación 13, en el que el procesador genera las señales del
accionamiento del esclavo, de manera que al menos un ángulo
seleccionado entre el grupo que comprende un cambio en la
orientación angular, y un ángulo de traslación del efector final,
permanece dentro de los 5 grados de al menos un ángulo del
dispositivo de entrada.
33. El sistema quirúrgico robotizado como se
reivindica en la reivindicación 32, en el que un movimiento del
dispositivo (200) de entrada define una distancia del movimiento de
entrada, y en el que la imagen del efector final (14) se desplaza
una distancia del movimiento de salida como respuesta a la distancia
del movimiento de entrada, siendo la distancia del movimiento de
salida significativamente diferente de la distancia del movimiento
de entra-
da.
da.
34. Un sistema quirúrgico robotizado según
cualquier reivindicación precedente:
teniendo el dispositivo (200) de entrada un
sensor de agarre para ser apretado con una mano del cirujano,
definiendo el sensor de agarre un punto de giro del agarre;
\newpage
estando soportados el esclavo (798) y el efector
por un enlace, teniendo el brazo del esclavo unos accionamientos
acoplados al enlace para desplazar el efector final (14) como
respuesta a las señales de los accionamientos del esclavo,
comprendiendo el efector final (14) unas mordazas con un punto de
giro de las mordazas; donde
el procesador (810) genera las señales de los
accionamientos del esclavo como respuesta al movimiento del
dispositivo de entrada, de manera que el punto de giro de la mordaza
en la pantalla aparece sustancialmente conectado con el punto de
giro del agarre.
35. Un sistema quirúrgico robotizado según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 33,
incluyendo el dispositivo (200) de entrada un
primer y segundo miembros de agarre para actuar con el primer y
segundo dedos de la mano de un operador;
incluyendo el efector final (14) del un primer y
un segundo elementos de efector final; y en el cual
el procesador (810) genera las señales de los
accionamientos del esclavo de manera que el movimiento del primer y
segundo miembros de agarre se corresponden sustancialmente con el
movimiento del primer y segundo elementos del efector final.
36. Un sistema quirúrgico robotizado según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 33, en el cual:
el controlador maestro (700) tiene un mango,
desplazándose el mango en el espacio de trabajo del controlador
maestro;
y el procesador (810) genera las señales de los
accionamientos del esclavo de manera que el movimiento de un punto
de correspondencia a lo largo del mango del controlador maestro
(700) se corresponde sustancialmente con el movimiento de un punto
de correspondencia a lo largo del efector final (14), siendo capaz
el procesador (810) de cambiar al menos uno de los puntos de
correspondencia del mango y del efector final.
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