PL208988B1 - Manipulator medyczny - Google Patents

Description

Wynalazek dotyczy manipulatora medycznego, znajdującego zastosowanie w szczególności w medycynie dla potrzeb endoskopii lub podczas mał oinwazyjnych operacji kardiochirurgicznych.

W niektórych manipulatorach, zwł aszcza w robotach kardiochirurgicznych występują trzy współpracujące ze sobą ramiona. Jedno ramię przeznaczone jest do przenoszenia kamery, natomiast dwa pozostałe przenoszą i manipulują narzędziami chirurgicznymi. Zarówno kamera jak i narzędzia wprowadzane są do ciała pacjenta przez otwory w ciele, zwane zwyczajowo portami. Kinematyka robota powinna więc umożliwiać ruchy narzędzi i kamery wewnątrz ciała pacjenta, jak również zapewniać możliwość ich przejścia przez porty.

Jednym ze znanych rozwiązań ramion takiego manipulatora jest konstrukcja, w której pojedyncze ramię ma strukturę typu sferycznego, a środek takiej sfery znajduje się w miejscu portu. Każde ramię zbudowane jest z członów połączonych przegubami, przy czym zwykle struktura typu sferycznego posiada trzy napędzane i sterowane przez chirurga za pośrednictwem układu sterowania stopnie swobody, dzięki którym możliwym jest poruszanie narzędzi chirurgicznych i kamery wewnątrz ciała pacjenta. Takie ramię o strukturze sferycznej jest osadzone na strukturze mechanicznej o trzech stopniach swobody umożliwiającej naprowadzanie punktu przecięcia osi obrotu stopni swobody struktury sferycznej w środek otworu w ciele pacjenta. Naprowadzenie takie wykonuje się na początku operacji, po czym blokuje się wykorzystywane w tym celu stopnie swobody i pozostają one nieruchome podczas całej operacji.

W znanych rozwiązaniach o powyż szej konstrukcji wykorzystywany jest system składający się z pionowej kolumny, na której są umieszczone trzy ramiona. Każ de ramię jest osadzone na strukturze mechanicznej typu SCARA, składającej się z członów połączonych przegubami. Pierwszy człon jest osadzony na kolumnie za pomocą połączenia suwliwego o osi pionowej. Drugi jest osadzony na pierwszym za pomocą połączenia obrotowego o osi pionowej i trzeci, połączony z ramieniem robota, jest osadzony na drugim za pomocą połączenia obrotowego o osi pionowej. Rozwiązanie takie ma jednak pewne niedogodności. Trzy ramiona SCARA znajdujące się na wspólnej kolumnie zajmują znaczną objętość. Właściwe z uwagi na położenia portów ustawienie ramion może w pewnych sytuacjach i dla niektórych położeń narzędzi wewnątrz pacjenta spowodować kolizje pomiędzy ramionami. Dodatkowo, pionowe połączenia suwliwe wymagają bądź odciążenia, bądź dodatkowego napędu, co komplikuje konstrukcję i stwarza niedogodności w trakcie eksploatacji manipulatora.

Ponadto znany jest, na przykład z japońskiego opisu patentowego o numerze JP 821204, manipulator medyczny zawierający poziomą belkę zamocowaną suwliwie w ustawionej poziomo prowadnicy liniowej. Do poziomej belki zamocowany jest człon z osią obrotu usytuowaną pod kątem z osią prowadnicy liniowej. Kolejny człon manipulatora łączy się z poprzednim za pomocą połączenia obrotowego.

Dodatkowo w robotach kardiochirurgicznych występuje konieczność napędu ruchu liniowego, co związane jest z przemieszczaniem kamery i narzędzi chirurgicznych wewnątrz ciała pacjenta. W większoś ci konstrukcji urzą dzenie takie posiada podstaw ę z zamocowaną do niej prowadnicą , na której usytuowany jest przesuwnie ruchomy wózek. Do wózka zamocowane są inne elementy, które mają się przemieszczać. Napęd wózka odbywa się za pomocą znanych środków, przykładowo układu koło zębate - zębatka lub śruba - nakrętka. W opisanej powyżej konstrukcji wielkość przemieszczenia wózka jest zawsze mniejsza niż długość prowadnicy. W niektórych jednak sytuacjach występuje konieczność zapewnienia ruchu liniowego o znacznej długości, co wymaga zastosowania stosunkowo długich prowadnic. W przypadku manipulatorów kardiochirurgicznych długie prowadnice są niewskazane, gdyż ograniczają one możliwości manewrowe urządzenia. Znane są również układy teleskopowe, składające się z kilku szeregowo połączonych napędów liniowych napędzanych wspólnie. Wadą takich układów teleskopowych jest jednak to, że długość obszaru zajmowanego przez napęd jest co najmniej taka jak długość pojedynczej prowadnicy i wzrasta wraz z przemieszczeniem o wielkość skoku napędu.

Manipulator według wynalazku mający postać co najmniej jednego ramienia posadowionego na podstawie za pomocą struktury mechanicznej o trzech stopniach swobody, a poszczególne człony tej struktury mechanicznej połączone są ze sobą za pośrednictwem przegubów, charakteryzuje się tym, że struktura mechaniczna mocująca ramię manipulatora ma pierwszy człon w postaci belki zamocowanej suwliwie w prowadnicy liniowej o osi wzdłużnej nachylonej do poziomu pod kątem zawierającym się w przedziale od 0° do 20°. Drugi człon struktury mechanicznej osadzony jest na belce za pośrednictwem

PL 208 988 B1 połączenia obrotowego o osi obrotu nachylonej do osi wzdłużnej prowadnicy liniowej pod kątem zawierającym się w przedziale od 15° do 75°, natomiast trzeci człon struktury mechanicznej osadzony jest na drugim członie za pośrednictwem połączenia obrotowego o osi obrotu nachylonej do osi pierwszego połączenia obrotowego pod kątem zawierającym się w przedziale od 45° do 90°. Ponadto punkt przecięcia osi obrotu połączeń obrotowych struktury mechanicznej podtrzymującej ramię znajduje się w rejonie ś rodka ciężkoś ci ramienia, korzystnie znajduje się w ś rodku ciężkoś ci ramienia.

W korzystnym wykonaniu manipulator ma postać trzech ramion posadowionych na trzech strukturach mechanicznych usytuowanych na wspólnej podstawie. Wówczas manipulator może być wykorzystywany jako robot, przykładowo kardiochirurgiczny, do wykonywania małoinwazyjnych operacji serca.

Wówczas korzystnym jest, gdy wzdłużne osie trzech prowadnic liniowych struktur mechanicznych podtrzymujących ramiona manipulatora są zasadniczo równoległe, przez co manipulator jest ma zwartą konstrukcję.

W najkorzystniejszym wykonaniu w strukturze mechanicznej podtrzymuj ą cej ramię oś wzdł u ż na prowadnicy liniowej usytuowana jest w płaszczyźnie poziomej, oś obrotu pierwszego połączenia obrotowego nachylona jest do osi wzdłużnej prowadnicy pod kątem wynoszącym 45°, natomiast oś obrotu drugiego połączenia obrotowego nachylona jest do osi pierwszego połączenia obrotowego pod katem wynoszącym 90°.

W celu ograniczenia kubatury manipulatora koniec jego ramienia wyposaż ony jest w urzą dzenie do przenoszenia napędu ruchu liniowego, które ma postać wspornika pośredniego z osadzoną na nim przesuwnie wzdłużną prowadnicą posiadającą dwa zasadniczo równoległe tory jezdne. Pierwszy tor jezdny przeznaczony jest do liniowego ruchu prowadnicy względem wspornika pośredniego przy wykorzystaniu znanych środków napędowych, zaś na drugim torze jezdnym osadzony jest ruchomy wózek do łączenia z dalszymi elementami manipulatora, takimi jak kamera albo zespół napędowy narzędzi chirurgicznych. Ruchomy wózek sprzężony jest ze wspornikiem pośrednim z wykorzystaniem co najmniej jednego cięgna przewiniętego przez co najmniej dwie rolki zwrotne zlokalizowane w rejonie każdego końca wzdłużnej prowadnicy.

W takim wykonaniu korzystnym jest, gdy prowadnica ma postać listwy, posiadają cej w rejonie swojego każdego końca po jednej ułożyskowanej rolce, przy czym osie obrotu rolek są prostopadłe do kierunku ruchu wózka, natomiast po dwóch przeciwnych, płaskich stronach listwy zlokalizowane są tory jezdne.

W najprostszym wykonaniu cięgno ma postać taśmy, korzystnie mającej dwa odcinki, z których każdy opasa jedną rolkę zwrotną, a końce każdego z odcinków taśmy zamocowane są do ruchomego wózka oraz wspornika pośredniego.

Manipulator według wynalazku zapewnia możliwość skutecznego i prostego manewrowania ramionami. W wykonaniu, w którym manipulator posiada trzy ramiona osadzone na wspólnej podstawie, każde ramię jest mocowane w sposób analogiczny. Na podstawie znajduje się prowadnica liniowa z belką usytuowaną poziomo. Przesuwająca się w niej belka jest pierwszym członem systemu mocowania. Drugi człon jest zamocowany obrotowo względem belki, a trzeci człon jest zamontowany na drugim również za pomocą połączenia obrotowego. Przemieszczenie na pierwszym stopniu swobody pozwala ustawić ramię w kierunku w poprzek stołu operacyjnego, na drugim wzdłuż stołu, a na trzecim w kierunku pionowym. Położenia osi obrotu drugiego i trzeciego połączenia są tak dobrane, by ich punkt przecięcia znajdował się możliwie blisko środka ciężkości ramienia. Spełnienie tego warunku powoduje, że układ jest statycznie zrównoważony i chirurg może ustawiać ramię robota w sposób wygodny i bez użycia dużych sił, a jednocześnie eliminuje się konieczność stosowania przeciwciężarów dla utrzymania stateczności manipulatora. Dodatkowo zaproponowany system mocowania, zwłaszcza przy równoległych osiach prowadnic liniowych, jest bardzo kompaktowy i nie zajmuje wiele miejsca, a równocześnie wyklucza możliwość kolizji pomiędzy poszczególnymi ramionami. Poza tym każde ramię manipulatora może być wyposażone w urządzenie do przenoszenia napędu liniowego, w którym jego długość jest równa długości prowadnicy i jest w przybliżeniu dwa razy mniejsza niż zakres przemieszczenia napędu.

Manipulator według wynalazku przedstawiony został w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 ilustruje manipulator jednoramienny w widoku perspektywicznym z boku, fig. 2 - manipulator wyposażony w trzy ramiona w częściowym widoku perspektywicznym, zaś fig. 3 - urządzenie do przenoszenia napędu ruchu liniowego w widoku z boku.

Manipulator 1 przedstawiony na fig. 1 posiada podstawę 2, na której w prowadnicy liniowej 3 w postaci obejmy usytuowana jest przesuwnie belka 4, będąca pierwszym członem systemu mocowania

PL 208 988 B1 ramienia 5. Prowadnica liniowa 3 ma poziomą oś wzdłużną 0, która jest pierwszą osią przesuwu mechanicznej struktury podtrzymującej ramię 5 manipulatora 1. Położenie belki 4 w obejmie 3 ustalane jest za pomocą zacisku 6. W rejonie swojego jednego końca belka 4 posiada zamocowany za pomocą połączenia obrotowego drugi człon 7 systemu mocowania, przy czym oś obrotu 0' jest nachylona do osi wzdłużnej 0 obejmy 3 pod kątem wynoszącym 45°. Trzeci człon 8 systemu mocowania, związany z ramieniem 5, zamocowany jest na drugim członie 7 za pomocą połączenia obrotowego, o osi obrotu 0 usytuowanej prostopadle do osi obrotu 0' pierwszego połączenia obrotowego. Położenia osi obrotu 01 i 01 są tak dobrane, że punkt ich przecięcia znajduje się w rejonie środka ciężkości ramienia 5. W rejonie swojego końca ramię 5 posiada urządzenie do przenoszenia napędu ruchu liniowego 9, które zamocowane jest do ramienia za pomocą wspornika pośredniego 10. Urządzenie 9 przeznaczone jest do przenoszenia liniowego ruchu przykładowo kamery lub narzędzi chirurgicznych. Manipulator przedstawiony na fig. 1 może być wykorzystywany przykładowo w endoskopii. Na fig. 2 przedstawiono manipulator, który ma postać trzech ramion posadowionych za pośrednictwem trzech jednakowych struktur mechanicznych na wspólnej podstawie 2. Na fig. 2 widoczne są trzy belki 4 osadzone suwliwie w obejmach 3 o osiach wzdłużnych 0 usytuowanych zasadniczo równolegle. Do belek 4 zamocowane są struktury mechaniczne podtrzymujące ramiona 5, o konstrukcji identycznej jak przedstawiono na fig. 1. Manipulator o takiej konstrukcji jest wykorzystywany w operacjach kardiochirurgicznych, przy czym jedno ramię służy do przenoszenia kamery, zaś dwa pozostałe do przenoszenia i manewrowania narzędziami chirurgicznymi. Fig. 3 przedstawia urządzenie do przenoszenia napędu ruchu liniowego 9 w widoku z boku. Na wsporniku pośrednim 10 łączącym urządzenie 9 z ramieniem 5 osadzona jest przesuwnie wzdłużna prowadnica 11 w postaci listwy o długości L posiadająca dwa zasadniczo równoległe tory jezdne 12 i 13, usytuowane po przeciwnych stronach prowadnicy 11. Pierwszy tor jezdny 12 przeznaczony jest do liniowego ruchu prowadnicy 11 względem wspornika pośredniego 10 przy wykorzystaniu znanych środków napędowych, zaś na drugim torze jezdnym 13 osadzony jest ruchomy wózek 14, przeznaczony do osadzania dalszych elementów manipulatora, na których zamocowane będą na przykład kamera albo zespoły napędowe narzędzi chirurgicznych. Ruchomy wózek 14 sprzężony jest ze wspornikiem pośrednim 10 z wykorzystaniem dwóch odcinków taśmy 15. Każdy z odcinków taśmy 15 zamocowany jest do ruchomego wózka 14 oraz wspornika pośredniego 10 i opasa po jednej rolce 16, które ułoży skowane są w rejonach końców prowadnicy 11. Osie obrotu p rolek są prostopadłe do kierunku ruchu wózka 14.

Claims (8)

1. Manipulator medyczny, mający postać co najmniej jednego ramienia posadowionego na podstawie za pomocą struktury mechanicznej o trzech stopniach swobody, a poszczególne człony tej struktury mechanicznej połączone są ze sobą za pośrednictwem przegubów, znamienny tym, że struktura mechaniczna mocująca ramię (5) manipulatora (1) ma pierwszy człon w postaci belki (4) zamocowanej suwliwie w prowadnicy liniowej (3) o osi wzdłużnej (0) nachylonej do poziomu pod kątem zawierającym się w przedziale od 0° do 20°, zaś drugi człon (7) struktury mechanicznej osadzony jest na belce (4) za pośrednictwem połączenia obrotowego o osi obrotu nachylonej do osi wzdłużnej (0) prowadnicy liniowej (3) pod kątem zawierającym się w przedziale od 15° do 75°, natomiast trzeci człon (8) struktury mechanicznej osadzony jest na drugim członie (7) za pośrednictwem połączenia obrotowego o osi obrotu (0'') nachylonej do osi (0) pierwszego połączenia obrotowego pod kątem zawierającym się w przedziale od 45° do 90°, a punkt przecięcia osi obrotu (0, 0D połączeń obrotowych struktury mechanicznej podtrzymującej ramię (5) znajduje się w rejonie środka ciężkości ramienia (5), korzystnie znajduje się w środku ciężkości ramienia (5).

2. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że ma postać trzech ramion (5) posadowionych na trzech strukturach mechanicznych usytuowanych na wspólnej podstawie (2).

3. Manipulator według zastrz. 2, znamienny tym, że wzdłużne osie (0) trzech prowadnic liniowych (3) struktur mechanicznych podtrzymujących ramiona (5) manipulatora (1) są zasadniczo równoległe.

4. Manipulator według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że w strukturze mechanicznej podtrzymującej ramię (5) oś wzdłużna (0) prowadnicy liniowej (3) usytuowana jest w płaszczyźnie poziomej, a oś obrotu (0) pierwszego połączenia obrotowego nachylona jest do osi wzdłużnej (0)

PL 208 988 B1 prowadnicy (3) pod kątem wynoszącym 45°, natomiast oś obrotu (0) drugiego połączenia obrotowego nachylona jest są do osi (0) pierwszego połączenia obrotowego pod kątem wynoszącym 90°.

5. Manipulator według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że koniec ramienia (5) manipulatora (1) wyposażony jest w urządzenie do przenoszenia napędu ruchu liniowego (9), mające postać wspornika pośredniego (10), na którym osadzona jest przesuwnie wzdłużna prowadnica (11) o długości (L) posiadająca dwa zasadniczo równoległe tory jezdne (12, 13), usytuowane korzystnie po przeciwnych stronach prowadnicy (11), przy czym pierwszy tor jezdny (12) przeznaczony jest do liniowego ruchu prowadnicy (11) względem wspornika pośredniego (10) przy wykorzystaniu znanych środków napędowych, zaś na drugim torze jezdnym (13) osadzony jest ruchomy wózek (14), do łączenia z dalszymi elementami manipulatora (1), takimi jak kamera albo zespół napędowy narzędzi chirurgicznych, który to ruchomy wózek (14) sprzężony jest ze wspornikiem pośrednim (10) z wykorzystaniem co najmniej jednego cięgna (15) przewiniętego przez co najmniej dwie rolki zwrotne (16) zlokalizowane w rejonie każdego końca wzdłużnej prowadnicy (11).

6. Manipulator według zastrz. 5, znamienny tym, że prowadnica (11) ma postać listwy, posiadającej w rejonie swojego każdego końca po jednej ułoży skowanej rolce (16), przy czym osie obrotu (p) rolek (16) są prostopadłe do kierunku ruchu wózka (14), natomiast po dwóch przeciwnych, płaskich stronach listwy zlokalizowane są tory jezdne (12, 13).

7. Manipulator według zastrz. 5, znamienny tym, że cięgno (15) ma postać taśmy.

8. Manipulator według zastrz. 7, znamienny tym, że cięgno (15) składa się z dwóch elementów taśmy, z których każdy opasa jedną rolkę (16), a końce każdego z elementów taśmy zamocowane są do ruchomego wózka (14) oraz wspornika pośredniego (10).