PL218331B1

PL218331B1 - Surgical manipulator

Info

Publication number: PL218331B1
Application number: PL391263A
Authority: PL
Inventors: Lucyna Leniowska; Ryszard Leniowski; Jacek Cieślik; Rafał Pajda
Original assignee: Politechnika Rzeszowska
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2014-11-28
Also published as: PL391263A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest manipulator chirurgiczny, stosowany w operacjach mało inwazyjnych, polegających na minimalizacji obszaru nacięcia ciała operowanego pacjenta. Manipulator chirurgiczny, posiadający siedem stopni swobody, złożony z połączonych ze sobą przegubowo elementów, charakteryzuje się tym, że poszczególne jego elementy stanowią odrębne moduły rozłącznie ze sobą sprzężone, przy czym chwytak narzędzia chirurgicznego stanowi moduł (1) z napędem szczęk z nim sprzężonych, kolejny moduł (6) stanowi zespół, posiadający dwa stopnie swobody, każdy napędzany dwoma aktuatorami piezoelektrycznymi, następnym jest moduł (13), posiadający łącznik połączony obrotowo z korpusem, napędzanym poprzez przekładnię planetarną silnikiem, wmontowanym do tego korpusu, kolejne moduły (25) to zespoły o jednym stopniu swobody, zróżnicowane długością, wyposażone w napędy, które stanowią silniki bezszczotkowe i przekładnie planetarne oraz zintegrowany enkoder, przy czym poszczególne moduły (1, 6, 13, 25) sprzęgane ze sobą bezpośrednio lub poprzez pośredniczące człony łączące (43).The subject of the invention is a surgical manipulator used in minimally invasive surgeries consisting in minimizing the incision area of the operated patient's body. A surgical manipulator with seven degrees of freedom, composed of jointed elements, is characterized by the fact that its individual elements constitute separate modules detachably coupled to each other, with the surgical tool gripper being a module (1) with a drive for the jaws coupled to it, another module (6) is a unit with two degrees of freedom, each driven by two piezoelectric actuators, the next one is module (13), having a connector rotatably connected to the body, driven by a planetary gear motor, installed in this body, subsequent modules (25) are assemblies with one degree of freedom, different in length, equipped with drives consisting of brushless motors and planetary gears and an integrated encoder, with individual modules (1, 6, 13, 25) coupled to each other directly or through intermediary connecting elements (43).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest manipulator chirurgiczny stosowany w operacjach mało inwazyjnych polegających na minimalizacji obszaru nacięcia ciała operowanego pacjenta.The subject of the invention is a surgical manipulator used in minimally invasive surgeries consisting in minimizing the incision area of the operated patient.

W klasycznym podejściu operacja zaczyna się od przygotowania pola operacyjnego przez chirurga poprzez nacięcie tkanki operowanego by umożliwić dojście rąk chirurga do narządu, na którym ma być przeprowadzona operacja. W większości operacji nacięcie ciała jest zbyt duże w stosunku do zakresu prowadzonej operacji i rany pooperacyjne są głównie przyczyną długiej rekonwalescencji pacjenta. Idealną operacją można nazwać taką, w której przeprowadza się zabieg przy minimalnym uszkodzeniu powłoki organizmu oraz bez nacisków na inne tkanki. Warunek ten spełnia chirurgia małoinwazyjna polegająca na zminimalizowaniu urazów jakie powstają podczas przygotowania drogi do osiągnięcia przestrzeni, w której znajduje się operowany narząd. W tego typu operacjach chirurg używa narzędzi o małych rozmiarach, którymi dostaje się do operowanego narządu poprzez nieznaczne nacięcie w ciele pacjenta. Wymaga to zastosowania, jak już wspomniano narzędzi o małych rozmiarach o złożonej kinematyce oraz sprzężenia wizyjnego w postaci endoskopii.In the classic approach, the operation begins with the preparation of the operating field by the surgeon by cutting the operated tissue to allow the surgeon's hands to reach the organ on which the operation is to be performed. In most surgeries, the incision of the body is too large for the scope of the surgery and postoperative wounds are the main reason for the patient's long recovery. An ideal operation can be called one in which the procedure is carried out with minimal damage to the body shell and without pressure on other tissues. This condition is met by minimally invasive surgery, which consists in minimizing injuries that arise during the preparation of the way to reach the space where the operated organ is located. In this type of operation, the surgeon uses small-sized tools that enter the operated organ through a small incision in the patient's body. This requires the use, as already mentioned, of small-size tools with complex kinematics and visual coupling in the form of endoscopy.

Aktualnie istnieje kilka rozwiązań robotów chirurgicznych, z których najbardziej znanym jest robot opracowany przez amerykańską firmę Intuitive Surgical zwany systemem da Vinci. System ten składa się z ergonomicznej konsoli sterującej oraz platformy z czterema interaktywnymi ramionami. Dwa lub trzy ramiona wyposażone są w wymienne narzędzia chirurgiczne, zaś czwarte ramię posiada kamerę stereo, która zapewnia trójwymiarowy obraz pola operacyjnego. Na końcu dwóch ramion kierowanych rękami chirurga umieszczone są narzędzia poruszane za pomocą cięgien. Są tak zaprojektowane by zapewnić intuicyjne sterowanie poprzez analogię do ruchów ludzkiego nadgarstka i posiadają łącznie siedem stopni swobody mogących zginać się pod kątem 90°. System ten jednak nie posiada siłowego sprzężenia zwrotnego co można uznać za istotną wadę, gdyż to odczucie jest bardzo ważne dla operującego chirurga.Currently, there are several surgical robot solutions, the most famous of which is a robot developed by the American company Intuitive Surgical, known as the da Vinci system. The system consists of an ergonomic control console and a platform with four interactive arms. Two or three arms are equipped with replaceable surgical instruments, and the fourth arm has a stereo camera that provides a three-dimensional image of the operating field. At the end of two arms, which are steered by the surgeon's hands, there are tools that are moved by means of strings. They are designed to provide intuitive control by analogy to human wrist movements and have a total of seven degrees of freedom that can flex at an angle of 90 °. This system, however, does not have force feedback, which can be considered a significant disadvantage, as this feeling is very important for the operating surgeon.

Należy tu też przytoczyć opis rozwiązania robota kardiochirurgicznego Robin Heart. Posiada on pięć stopni swobody, przy czym trzy umożliwiają uzyskanie odpowiedniej orientacji w przestrzeni operacyjnej, czwarty umożliwia otwieranie i zamykanie szczęk mocujących narzędzie chirurgiczne. Każdy stopień swobody posiada cięgno sterujące, które jest poruszane przez pięć niezależnych napędów. Cięgna są napędzane silnikami prądu stałego o mocy 15 W bez przekładni. Wadą tego robota jest zmniejszony okres życia napędu, z uwagi na częste zginanie linek, co również powoduje duże ryzyko ich zrywania podczas pracy i przerwę w czasie wykonywanej operacji w celu ich wymiany. Zastosowanie cięgnowego napędu jest powodem zmniejszającej się precyzji działania wraz z dłuższym czasem użytkowania przedmiotowego robota, co w końcu prowadzi do wymiany tego zespołu stanowiącego manipulator narzędzia chirurgicznego. Brak antyseptycznej osłony na główną część manipulatora sprawia, iż jest on jednorazowego użycia, mimo bardzo wysokiego kosztu wykonania.A description of the solution of the Robin Heart cardiosurgical robot should also be cited here. It has five degrees of freedom, three of which enable obtaining the appropriate orientation in the operating space, the fourth one allows opening and closing of the jaws holding the surgical instrument. Each degree of freedom has a control cable which is actuated by five independent drives. The tendons are driven by 15 W DC motors without gearing. The disadvantage of this robot is the reduced lifetime of the drive, due to the frequent bending of the lines, which also causes a high risk of their breaking during operation and a break during the operation in order to replace them. The use of the cable drive is the reason for the diminishing precision of operation with the longer lifetime of the subject robot, eventually leading to the replacement of this surgical instrument manipulator assembly. The lack of an antiseptic cover for the main part of the manipulator makes it disposable, despite the very high cost of production.

Poza tym znane są różne rozwiązania konstrukcyjne manipulatorów czy też robotów z dostępnych opisów patentowych, a mianowicie: PL 208430, US 5575805, CN 2231469, EP 0332506, WO 2006079108, US 4828453. Przedstawiono je niżej w syntetycznym ujęciu.In addition, various design solutions of manipulators or robots are known from the available patents, namely: PL 208430, US 5575805, CN 2231469, EP 0332506, WO 2006079108, US 4828453. They are presented below in a synthetic approach.

Opisane w polskim opisie patentowym nr PL 208430 urządzenie „Manipulator, zwłaszcza manipulator robota medycznego składa się z kilku modułów z napędem cięgnowym. Biorąc to pod uwagę nie ma możliwości manewrowania w trudnodostępnym polu operacyjnym. Poza tym posiada wady jak wcześniej opisany robot kardiochirurgiczny Robin Heart.The device “Manipulator, especially a medical robot manipulator, described in the Polish patent description No. PL 208430 consists of several modules with a cable drive. Taking this into account, it is not possible to maneuver in a hard-to-reach operating field. In addition, it has disadvantages like the previously described Robin Heart cardiosurgical robot.

Urządzenie będące przedmiotem patentu USA nr 5 575 805 jest urządzeniem laparoskopowym ze sterowaniem ręcznym, z bardzo ograniczonym polem manewrowania.The device subject to US Patent No. 5,575,805 is a manually operated laparoscopic device with a very limited maneuverability.

Urządzenie opisane w dokumencie CN 2251469 jest robotem o dużych gabarytach w odniesieniu do robota chirurgicznego. Nie nadaje się do zastosowania w operacjach chirurgicznych małoinwazyjnych.The device described in CN 2251469 is a bulky robot in relation to a surgical robot. It is not suitable for use in minimally invasive surgical procedures.

Rozwiązanie opisane w patencie europejskim EP 0332506 dotyczy koncepcji konstrukcji robota modułowego również nie nadającego się do operacji małoinwazyjnych.The solution described in the European patent EP 0332506 relates to the concept of a modular robot structure also not suitable for minimally invasive operations.

Urządzenie opisane w dokumencie WO 2006/079108 stanowi robot naprowadzający narzędzie chirurgiczne sterujące nim w polu operacyjnym.The device described in WO 2006/079108 is a robot for guiding a surgical tool to control it in the operating field.

Rozwiązanie opisane w patencie USA 4 828 453 stanowi robot przemysłowy do realizacji operacji technicznych na przykład sortowanie części na taśmie produkcyjnej.The solution described in US patent 4 828 453 is an industrial robot for carrying out technical operations, e.g. sorting parts on a production line.

Manipulator chirurgiczny posiadający siedem stopni swobody złożony z połączonych ze sobą przegubowo elementów, zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że poszczególne jego elePL 218 331 B1 menty stanowią odrębne moduły rozłącznie ze sobą sprzężone, przy czym chwytak narzędzi chirurgicznych stanowi moduł z napędem szczęk je mocujących, kolejny moduł orientujący stanowi zespół posiadający dwa stopnie swobody, każdy napędzany dwoma aktuatorami piezoelektrycznymi. Następnym jest moduł zawiasowy posiadający łącznik połączony obrotowo z korpusem modułu zawiasowego, napędzany poprzez przekładnię planetarną silnikiem wmontowanym do wymienionego modułu zawiasowego, kolejny moduł bazowy to zespół o jednym stopniu swobody, zróżnicowany długością, wyposażony w napęd, który stanowi bezszczotkowy silnik i przekładnia planetarna oraz zintegrowany enkoder. Poszczególne moduły a mianowicie moduł chwytaka, moduł orientujący, moduł zawiasowy i moduł łączący są sprzęgane ze sobą bezpośrednio lub poprzez pośredniczące człony łączące. Całość konstrukcji manipulatora chirurgicznego, poza modułem chwytaka, jest osłonięta cienką, wymienną powłoką antyseptyczną.A surgical manipulator having seven degrees of freedom composed of articulated elements, according to the invention, characterized in that its individual elements are separate modules that are detachably coupled to each other, the surgical instrument gripper being a module with a drive for the jaws holding them, another orienting module is an assembly having two degrees of freedom, each driven by two piezo actuators. The next one is a hinge module having a connector pivotally connected to the body of the hinge module, driven by a planetary gear by a motor mounted to said hinge module, another base module is a unit with one degree of freedom, variable in length, equipped with a drive, which is a brushless motor and planetary gear, and an integrated encoder. The individual modules, namely the gripper module, the alignment module, the hinge module and the connecting module, are engaged with each other either directly or via intermediate connecting members. The entire structure of the surgical manipulator, except for the gripper module, is covered with a thin, replaceable antiseptic coating.

Moduł, który stanowi chwytak narzędzia chirurgicznego wykonany ze stali chirurgicznej posiada kleszcze napędzane silnikiem, umieszczonym w korpusie chwytaka, poprzez przekładnie śruba - nakrętka, w tylnej części korpusu chwytaka usytuowane są płaskie powierzchnie z otworami do połączenia z modułem orientującym sterującym ruchem chwytaka z narzędziem chirurgicznym, lub członem łączącym.The module, which is the gripper of the surgical tool, made of surgical steel, has a forceps driven by a motor, located in the gripper body, through the screw-nut gears, in the rear part of the gripper body there are flat surfaces with holes for connection with the orientation module controlling the movement of the gripper with the surgical instrument, or a connecting member.

Z kolei moduł orientujący z dwoma stopniami swobody, zbudowany jest z dwóch części korpusu modułu orientującego z kieszeniami na cztery piezoelektryczne aktuatory, które parami są sprzężone z przegubowo połączonymi z wymienionym korpusem modułu orientującego łącznikami o wzajemnie prostopadłych osiach, usytuowanych na przeciwległych jego końcach.The orienting module with two degrees of freedom, in turn, consists of two parts of the orienting module body with pockets for four piezoelectric actuators, which are coupled in pairs with the articulated body of the orienting module by means of mutually perpendicular axes located at its opposite ends.

Moduł zawiasowy posiadający jeden stopień swobody, który stanowi obrót wokół jego osi, zbudowany jest z korpusu modułu zawiasowego z umieszczonym w nim napędem z silnikiem, na wale którego zamontowane jest koło zębate współpracujące z kołem zębatym przekładni planetarnej i wprawiające w ruch obrotowy łącznik z innym modułem lub członem łączącym, sprzężony z jednym z końców wymienionego korpusu modułu zawiasowego, natomiast na przeciwległym jego końcu są wykonane spłaszczenia z otworami na śruby łączące moduł zawiasowy z innym modułem z nim współpracującym lub członem łączącym.The hinge module with one degree of freedom, which constitutes rotation around its axis, is made of the body of the hinge module with a drive with the motor placed in it, on the shaft of which is mounted a gear cooperating with the gear wheel of the planetary gear and rotating the connector with another module or a connecting member coupled to one of the ends of said body of the hinge module, while at the opposite end there are flats with screw holes connecting the hinge module to another module cooperating therewith or the connecting member.

Kolejny w komplecie moduł bazowy z jednym stopniem swobody, jako ruch wahadłowy łącznika połączonego z korpusem modułu bazowego poprzez płaski przegub, posiada napęd, który stanowi silnik bezszczotkowy wraz z przekładnią planetarną i jest wyposażony w zintegrowany enkoder, natomiast moment poruszający łącznikiem realizowany jest przez przekładnię ślimakową, w której ślimak jest umiejscowiony na wale silnika a ślimacznica połączona jest z wałem przenoszącym napęd na łącznik. Silnik z przekładnią jest mocowany do korpusu modułu bazowego poprzez zaciski i miniaturowe śruby maszynowe, natomiast na przeciwległym końcu tego korpusu są wykonane spłaszczenia z otworami, łączące inne moduły lub człony łączące.Another basic module in the set with one degree of freedom, as a pendulum movement of the connector connected to the base module body through a flat joint, has a drive which is a brushless motor with a planetary gear and is equipped with an integrated encoder, while the moving torque of the connector is realized by a worm gear in which the worm is located on the motor shaft and the wormwheel is connected to the shaft transmitting the drive to the link. The geared motor is attached to the body of the base module via clamps and miniature machine screws, while flats with holes are provided at the opposite end of the body to connect other modules or connecting members.

Człon łączący wewnątrz posiada pusty profil o zaokrąglonych krawędziach a jeden z jego końców ukształtowany jest w formie występów z otworami, natomiast przeciwległa część posiada spłaszczenia z otworami, które stanowią elementy łączące z innymi modułami lub członami łączącymi.The connecting member on the inside has a hollow profile with rounded edges and one of its ends is formed as projections with holes, while the opposite part has flats with holes which are connecting elements with other connecting modules or members.

Nowe rozwiązanie manipulatora chirurgicznego dzięki modułowej konstrukcji pozwala na praktycznie dowolną jego konfigurację tak z punktu widzenia kinematyki jak również wymiarów długości, w zależności od planowanego zabiegu chirurgicznego. Jest to możliwe między innymi dzięki zastosowaniu członów łączących, których może być w komplecie kilka o różnych długościach. Również w skład kompletu elementów do zmontowania manipulatora mogą wchodzić moduły o zróżnicowanej długości, zwłaszcza te o jednym stopniu swobody z wahliwym łącznikiem. Wyposażenie każdego z wcześniej wymienionych modułów w autonomiczne napędy pozwoliło na wyeliminowanie wcześniej stosowanych linek i wad wynikających z ich użytkowania. Zwłaszcza należy tu podkreślić zwiększenie żywotności, niezawodności i precyzji działania. Do istotnych zalet nowego rozwiązania należy też zaliczyć możliwość wspomagania komputerowego przy jego sterowaniu w trakcie zabiegu. Zastosowanie wymiennej powłoki antyseptycznej na manipulator istotnie poprawia bezpieczeństwo pacjenta przed infekcją, jak również obniża wymagania materiałowe, z których wykonywane są poszczególne moduły i człony łączące. Dzięki temu można go również wielokrotnie używać do zabiegów operacyjnych.The new solution of the surgical manipulator, thanks to its modular design, allows for virtually any configuration, both in terms of kinematics and length dimensions, depending on the planned surgical procedure. It is possible, inter alia, thanks to the use of connecting members, which may be complete with several of different lengths. Also, the set of elements for assembling the manipulator may include modules of various lengths, especially those with one degree of freedom with an oscillating link. Equipping each of the previously mentioned modules with autonomous drives allowed to eliminate the previously used lines and the disadvantages resulting from their use. It is especially important to emphasize the increase in service life, reliability and precision of operation. The significant advantages of the new solution also include the possibility of computer support for its control during the procedure. The use of a replaceable antiseptic coating on the manipulator significantly improves the patient's safety against infection, as well as lowers the material requirements from which individual modules and connecting members are made. As a result, it can also be used many times for surgical procedures.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym na fig. 1, 2, 3 i 4 przedstawiono w schematycznym ujęciu poszczególne moduły z napędami, wchodzące w skład kompletu elementów manipulatora chirurgicznego, natomiast na fig. 5 w podobnym ujęciuThe subject of the invention is shown in an exemplary embodiment in the drawing, in which Figs. 1, 2, 3 and 4 show a schematic view of individual modules with drives included in the set of elements of the surgical manipulator, while Fig. 5 shows a similar view.

PL 218 331 B1 przedstawiono człon łączący bez stopni swobody a na fig. 6 manipulator skonfigurowany z poszczególnych elementów.The linking member without degrees of freedom is shown, and Fig. 6 shows a manipulator configured with individual components.

Manipulator chirurgiczny posiada, jak już wcześniej to opisano, budowę modułową, która pozwala na jego zróżnicowaną konfigurację i tym samym uzyskanie odmiennej kinematyki, adekwatnej do rodzaju prowadzonej operacji.The surgical manipulator has, as previously described, a modular structure, which allows for its various configuration and thus obtaining a different kinematics, adequate to the type of surgery being performed.

Jednym z modułów jest moduł chwytaka 1 narzędzia chirurgicznego przedstawiony na fig. 1, który jest wykonany ze stali chirurgicznej biokompatybilnej dla organizmu człowieka, gdyż jako jedyny moduł będzie bezpośrednio w kontakcie z ludzką tkanką. W korpusie chwytaka 2 są zamocowane szczęki 3 sprzężone z nim przegubowo. Ruch szczęk jest realizowany poprzez przekładnie śruba-nakrętka napędzane silnikiem, które nie są uwidocznione na rysunku. W tylnej części korpusu chwytaka 2 wykonane są powierzchnie płaskie 4 z otworami 5 do połączenia z innym modułem.One of the modules is the gripper module 1 of the surgical instrument shown in Fig. 1, which is made of surgical steel biocompatible with the human body, as the only module will be in direct contact with human tissue. Jaws 3 are articulated thereto in the gripper body 2. The movement of the jaws is accomplished by motor driven screw-nut gears, which are not shown in the figure. In the rear part of the gripper body 2, flat surfaces 4 are made with holes 5 for connection to another module.

Kolejny moduł orientujący 6 o dwóch stopniach swobody przedstawiony na fig. 2 posiada na przeciwległych końcach połączone z korpusem modułu orientującego 7 przegubami 8 łączniki 9 i 10. Wymienione łączniki są napędzane łącznie czterema piezoelektrycznymi aktuatorami 11, z których po dwa przypadają na każdy łącznik 9 i 10. Łączniki 9 i 10 posiadają po dwa ucha 12 z otworami służącymi do połączenia modułu orientującego 6 z innymi współpracującymi z nim modułami lub członami łączącymi. Z uwagi na jego analogie do nadgarstka ludzkiej ręki wykorzystywany jest głównie do sterowania modułem chwytaka 1 i przede wszystkim z nim sprzęgany poprzez jeden z łączników 9 lub 10.Another orienting module 6 with two degrees of freedom, shown in Fig. 2, has at opposite ends the connectors 9 and 10 connected to the body of the orienting module 7 by means of articulations 8. Said connectors are driven by a total of four piezoelectric actuators 11, two of which are for each connector 9 and 10. Connectors 9 and 10 each have two lugs 12 with openings for connecting the orienting module 6 with other modules or connecting members cooperating with it. Due to its analogy to the wrist of the human hand, it is mainly used to control the gripper module 1 and, above all, it is coupled to it through one of the connectors 9 or 10.

Na fig. 3 przedstawiono moduł zawiasowy 13, który posiada jeden stopień swobody i umożliwia obrót wokół własnej osi. Moduł jest zbudowany z korpusu modułu zawiasowego 14, w którym za pomocą płytek dociskowych 15 utrzymywany jest napęd 16. Na wale napędu 16 zamontowane jest koło zębate 17, które współpracując z kołem zębatym 18 porusza łącznik 19. W celu zmniejszenia tarcia ruchomych części, w odpowiednich wyżłobieniach w korpusie modułu zawiasowego 14 i łączniku 19 umieszczono kulki łożyskowe 20. Łącznik 19 podobnie jak wcześniej już opisane posiadają ucha 21 z otworami 22 do połączenia modułu zawiasowego 13 z innym modułem z nim współpracującym, przy czym zaleca się by łączyć go z modułem orientującym 6 połączonym najkorzystniej z modułem chwytaka 1. Z przeciwległego końca korpus modułu zawiasowego 14 posiada wykonane spłaszczenia 23 z otworami 24 do połączenia go z innym modułem lub członem łączącym 43 przedstawionym na fig. 5.Fig. 3 shows the hinge module 13 which has one degree of freedom and allows rotation about its axis. The module consists of the body of the hinge module 14, in which the drive 16 is held by means of pressure plates 15. A gear wheel 17 is mounted on the drive shaft 16, which, in cooperation with the gear wheel 18, moves the connector 19. In order to reduce the friction of the moving parts, in the respective in the grooves in the body of the hinge module 14 and the connector 19, bearing balls 20 are placed. The connector 19, similarly to the previously described ones, has lugs 21 with holes 22 for connecting the hinge module 13 with another module cooperating with it, and it is recommended to connect it with the orienting module 6 most preferably coupled to a gripper module 1. At the opposite end, the body of the hinge module 14 is provided with flats 23 with openings 24 for connecting it to another module or connecting member 43 shown in Figure 5.

Z kolei na fig. 4 przedstawiono moduł bazowy 25 stanowiący najdłuższy człon manipulatora chirurgicznego według wynalazku. Do napędu ruchu łącznika 26 zastosowano bezszczotkowy silnik 27 wraz z przekładnią planetarną 28 o przełożeniu 1024:1. Zespół napędowy wyposażony jest w zintegrowany enkoder na bazie czujników Halla, dając informację o aktualnym położeniu wału silnika 27. Przeniesienie ruchu obrotowego napędu na ruch wahliwy łącznika 26 zrealizowany jest poprzez zastosowanie przekładni składającej się ze ślimaka 29 i ślimacznicy 30. Wał silnika 27, na którym umiejscowiony jest ślimak 29 zabezpieczony jest przed ugięciem podczas ruchu podporą 31. Zadaniem podpory 31 jest również utrzymanie ślimaka 29 w optymalnej pozycji względem ślimacznicy 30 zabezpieczając bezpieczeństwo pracy. Ślimacznica 30 połączona jest z wałem 32 przenoszącym napęd na łącznik 26. Dla zmniejszenia tarcia oraz stabilizacji wału zastosowano mini łożyska 33 zamontowane w uchu łączącym 34 oraz w korpusie modułu bazowego 35. Do zamocowania napędu do korpusu modułu bazowego 35 zastosowano zaciski 36 za pomocą standardowych śrub 37. W łączniku 26 zaprojektowano występ 38 zabezpieczający przed ugięciem wału 32 ze ślimacznicą 30 poddawaną znacznemu obciążeniu podczas pracy. Łącznik 26, podobnie jak wcześniej opisane, posiada ucha 39 z otworami 40 do sprzężenia z innym modułem, końcówką robota lub członem łączącym. Na przeciwległym końcu korpusu modułu bazowego 35 wykonane jest spłaszczenie 41 z otworami 42 do zamocowania kolejnego elementu manipulatora chirurgicznego.In turn, Fig. 4 shows a base module 25 which is the longest member of the surgical manipulator according to the invention. To drive the movement of the connector 26, a brushless motor 27 was used with a planetary gear 28 with a gear ratio of 1024: 1. The drive unit is equipped with an integrated encoder based on Hall sensors, providing information about the current position of the motor shaft 27. The transmission of the drive's rotary motion to the oscillation of the link 26 is achieved through the use of a gear consisting of a worm 29 and a worm wheel 30. Motor shaft 27 on which the worm 29 is located and it is secured against deflection during movement by the support 31. The task of the support 31 is also to keep the worm 29 in an optimal position in relation to the worm wheel 30, ensuring safety of work. The worm wheel 30 is connected to the shaft 32 transmitting the drive to the link 26. To reduce friction and stabilize the shaft, mini bearings 33 are installed in the connecting lug 34 and in the body of the base module 35. Clamps 36 are used to fasten the drive to the body of the base module 35 using standard bolts. 37. The connector 26 is designed with a protrusion 38 to prevent deflection of the shaft 32 with the worm wheel 30 subjected to a significant load during operation. The connector 26, like those previously described, has lugs 39 with openings 40 for engagement with another module, robot tip, or connecting member. A flat 41 with holes 42 is provided at the opposite end of the body of the base module 35 for attaching another element of the surgical manipulator.

Poza opisanymi modułami w skład kompletu do zmontowania manipulatora chirurgicznego zgodnie z wynalazkiem wchodzą człony łączące bez jakichkolwiek stopni swobody mogące posiadać różne długości, ale o takim samym ukształtowaniu obu ich końców. Na fig. 5 przedstawiono taki człon łączący 43. Jest on wykonany z lekkiego materiału na przykład wzmocnionego stopu aluminium. Wewnątrz członu 43 przewidziano prosty profil 44 o zaokrąglonych krawędziach przeznaczony do prowadzenia przewodów, jak również zmniejsza masę tego członu. Na jednym końcu opisywany człon 43 posiada ucha 45 z otworami 46 na śruby mocujące, na przeciwległym końcu wykonane jest spłaszczenie 47 z otworami 48. Do obu końców opisanego członu 43 mogą być mocowane moduły lub inne człony łączące.In addition to the modules described, the kit for assembling the surgical manipulator according to the invention includes connecting members without any degrees of freedom, which may have different lengths, but with the same configuration at both ends. Fig. 5 shows such a connecting member 43. It is made of a lightweight material, for example a reinforced aluminum alloy. Inside the section 43 a straight profile 44 with rounded edges is provided for guiding the cables and also reduces the mass of the section. At one end, the described member 43 has lugs 45 with holes 46 for fastening bolts, and at the opposite end, a flat 47 with holes 48 is provided. Modules or other connecting members may be attached to both ends of the described member 43.

W końcu na fig. 6 pokazano w ujęciu schematycznym manipulator chirurgiczny według wynalazku, na którym są ze sobą sprzężone kolejno - moduł chwytaka 1, moduł orientujący 6 o dwóchFinally, Fig. 6 shows, in schematic view, the surgical manipulator according to the invention, in which the gripper module 1, the orientation module 6 and the two are successively coupled to each other.

PL 218 331 B1 stopniach swobody - nadgarstek, moduł zawiasowy 13 z możliwością obrotu i moduł bazowy 25 najdłuższy, który jest przyłączony do końcówki robota 50. Pomiędzy modułem bazowym 25 a modułem zawiasowym 13 wykorzystano człon łączący 43. Cały manipulator do modułu chwytaka 1 narzędzia chirurgicznego osłonięty jest cienką, wymienną osłoną antyseptyczną 49.Degrees of freedom - wrist, pivotable hinge module 13 and longest base module 25 that is attached to the robot end 50. A connecting member 43 is used between the base module 25 and the hinge module 13. The entire manipulator for the gripper module 1 of the surgical instrument it is covered with a thin, replaceable antiseptic cover 49.

Claims

1. Surgical manipulator having seven degrees of freedom, composed of articulated elements connected to each other, characterized in that its individual elements are separate modules that are detachably coupled with each other, the surgical instrument gripper being a gripper module (1) with a jaw drive (3) securing them , the next orienting module (6) is an assembly having two degrees of freedom, each driven by two piezoelectric actuators (11), the next is a hinge module (13) having a linkage (19) pivotally connected to the body of the hinge module (14) driven through the planetary gear by an in-built motor to said hinge module (13), another base module (25) is a unit with one degree of freedom, of various lengths, equipped with a drive consisting of a brushless motor (27) and a planetary gear (28) and an integrated encoder, gripper module (1 ), the orientation module (6), the hinge module (13), the base module (25) are directly coupled to each other or via intermediate connecting members (43).

2. The manipulator according to claim The method of claim 1, characterized in that the entire structure, except for the gripper module (1), is covered with a replaceable antiseptic coating (49).

3. The manipulator according to claim The method of claim 1, characterized in that the gripper module (1), which is an element of the surgical tool made of surgical steel, has forceps (3) driven by a motor, placed in the gripper body (2) through screw-nut gears, in the rear part of the gripper body (2) there are flat surfaces (4) with openings (5) for connection to an orientation module (6) controlling the movement of the gripper module (1) with the surgical instrument or the connecting member (43).

4. The manipulator according to claim The orientation module according to claim 1, characterized in that the orienting module (6) with two degrees of freedom consists of two parts of the orienting module body (7) with pockets for four piezoelectric actuators (11), which in pairs are coupled to the hingedly connected body of the orienting module (7). ) connectors (9, 10) with mutually perpendicular axes located at opposite ends thereof.

5. The manipulator according to claim 1 The hinge module (13), characterized in that the hinge module (13), which has one degree of freedom, which constitutes rotation around its axis, consists of the body of the hinge module (14) with a drive (16) with a motor, on the shaft of which a gear wheel is mounted. (17) cooperating with the gear wheel (18) of the planetary gear and rotating the link (19) with another module or connecting member coupled to one of the ends of said body of the hinge module (14) while flats (23) are provided at the opposite end thereof. ) with holes (24) for bolts connecting the hinge module (13) to another module cooperating with it or a connecting member (43).

6. The manipulator according to claim 1 4. The method of claim 1, characterized in that the base module (25) with one degree of freedom, as a swinging movement of the link (26) connected to the base module body (35) through a flat joint, has a drive consisting of a brushless motor (27) together with a planetary gear ( 28) and is equipped with an integrated enconder, while the actuating torque of the link (26) is realized by a worm gear, in which the worm (29) is located on the motor shaft (27) and the wormwheel (30) is connected by a shaft (32) transmitting the drive to the the connector (26) and the motor (27) with the gear (28) is attached to the body of the base module (35) through clamps (36) and miniature machine screws (37), while at the opposite end of the body there are flats (41) with a hole ( 42) connecting other modules or connecting members (43).

7. The manipulator according to claim 1 The connecting member (43) according to claim 1, characterized in that the connecting member (43) has a hollow profile (44) with rounded edges inside and one of its ends is formed as projections (45) with holes (46), while the opposite part has flats (47) with holes. (48).