РОБОТИЗИРОВАННАЯ ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА
ROBOTIC OPERATING SYSTEM

Изобретение относится к роботизированной операционной системе. Подобная операционная система содержит факультативно регулируемую по высоте установочную колонну, механические руки и консоль, которая на ее одном конце соединена с установочной колонной, а на ее другом конце имеет средства для пристыковки механических рук. Роботизированная операционная система содержит, кроме того, управляющее устройство для управления роботизированной операционной системой, прежде всего для предварительного позиционирования механических рук перед операцией.
В роботизированной операционной системе оператор, хирург, обслуживает одну или несколько управляемых роботом рук, которые держат инструменты, чтобы выполнять отдельные этапы операции. Хирург управляет механическими руками системы через пульт управления или посредством соответствующих перемещений с помощью подходящего механизма связи, который преобразует перемещения рук хирурга в перемещения соответствующего инструмента. Механические руки являются многозвенными системами, в которых отдельные звенья соединены между собой через сочленения. Часть звеньев служит для позиционирования механической руки относительно других механических рук этой же роботизированной системы так, чтобы механические руки не мешали друг другу. Эта часть звеньев называется также установочным устройством. Описанное позиционирование осуществляется перед операцией и поэтому называется также предварительным позиционированием. Другая часть звеньев служит для позиционирования и направления инструмента на объекте, то есть, например, для позиционирования операционного инструмента или эндоскопа в области полости в покрове тканей пациента. Эта часть звеньев называется также установочным устройством инструмента. Звенья руки соединены между собой в кинематическом смысле как открытая кинематическая цепь, так как на последнем звене сидит не другое сочленение, а инструмент. Все другие звенья соединены между собой через сочленения по типу цепи.
На конце цепи, который не держит инструмента, эта цепь через стыковочное устройство соединена с установочным устройством, содержащим также установочную колонну и консоль. Установочное устройство служит, прежде всего, для крепления отдельных механических рук, но в нем проводятся также электрические провода, которые служат для снабжения механических рук электрическим током и управления ими. Сами установочные устройства инструмента с инструментами выполняют операцию в поддерживаемой стерильно области, на них не должны открыто находиться никакие провода.
Механические руки управляются поодиночке, однако пристыкованы к общему установочному устройству, так что хирург или вспомогательный медицинский персонал и далее имеет простой доступ к оперируемому пациенту. Вследствие массы рук установочное устройство, если оно установлено на полу, должно быть соответственно большим по размеру, чтобы создавать достаточный противовес для механических рук. С другой стороны, операционная система должна поддерживаться также как можно более компактной, чтобы обеспечивать хороший доступ к пациентам и достаточное удобство в обращении с операционной системой, если, например, она должна быть перемещена.
Для содействия максимальной подвижности механических рук операционной системы, в идеальном случае, они должны быть навешены независимо друг от друга, что на практике является, однако, очень затратным и влечет за собой другие недостатки. Например, четыре механические руки могли бы быть расположены на операционном столе в постоянных положениях. Это, конечно, осложняет для персонала доступ к пациенту. Поэтому на практике всегда применяется общее навешивание механических рук, в большинстве случаев четырех, что, тем не менее, при определенных обстоятельствах может привести к тому, что механические руки будут мешать друг другу или же не будут свободно устанавливаемыми так, как это было бы желательно для оптимального осуществления обработки.
Из уровня техники известны различные устройства для навешивания механических рук, которыми, следовательно, различным образом реализуются средства для пристыковки механических рук.
В раскрытой в DE 102013004459 А1 операционной системе с четырьмя механическими руками механические руки через идентичные стыковочные устройства соединены с консолью с Т-образной или подобной поперечине структурой и могут откидываться вокруг продольной оси поперечины. Сама поперечина имеет сочленения, которые допускают опрокидывание относительно продольной оси поперечины примерно на 30°. Однако во время выполнения операции при определенных обстоятельствах это приводит к столкновениям между руками. В области точек стыковки к установочному устройству образующие закрытый конец кинематической цепи звенья механической руки по отношению к продольной оси поперечины всегда одинаково отстоят друг от друга вдоль нее.
В US 6837883 В2 описывается роботизированная операционная система, в которой четыре механические руки по отдельности установлены на четырех сторонах колонны в форме прямоугольного параллелепипеда, руки являются регулируемыми по высоте по отдельности. То есть, здесь четыре руки закреплены не на одной общей консоли, а поодиночке на установочной колонне, на которой руки являются регулируемыми по высоте по отдельности. Поэтому установочная колонна в целом не должна быть регулируемой по высоте. При этом задняя рука имеет более длинный сегмент руки, чтобы компенсировать большее расстояние до пациента. Для того чтобы можно было выполнять функцию предварительного позиционирования, сегменты рук должны быть сравнительно длинными, поэтому это устройство в целом является очень обширным, что ухудшает удобство пользования им.
Другая роботизированная операционная система описывается в US 2014/0052153 А1. Установочная колонна является здесь регулируемой по высоте, на установочной колонне установлена отстоящая горизонтально консоль, с одной своей стороны она жестко соединена с установочной колонной, как, например, показано в US 2014/0052153 А1 на фиг. 8. На свободной стороне консоли расположена так называемая платформа ориентации. На платформе ориентации в горизонтальном направлении, точнее в плоскости платформы, расположены, отходя от нее, четыре рычажные консоли, которые по отдельности поворачиваются в этой плоскости, а также подгоняются по их длине. Дополнительно, сама платформа ориентации является также поворачиваемой вокруг вертикальной оси вращения.
На свободных концах рычажных консолей закреплены, наконец, механические руки роботизированной операционной системы, причем первое звено руки, которое соединяется с соответствующей рычажной консолью, ориентировано своей продольной осью в вертикальном направлении и с возможностью вращения вокруг нее соединено с рычажной консолью. Кроме того, платформа ориентации является откидываемой относительно базовой горизонтальной плоскости, что приводит к изменению положения только что описанных осей вращения, рычажных консолей, ориентаций и направлений рук. Хотя эта конструкция предоставляет много возможностей установки, но она построена очень сложно, что требует, во-первых, технически затратного и затратного в отношении расходов изготовления, а также длительного времени привыкания оператора из-за многих возможностей установки.
Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать роботизированную операционную систему описанного вначале типа в том отношении, чтобы при сконструированном как можно проще стыковочном устройстве для механических рук была, тем не менее, предоставлена возможность достаточно большой свободы перемещений для рук, которая не создает препятствий для хирурга или же предотвращает столкновения во время работы. При этом система должна быть построена, кроме того, как можно компактнее, чтобы при применении она требовала мало места.
Для роботизированной операционной системы названного вначале типа эта задача решается посредством того, что в зависимости от положения соответствующей механической руки на консоли первые механические руки соединены с консолью через первые стыковочные устройства с первыми стыковочными механизмами, а вторые механические руки через вторые стыковочные устройства со вторыми стыковочными механизмами. То есть разные механические руки могут быть пристыкованы к консоли с помощью разных стыковочных устройств. При этом выбор подлежащего применению в каждом случае стыковочного устройства осуществляется в зависимости от положения соответствующей механической руки на консоли. За счет того, что не для всех механических рук применяется одно и то же стыковочное устройство, как это имеет место в уровне техники, получают более значительную гибкость. Тем не менее, так как стыковочные устройства ограничены относительно малым конструктивным пространством, потому что все они установлены на консоли, это увеличение гибкости происходит не за счет компактности.
При этом стыковочное устройство подключено между консолью и механической рукой, то есть соединяет их обе. Первый стыковочный механизм в первом стыковочном устройстве состоит при этом из первого вращательного сочленения. В компактном варианте между консолью и пристыкованной к ней через первое стыковочное устройство механической рукой находится плоскость скольжения, перпендикулярная оси вращения первого вращательного сочленения, это расстояние может быть, однако, также больше, так что эта конструктивная форма консоли как можно меньше препятствует перемещениям механической руки.
Второй стыковочный механизм состоит из второго вращательного сочленения, третьего вращательного сочленения и трансмиссионного звена, которое соединяет между собой второе и третье вращательное сочленение. Оси вращения второго вращательного сочленения и третьего вращательного сочленения расположены параллельно друг другу, кроме того, с помощью трансмиссионного звена, с одной стороны, устанавливается расстояние между обеими осями вращения перпендикулярно им, то есть с помощью трансмиссионного звена оси вращения второго и третьего вращательного сочленения и вместе с тем оба вращательных сочленения удерживаются на расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном этим осям вращения. С другой стороны, с помощью трансмиссионного звена удается также установить расстояние между вращательными сочленениями в направлении вдоль осей вращения, то есть помощью трансмиссионного звена оба вращательных сочленения удерживаются также на расстоянии друг от друга в направлении вдоль осей вращения.
Второе вращательное сочленение соединяет консоль с трансмиссионным звеном, а третье вращательное сочленение - трансмиссионное звено с механической рукой. С помощью трансмиссионного звена создается смещение обоих вращательных сочленений относительно друг друга вдоль направления, параллельного осям вращения, так что вращения вокруг второго и третьего вращательного сочленения могут осуществляться независимо друг от друга и, прежде всего, в принципе, без влияния друг на друга. При двух выполненных в виде шарниров вращательных сочленениях трансмиссионное звено находится точно между ними, так что вращения вокруг обоих сочленений в принципе не могут мешать друг другу. Тем не менее, на практике свобода перемещений ограничивается за счет размеров консоли и за счет других механических рук. Однако существенным является вертикальное смещение второго и третьего вращательных сочленений относительно друг друга, которое образуется за счет трансмиссионного звена, так что установленная на трансмиссионное звено механическая рука получает как можно большую свободу перемещений.
Трансмиссионное звено второго стыковочного механизма может быть выполнено, например, в виде выполненного в форме стержня или выполненного в форме пластины тела. Выгодным образом оно имеет две, находящиеся напротив друг друга стороны, которые отстоят друг от друга вдоль осей вращения второго или же третьего вращательного сочленения; эти стороны без ограничения принципа равенства называются также верхней и нижней стороной. Обе вращательные оси второго и третьего вращательного сочленения проходят также через трансмиссионное звено и пронизывают соответственно верхнюю и нижнюю сторону. При этом расстояние между обеими осями вращения рациональным образом должно быть выбрано как можно большим, чтобы получить максимальную возможность перемещений и установки. Второе вращательное сочленение соединяет трансмиссионное звено на одной из обеих противолежащих сторон с консолью.
Третье вращательное сочленение соединяет трансмиссионное звено на другой из обеих противолежащих сторон с механической рукой.
То, какая механическая рука стыкуется с консолью с помощью какого стыковочного устройства, зависит от положения стыковочного устройства на консоли. Если стыковочные устройства расположены на консоли, например, в виде ряда, например в форме ряда на факультативной поперечине, то является выгодным, если по меньшей мере в обоих конечных положениях ряда механические руки соединены с консолью посредством вторых стыковочных устройств. При таком способе, прежде всего, находящиеся снаружи руки, которые находятся несколько далее в стороне от места обработки, получают больше свободы перемещений.
Тем не менее, консоль на ее удаленном от установочной колонны конце, предпочтительно, выполнена не в форме ряда, например с поперечиной, а в форме двузубой, Y-образной вилочной структуры, причем на зубьях, особо предпочтительно на их свободных или несоединенных концах, с помощью второго стыковочного устройства с консолью соединена соответственно механическая рука. За счет этого внешние механические руки позиционируются еще несколько ближе к месту обработки и не должны обхватывать внутренние руки. За счет этого предоставляется возможность получения еще более компактной конструкции.
За счет поворота механических рук вокруг осей вращения первого, второго и третьего вращательного сочленения должно быть достигнуто предварительное позиционирование механических рук для операции, так что вслед за этим во время операции движется еще только установочное устройство инструмента. Для этой цели является выгодным, если вращательные сочленения приводятся в движение двигателями, и все вместе являются устанавливаемыми и фиксируемыми двигателями, прежде всего если во втором стыковочном механизме относительное положение третьего вращательного сочленения по отношению ко второму вращательному сочленения является устанавливаемым двигателем и/или является фиксируемым с помощью, предпочтительно, регулируемого двигателем тормоза.
Установочная колонна может быть, как это является обычным из уровня техники, выполненной с опорой на пол, однако в особо предпочтительной форме выполнения она является монтируемой на потолке, то есть она свисает с потолка. Для медицинского персонала это существенно улучшает возможность доступа к пациенту.
Консоль может образовывать с установочной колонной прямой угол, одно она может быть выполнена также, по меньшей мере, частично дугообразной, тогда образованный с полом угол составляет преимущественным образом тоже 90°. Дугообразная форма тоже приводит к более компактной конструкции. Прежде всего, если консоль выполнена отстоящей от установочной колонны, может быть выгодным, если консоль выполнена также с возможностью регулировки по ее длине, чтобы механические руки можно было позиционировать еще ближе к пациенту без помех со стороны структуры установочной колонны.
Предполагается, что названные выше и еще подлежащие разъяснению ниже признаки являются применимыми не только в указанных комбинациях, но и в других комбинациях или единолично, не выходя за рамки настоящего изобретения.
В последующем, изобретение разъясняется подробнее на примерах с помощью чертежей, которые раскрывают также существенные для изобретения признаки.
Показано на:
Фиг. 1А пример построения установочной структуры для роботизированной операционной системы,
Фиг. 1Б структура звеньев этой установочной конструкции,
Фиг. 1 В второй стыковочный механизм,
Фиг. 1Г измененная структура звеньев установочной конструкции,
Фиг. 2 вид на фрагмент установочной структуры для роботизированной операционной системы в перспективе,
Фиг. 3 вид сверху на показанную на фиг. 2 систему,
Фиг. 4 пристыкованные к установочной структуре части механических рук без установочного устройства инструмента,
Фиг. 5 пример механической руки с установочным устройством инструмента,
Фиг. 6А управляющее устройство роботизированной операционной системы, и
Фиг. 6Б роботизированная операционная система с операционным столом.
На фиг. 1А показан пример установочной структуры для роботизированной операционной системы. Она содержит опорную ногу 1, которая внутри может быть утяжелена грузом и/или также свинчена или скреплена иным образом с полом. Из опорной ноги 1 поднимается установочная колонна 2, которая здесь выгодным образом является регулируемой по своей высоте. На верхнем конце установочной колонны 2 выполнена, отходя от установочной колонны 2 под углом 90°, консоль 3. Разумеется, возможны также другие углы. Консоль 3 выполнена здесь прямой и с возможностью регулировки по ее длине. Консоль 3 на ее удаленном от установочной колонны 2, свободном конце выполнена в виде двузубой, Y-образной вилочной структуры 4. На этом конце консоль 3 имеет средства для пристыковки механических рук с соответствующим количеству механических рук количеством стыковочных устройств для механических рук. Не показано управляющее устройство для управления роботизированной операционной системой, которое, тем не менее, образует составную часть системы. Альтернативно выполнению в виде вилочной структуры 4 консоль 3 может иметь на своем свободном конце также подобную поперечине структуру, траверсу, на которой выставлены в ряд стыковочные устройства.
В зависимости от положения соответствующей механической руки на консоли 3 первые механические руки соединены с консолью 3 через первые стыковочные устройства с первыми стыковочными механизмами. Вторые механические руки соединены с консолью 3 через вторые стыковочные устройства со вторыми стыковочными механизмами. Первый стыковочный механизм состоит из первого вращательного сочленения 5, здесь обозначен соответственно штриховыми линиями. Второй стыковочный механизм состоит из второго вращательного сочленения 6 и третьего вращательного сочленения 7, а также из соединяющего оба вращательных сочленения 6, 7 трансмиссионного звена 8. Все стыковочные устройства могут содержать двигательные исполнительные приводы для первого, второго и/или третьего вращательного сочленения 5, 6, 7. Оси вращения второго и третьего вращательного сочленения 6, 7 расположены параллельно друг другу и посредством трансмиссионного звена 8 удерживаются на расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном этим осям вращения. Кроме того, трансмиссионное звено 8 способствует тому, чтобы второе вращательное сочленение 6 и третье вращательное сочленение 7 удерживались на расстоянии друг от друга также в направлении этих осей вращения, то есть вдоль их, так что препятствий для вращательных перемещений вокруг второго и третьего вращательного сочленения 6, 7 в принципе не создается.
Абстрактно и для разъяснения это еще раз показано на фиг. 1Б, здесь конструктивные детали отсутствуют, изображена только структура звеньев для перемещений, которые могут быть характерны для стыковочных устройств. Для более простого понимания были выбраны те же ссылочные обозначения, что и на фиг. 1А, но здесь их следует понимать абстрактно. Первые вращательные сочленения 5 изображены здесь на той же высоте, что и вторые вращательные сочленения 6, в то время как в показанном на фиг. 1А варианте они расположены на той же высоте, что и третьи вращательные сочленения 7, так что все механические руки пристыкованы на одинаковой высоте.
На фиг. 1В несколько подробнее разъясняется второй стыковочный механизм. Консоль 3 через второе вращательное сочленение 6 соединена с трансмиссионным звеном 8. Трансмиссионное звено 8, со своей стороны, через третье вращательное сочленение 7 соединено с механической рукой 9. Трансмиссионное звено 8, с одной стороны, способствует тому, что оси вращения второго вращательного сочленения 6 и третьего вращательного сочленения 7 удерживаются на расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном этим осям вращения. С другой стороны, трансмиссионное звено 8 способствует также тому, что вводится смещение между вторым вращательным сочленением 6 и третьим вращательным сочленением 7 вдоль осей вращения, которое способствует тому, что вращательным перемещениям обоих сочленений принципиально не оказывается препятствий, то есть вследствие вращения трансмиссионного звена 8 вокруг оси вращения второго вращательного сочленения 6 не оказывается препятствий вращению механической руки 9 вокруг оси вращения третьего вращательного сочленения 7, если только не возникает препятствие вследствие размеров консоли 3 или прочего.
На фиг. 1В трансмиссионное звено 8 выполнено в виде трехмерного тела с двумя противолежащими сторонами, здесь - с верхней стороной 10 и нижней стороной 11. Трансмиссионное звено 8 принципиально может быть выполнено также в виде плоского, выполненного в форме пластины тела, если оно в состоянии выдерживать нагрузки, оказываемые массой подлежащих установке на него механических рук 9. Консоль 3 на верхней стороне 10 трансмиссионного звена 8 соединена с ним через второе вращательное сочленение 6, механическая рука на нижней стороне 11 трансмиссионного звена 8 соединена с ним через третье вращательное сочленение 7. В показанной здесь компактной конструкции между консолью 3 и трансмиссионным звеном 8 и между трансмиссионным звеном 8 и механической рукой 9 имеется по воздушному зазору. В еще более компактном выполнении воздушные зазоры могут быть выполнены также как первая и вторая плоскость скольжения. За счет размеров трансмиссионного звена 8 обе плоскости скольжения удерживаются на расстоянии друг от друга вдоль осей вращения вращательных сочленений 6, 7. Трансмиссионное звено может быть выполнено также в форме стержня с круглым поперечным сечением. Тогда верхняя сторона и нижняя сторона соответствуют соответствующим верхней и нижней поверхностям в форме дуги окружности соответственно с углом в поперечном сечении 180°. Возможны также любые промежуточные формы и другие формы, обе противолежащие стороны могут быть выполнены также в виде приблизительно одномерных линейных структур, например в выполненном в форме пластины теле, большие поверхности которого имеют направление нормали, перпендикулярное осям вращения.
На фиг. 1Г показана слегка измененная по сравнению с фиг. 1А и фиг. 1Б конфигурация. В то время как показанная на фиг. 1А, 1Б конфигурация симметрична таким образом, что механические руки 9, в данном случае две механические руки, которые представляют собой вторые механические руки 9, расположены снаружи, а прочие механические руки 9 расположены внутри, показанная на фиг. 1Г конфигурация соответствует чередующемуся расположению, при котором одна механическая рука 9 из первых механических рук 9 расположена исключительно рядом с механическими руками 9 из вторых механических рук 9. Наряду с этим возможны также другие возможности расположения первых и вторых механических рук 9, например дополнительное к фигурам 1А, 1Б расположение, то есть расположение, при котором первые механические руки 9 расположены снаружи, а вторые механические руки - внутри. Чем больше механических рук 9 содержит роботизированная операционная система, тем больше имеется возможностей расположения первых и вторых механических рук 9 вплоть до статистического или определенного в результате вычислительного процесса как особенно выгодного расположения с минимальным обоюдным препятствованием перемещениям механических рук 9.
На фиг. 2 показана похожая на фиг. 1А форма выполнения, но здесь консоль 3 не является регулируемой по ее длине. На фиг. 2 показан фрагмент установочной системы, опорная нога здесь не изображена. Кроме того, здесь показаны выходы шинной системы 12, которые служат в качестве вводов для управления механическими руками. Относительное положение третьего вращательного сочленения 7 по отношению ко второму вращательному сочленению 6 и положения механических рук 9 могут быть установлены двигателями с помощью управляющего устройства, дополнительно относительные положения третьих вращательных сочленений 7 являются фиксируемыми с помощью регулируемого двигателем тормоза.
На фиг. 3 показана установочная система из фиг. 2 в горизонтальной проекции сверху, трансмиссионные звенья 8 показаны здесь в двух крайних положениях, чтобы наглядно показать возможности перемещений. Положения вторых вращательных сочленений 6 и текущие положения третьих вращательных сочленений 7 обозначены крестиками.
На фиг. 4 показан, наконец, фрагмент роботизированной операционной системы, установочная структура которой была представлена на фиг. 2 и 3, здесь - с частями пристыкованных механических рук 9. Показанные здесь части механических рук 9 служат для предварительного позиционирования, к этим частям следует пристыковать еще установочное устройство инструмента.
Для полноты на фиг. 5 показана полная механическая рука 9. Эта рука представляет собой четырехзвенную систему, которая соответствует несвязанной кинематической цепи. Одна часть звеньев образует устройство 13 позиционирования, объединенное фигурной скобкой слева на чертеже, другая часть звеньев образует установочное устройство 14 инструмента с пристыкованным к нему держателем 15 инструмента.
На фиг. 6А, 6Б показана, наконец, роботизированная операционная система в общем виде. На фиг. 6Б показана установочная структура роботизированной операционной системы, которая аналогично фиг. 1А содержит опорную ногу 1, установочную колонну 2 с отстоящей от нее консолью 3 и с вилочной структурой 4 на свободном конце консоли 3. На консоли 3 с вилочной структурой 4 расположено в целом четыре механические руки 9 с держателями 15 инструмента, обе внешние образуют снова вторые механические руки 9. Они находятся здесь в состоянии покоя и еще не позиционированы для операции. Ниже механических рук 9 с держателями 15 инструмента на опорное ноге 17 стола расположен операционный стол 16, на котором находится оперируемое лицо 18. Операционный стол 16 может быть установлен на опорной ноге 17 стола с возможностью поворота. Помимо этого, установочные структуры роботизированной операционной системы и операционный стол 16 выгодным образом могут двигаться относительно друг друга также поступательно.
Роботизированная операционная система имеет также управляющее устройство 19 для управления ею, которое показано на фиг. 6А и которое является также перемещаемым относительно установочной структуры, здесь - перевозимым. Оно обслуживается специально обученным хирургом, и перемещения хирурга на рукоятках 20 управляющего устройства 19 передаются на механические руки 9 или же на удерживаемые в держателях 15 инструмента инструменты. При этом хирург с помощью наблюдательного устройства 21 может контролировать операционное поле.
Описанная выше роботизированная операционная система может быть построена компактно и благодаря своей структуре пристыковки механических рук требует по сравнению с обычными операционными системами меньше места, но, несмотря на это, предоставляет хирургу возможность позиционировать механические руки без столкновений.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 опорная нога
2 установочная колонна
3 консоль
4 вилочная структура
5 первое вращательное сочленение
6 второе вращательное сочленение
7 третье вращательное сочленение
8 трансмиссионное звено
9 механическая рука
10 верхняя сторона
11 нижняя сторона
12 шинная система
13 устройство позиционирования
14 установочное устройство инструмента
15 держатель инструмента
16 операционный стол
17 опорная нога стола
18 лицо
19 управляющее устройство
20 рукоятки
21 наблюдательное устройство