RU208913U1 - SURGICAL ROBOT MANIPULATOR - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам для сферы медицины и здравоохранения, в частности к оборудованию для микрохирургии (малоинвазивная полостная хирургия, урология, проктология, гинекология, кардиохирургия, эндокринология и др.) и биологических исследований, а именно к созданию механизмов, обеспечивающих контролируемое перемещение объектов с высокой точностью.Задачей разработки является повышение точности проведения операций.Поставленная задача решается хирургическим роботом-манипулятором, включающим исполнительный механизм, содержащий основание, конечное звено, рабочий орган, первый вращательный двигатель, установленный на основании, поворотную платформу с установленным на ней вторым вращательным двигателем с осью, пересекающей под прямым углом ось первого вращательного двигателя, сопряженное со вторым вращательным двигателем начальное звено, связанное посредством промежуточной вращательной кинематической пары с промежуточным звеном, сопряженным посредством конечной вращательной кинематической пары с конечным звеном, причем оси промежуточной и конечной вращательных кинематических пар размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, параллельно оси начального звена размещено первое дополнительное звено, сопряженное посредством первой и второй дополнительных кинематических пар соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, параллельно оси промежуточного звена размещено второе дополнительное звено, сопряженное посредством третьей и четвертой дополнительных кинематических пар соответственно с начальным и конечным звеньями, на конечном звене установлен рабочий орган, который посредством дополнительного вращательного и дополнительного поступательного двигателей способно перемещаться вдоль и вокруг оси конечного звена, причем первая и вторая дополнительные кинематические пары, сопрягающие первое дополнительное звено соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, третья и четвертая дополнительные кинематические пары, сопрягающие второе дополнительное звено соответственно с промежуточным звеном и с конечным звеном, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, устройство снабжено управляющим механизмом, содержащим установленный на основании первый датчик поворота, задающий перемещение в первом вращательном двигателе, сопряженное с первым датчиком поворота первое входное звено, выполненное в виде дуги, установленный на основании второй датчик поворота, задающий перемещение во втором вращательном двигателе, сопряженное со вторым датчиком поворота второе входное звено, выполненное в виде дуги, установленный на основании карданный шарнир, жестко сопряженный с вертикальной осью, на которой расположен третий датчик поворота, задающий перемещение в дополнительном вращательном двигателе исполнительного механизма, первое и второе входные звенья управляющего механизма сопряжены посредством втулок, охватывающих эти звенья, с вертикальной осью этого механизма, на вертикальной оси управляющего механизма расположен датчик линейного перемещения, задающий перемещение в дополнительном поступательном двигателе исполнительного механизма.The utility model relates to robotics, namely to spatial manipulation mechanisms for medicine and healthcare, in particular to equipment for microsurgery (minimally invasive abdominal surgery, urology, proctology, gynecology, cardiac surgery, endocrinology, etc.) and biological research, namely the creation of mechanisms that provide controlled movement of objects with high accuracy. The task of the development is to increase the accuracy of operations. the second rotary motor mounted on it with an axis crossing at right angles the axis of the first rotary motor, the initial link associated with the second rotary motor, connected by means of an intermediate rotary kinematic pair with an intermediate th link, coupled by means of a final rotational kinematic pair with the final link, and the axes of the intermediate and final rotational kinematic pairs are placed parallel to the axis of the second rotational motor, the first additional link is placed parallel to the axis of the initial link, coupled by means of the first and second additional kinematic pairs, respectively, with the turntable and with an intermediate link, a second additional link is placed parallel to the axis of the intermediate link, coupled by means of the third and fourth additional kinematic pairs, respectively, with the initial and final links, a working body is installed on the final link, which, by means of an additional rotational and additional translational motor, is able to move along and around the axis of the final link, and the first and second additional kinematic pairs mating the first additional link, respectively, with the turntable and with the intermediate link, issue are made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are placed parallel to the axis of the second rotational motor, the third and fourth additional kinematic pairs, mating the second additional link, respectively, with the intermediate link and with the final link, are made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are placed parallel to the axis of the second rotational engine, the device is equipped with a control mechanism containing the first rotation sensor installed on the base, which specifies the movement in the first rotational motor, coupled with the first rotation sensor, the first input link, made in the form of an arc, installed on the base of the second rotation sensor, which specifies the movement in the second rotational motor, the second input link coupled with the second rotation sensor, made in the form of an arc, mounted on the base of the cardan joint, rigidly connected to the vertical axis, on which the third rotation sensor is located, which sets the movement in the additional rotational motor of the actuator, the first and second input links of the control mechanism are coupled by means of bushings covering these links with the vertical axis of this mechanism, a linear displacement sensor is located on the vertical axis of the control mechanism, which sets the movement in the additional translational motor of the actuator.

Description

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам для сферы медицины и здравоохранения, в частности к оборудованию для микрохирургии (малоинвазивная полостная хирургия, урология, проктологии, гинекология, кардиохирургия, эндокринология и др.) и биологических исследований, а именно к созданию механизмов, обеспечивающих контролируемое перемещение объектов с высокой точностью.The utility model relates to robotics, namely to spatial manipulation mechanisms for medicine and healthcare, in particular to equipment for microsurgery (minimally invasive abdominal surgery, urology, proctology, gynecology, cardiac surgery, endocrinology, etc.) and biological research, namely the creation of mechanisms that provide controlled movement of objects with high accuracy.

В большинстве случаев использование роботов ассистирующих комплексов в малоинвазивной хирургии позволяет значительно снизить кровопотери и реабилитационный период, увидеть недоступные для зрения зоны, убрать тремор рук хирурга и ошибочные движения скальпелем или другим инструментом. Современный подход к применению эндоскопического операционного оборудования требует использования хирургических роботов-манипуляторов для точного проведения операций и уменьшение их негативных аспектов.In most cases, the use of robotic assisting complexes in minimally invasive surgery can significantly reduce blood loss and the rehabilitation period, see areas inaccessible to vision, remove tremor of the surgeon's hands and erroneous movements with a scalpel or other instrument. The modern approach to the use of endoscopic operating equipment requires the use of surgical robotic manipulators to accurately perform operations and reduce their negative aspects.

Известен хирургический робот-манипулятор, включающий исполнительный механизм на конечном звене которого установлен рабочий орган, который посредством дополнительного вращательного и дополнительного поступательного двигателей способен перемещаться вдоль и вокруг своей оси.Known surgical robotic arm, including an actuator on the final link of which is installed a working body, which by means of additional rotational and additional translational motors is able to move along and around its axis.

(J. Wojnarowski, Kinematics of Constant Point Mechanism of Cardiosurgical Telemanipulator, 13 World Congress in Mechanism and Machine Science, Guanajuato, Mexico, 19-25 June, 2011)(J. Wojnarowski, Kinematics of Constant Point Mechanism of Cardiosurgical Telemanipulator, 13 World Congress in Mechanism and Machine Science, Guanajuato, Mexico, 19-25 June, 2011)

В этом устройстве для позиционирования инструмента по отношению к ткани оперируемого органа применяются конструкции манипулятора со встроенным механизмом постоянной точки. Виртуальная модель руки манипулятора представлена на фиг. 1.In this device, for positioning the instrument in relation to the tissue of the operated organ, manipulator designs with a built-in constant point mechanism are used. The virtual model of the manipulator arm is shown in Fig. one.

Использование механизма постоянной точки может быть полезно в качестве кинематической входной функции для динамики кардиохирургического манипулятора. Движение механизма постоянной точки зависит от векторов угловой скорости в кинематических парах устройства, геометрия которых, находиться в функциональной зависимости от размеров кинематических пар.The use of a constant point mechanism can be useful as a kinematic input function for the dynamics of a cardiac surgical manipulator. The movement of the fixed point mechanism depends on the angular velocity vectors in the kinematic pairs of the device, the geometry of which is functionally dependent on the dimensions of the kinematic pairs.

Недостаток этого устройства заключается в том, что в случае, не соблюдения этой зависимости, постоянная точечная кинематика может быть потеряна, что отразиться на точности проведения операций.The disadvantage of this device is that if this dependence is not observed, the constant point kinematics may be lost, which will affect the accuracy of the operations.

Этот недостаток преодолен в другом известном хирургическом роботе-манипуляторе, включающем исполнительный механизм, содержащий основание, конечное звено, рабочий орган, первый вращательный двигатель, установленный на основании, поворотную платформу с установленным на ней вторым вращательным двигателем с осью, пересекающей под прямым углом ось первого вращательного двигателя, сопряженное со вторым вращательным двигателем начальное звено, связанное посредством промежуточной вращательной кинематической пары с промежуточным звеном, сопряженным посредством конечной вращательной кинематической пары с конечным звеном, причем оси промежуточной и конечной вращательных кинематических пар размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, параллельно оси начального звена размещено первое дополнительное звено, сопряженное посредством первой и второй дополнительных кинематических пар соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, параллельно оси промежуточного звена размещено второе дополнительное звено, сопряженное посредством третьей и четвертой дополнительных кинематических пар соответственно с начальным и конечным звеньями, на конечном звене установлен рабочий орган, который посредством дополнительного вращательного и дополнительного поступательного двигателей способен перемещаться вдоль и вокруг своей оси, параллельной оси конечного звена.This drawback is overcome in another well-known surgical robotic manipulator, which includes an actuator containing a base, a final link, a working body, a first rotary motor mounted on the base, a turntable with a second rotary motor mounted on it with an axis crossing the axis of the first one at right angles. rotational motor coupled with the second rotational motor initial link connected by means of an intermediate rotational kinematic pair with an intermediate link coupled by means of a final rotational kinematic pair with the final link, wherein the axes of the intermediate and final rotational kinematic pairs are placed parallel to the axis of the second rotational motor, parallel to the axis of the initial link the first additional link is placed, coupled by means of the first and second additional kinematic pairs, respectively, with the turntable and with the intermediate link, parallel to the axis of the intermediate link There is a second additional link connected by means of the third and fourth additional kinematic pairs, respectively, with the initial and final links, a working body is installed on the final link, which, by means of additional rotational and additional translational motors, is able to move along and around its axis parallel to the axis of the final link.

(см. Патент РФ №202578, МПК B25J 1/00, 2020 г.).(see RF Patent No. 202578, IPC B25J 1/00, 2020).

Данное устройство по технической сущности и достигаемому результату наиболее близко к предлагаемому техническому решению, и поэтому принято в качестве его прототипа.This device is the closest to the proposed technical solution in terms of technical essence and the achieved result, and therefore it is accepted as its prototype.

В этом устройстве манипулятора установлен управляющий привод комплексного поступательно-вращательного движения, связанный посредством механической кинематической передачи движения с выходным звеном, на котором закреплен рабочий орган. Управление рабочим органом осуществляется двумя приводами, один из которых позволяет перемещать и поворачивать рабочий орган относительно горизонтальной оси, а второй посредством вращательного двигателя и силовых рычагов перемещать его в пределах вертикальной плоскости.In this device of the manipulator, a control drive of a complex translational-rotational motion is installed, connected by means of a mechanical kinematic transmission of motion with the output link, on which the working body is fixed. The control of the working body is carried out by two drives, one of which allows you to move and rotate the working body relative to the horizontal axis, and the second by means of a rotary engine and power levers to move it within the vertical plane.

Эта конструкция определяет эксплуатационную эффективность устройства не зависимо от размеров кинематических пар.This design determines the operational efficiency of the device, regardless of the size of the kinematic pairs.

Однако возможность манипулирования рабочим органом в известном устройстве недостаточна для осуществления операций, требующих высокой точности их проведения.However, the possibility of manipulating the working body in the known device is not sufficient to carry out operations that require high precision.

Задачей разработки является повышение точности проведения операций.The task of the development is to increase the accuracy of operations.

Поставленная задача решается хирургическим роботом-манипулятором, включающем исполнительный механизм, содержащий основание, конечное звено, рабочий орган, первый вращательный двигатель, установленный на основании, поворотную платформу с установленным на ней вторым вращательным двигателем с осью, пересекающей под прямым углом ось первого вращательного двигателя, сопряженное со вторым вращательным двигателем начальное звено, связанное посредством промежуточной вращательной кинематической пары с промежуточным звеном, сопряженным посредством конечной вращательной кинематической пары с конечным звеном, причем оси промежуточной и конечной вращательных кинематических пар размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, параллельно оси начального звена размещено первое дополнительное звено, сопряженное посредством первой и второй дополнительных кинематических пар соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, параллельно оси промежуточного звена размещено второе дополнительное звено, сопряженное посредством третьей и четвертой дополнительных кинематических пар соответственно с начальным и конечным звеньями, на конечном звене установлен рабочий орган, который посредством дополнительного вращательного и дополнительного поступательного двигателей способен перемещаться вдоль и вокруг своей оси, параллельной оси конечного звена, причем первая и вторая дополнительные кинематические пары, сопрягающие первое дополнительное звено соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, третья и четвертая дополнительные кинематические пары, сопрягающие второе дополнительное звено соответственно с промежуточным звеном и с конечным звеном, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, устройство снабжено управляющим механизмом, содержащим установленный на основании первый датчик поворота, задающий перемещение в первом вращательном двигателе, сопряженное с первым датчиком поворота первое входное звено, выполненное в виде дуги, установленный на основании второй датчик поворота, задающий перемещение во втором вращательном двигателе, сопряженное со вторым датчиком поворота второе входное звено, выполненное в виде дуги, установленный на основании карданный шарнир, жестко сопряженный с вертикальной осью, на которой расположен третий датчик поворота, задающий перемещение в дополнительном вращательном двигателе исполнительного механизма, первое и второе входные звенья управляющего механизма сопряжены посредством втулок, охватывающих эти звенья, с вертикальной осью этого механизма, на вертикальной оси управляющего механизма расположен датчик линейного перемещения, задающий перемещение в дополнительном поступательном двигателе исполнительного механизма.The task is solved by a surgical robot-manipulator, which includes an actuator containing a base, a final link, a working body, a first rotational motor mounted on the base, a turntable with a second rotational motor installed on it, with an axis crossing the axis of the first rotational motor at a right angle, the initial link coupled with the second rotational motor, connected by means of an intermediate rotational kinematic pair with the intermediate link coupled by means of the final rotational kinematic pair with the final link, the axes of the intermediate and final rotational kinematic pairs being placed parallel to the axis of the second rotational engine, the first additional link being placed parallel to the axis of the initial link a link coupled by means of the first and second additional kinematic pairs, respectively, with a turntable and with an intermediate link, a second additional is placed parallel to the axis of the intermediate link An additional link coupled by means of the third and fourth additional kinematic pairs, respectively, with the initial and final links, a working body is installed on the final link, which, by means of additional rotational and additional translational motors, is able to move along and around its axis parallel to the axis of the final link, the first and second additional kinematic pairs mating the first additional link with the turntable and intermediate link, respectively, are made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are located parallel to the axis of the second rotational motor, the third and fourth additional kinematic pairs mating the second additional link with the intermediate link and with the end link, made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are placed parallel to the axis of the second rotational motor, the device is equipped with a control mechanism containing a the first rotation sensor, which sets the displacement in the first rotational motor, coupled to the first rotation sensor, the first input link, made in the form of an arc, installed on the base; the second rotation sensor, which sets the displacement in the second rotational motor, associated with the second in the form of an arc, a cardan joint mounted on the base, rigidly coupled to the vertical axis, on which the third rotation sensor is located, which sets the movement in the additional rotational motor of the actuator, the first and second input links of the control mechanism are coupled by means of bushings covering these links, with the vertical axis of this mechanism, a linear displacement sensor is located on the vertical axis of the control mechanism, which sets the movement in the additional translational motor of the actuator.

Использование дополнительного поступательного двигателя и управляющего механизма, содержащего датчики поворота звеньев, обеспечивает контроль геометрии векторов угловой скорости в кинематических парах, требуемых для поддержания заданной точности проведения операций.The use of an additional translational motor and a control mechanism containing link rotation sensors ensures control of the geometry of the angular velocity vectors in kinematic pairs required to maintain the specified accuracy of operations.

На фиг. 2 представлен хирургический робот-манипулятор.In FIG. 2 shows a surgical robotic arm.

На фиг. 3 - элементы исполнительного механизма в увеличенном масштабе.In FIG. 3 - elements of the actuator on an enlarged scale.

На фиг. 4 - размещение датчиков на устройстве.In FIG. 4 - placement of sensors on the device.

Хирургический робот-манипулятор включает исполнительный механизм, содержащий основание 1 (фиг. 2), конечное звено 2, рабочий орган 3, первый вращательный двигатель 4, установленный на основании 1, поворотную платформу 5 с установленным на ней вторым вращательным двигателем 6 с осью, пересекающей под прямым углом ось первого вращательного двигателя 4, сопряженное со вторым вращательным двигателем 6 начальное звено 7, связанное посредством промежуточной вращательной кинематической пары 8 с промежуточным звеном 9, сопряженным посредством конечной вращательной кинематической пары 10 с конечным звеном 2, причем оси промежуточной 8 и конечной 10 вращательных кинематических пар размещены параллельно оси второго вращательного двигателя 6, параллельно оси начального звена 7 размещено первое дополнительное звено 11, сопряженное посредством первой 12 и второй 13 дополнительных вращательных кинематических пар соответственно с поворотной платформой 5 и с промежуточным звеном 9, параллельно оси промежуточного звена 9 размещено второе дополнительное звено 14, сопряженное посредством третьей 15 и четвертой 16 дополнительных вращательных кинематических пар соответственно с начальным 7 и конечным 2 звеньями, на конечном звене 2 установлен рабочий орган 3, который посредством дополнительного вращательного 17 и дополнительного поступательного 18 (фиг. 2, 3) двигателей способен перемещаться вдоль и вокруг своей оси, параллельной оси конечного звена 2. Кроме того, устройство снабжено первой 12 и второй 13 дополнительными кинематическими парами, сопрягающими первое дополнительное звено 11 соответственно с поворотной платформой 5 и с промежуточным звеном 9, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя 6, третья 15 и четвертая 16 дополнительные кинематические пары, сопрягающие второе дополнительное 14 звено соответственно с промежуточным звеном 7 и с конечным звеном 2, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя 6, устройство снабжено управляющим механизмом, содержащим установленный на основании первый датчик 19 поворота, задающий перемещение в первом вращательном двигателе 4, сопряженное с первым датчиком поворота 19 первое входное звено 20 (фиг. 4), выполненное в виде дуги, установленный на основании второй датчик поворота 21, задающий перемещение во втором вращательном двигателе 6, сопряженное со вторым датчиком поворота 21 второе входное звено 22, выполненное в виде дуги, установленный на основании карданный шарнир 23, жестко сопряженный с вертикальной осью 24, на которой расположен третий датчик поворота 25, задающий перемещение в дополнительном вращательном двигателе 17 исполнительного механизма, первое 20 и второе 22 входные звенья управляющего механизма сопряжены посредством втулок, охватывающих эти звенья, с вертикальной осью 24 этого механизма, на вертикальной оси 24 управляющего механизма расположен датчик линейного перемещения 26, задающий перемещение в дополнительном поступательном двигателе 18 исполнительного механизма, с датчиком линейного перемещения 26 сопряжена рукоятка управления 27.The surgical robotic arm includes an actuator comprising a base 1 (Fig. 2), an end link 2, a working body 3, a first rotary motor 4 mounted on the base 1, a turntable 5 with a second rotary motor 6 mounted on it with an axis crossing at a right angle, the axis of the first rotary motor 4, coupled with the second rotary motor 6, the initial link 7, connected by means of an intermediate rotary kinematic pair 8 with the intermediate link 9, coupled through the final rotary kinematic pair 10 with the final link 2, and the axis of the intermediate 8 and the final 10 rotational kinematic pairs are placed parallel to the axis of the second rotational motor 6, parallel to the axis of the initial link 7 is placed the first additional link 11, coupled through the first 12 and second 13 additional rotational kinematic pairs, respectively, with the turntable 5 and with the intermediate link 9, parallel to the axis of the industrial intermediate link 9 is placed the second additional link 14, coupled by means of the third 15 and fourth 16 additional rotational kinematic pairs, respectively, with the initial 7 and final 2 links, on the final link 2 there is a working body 3, which, by means of an additional rotational 17 and an additional translational 18 (Fig. 2, 3) of the engine is able to move along and around its axis, parallel to the axis of the final link 2. In addition, the device is equipped with the first 12 and second 13 additional kinematic pairs, mating the first additional link 11, respectively, with the turntable 5 and with the intermediate link 9, made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are placed parallel to the axis of the second rotational motor 6, the third 15 and fourth 16 additional kinematic pairs mating the second additional link 14, respectively, with the intermediate link 7 and with the final link 2, are made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which placed parallel to the axis of the second rotational motor 6, the device is equipped with a control mechanism containing the first rotation sensor 19 installed on the base, which sets the movement in the first rotational engine 4, coupled with the first rotation sensor 19, the first input link 20 (Fig. 4), made in the form of an arc installed on the basis of the second rotation sensor 21, which sets the movement in the second rotational motor 6, associated with the second rotation sensor 21, the second input link 22, made in the form of an arc, mounted on the base of the universal joint 23, rigidly associated with the vertical axis 24, on which the third sensor is located rotation 25, which sets the movement in the additional rotary motor 17 of the actuator, the first 20 and second 22 input links of the control mechanism are connected by means of bushings covering these links with the vertical axis 24 of this mechanism, on the vertical axis 24 of the control mechanism there is a linear displacement sensor 26 that sets movement in the additional translational motor 18 of the actuator, the control handle 27 is associated with the linear displacement sensor 26.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Для поворота исполнительным механизмом относительно основания 1 конечного звена 2 вместе с рабочим органом 3 вокруг горизонтальной оси первый вращательный двигатель 4, установленный на основании 1, поворачивает поворотную платформу 5 с установленным на ней вторым вращательным двигателем 6, с начальным звеном 7, с промежуточной вращательной кинематической парой 8, с промежуточным звеном 9, с конечной вращательной кинематической парой 10, с первым дополнительным звеном 11, с первой 12 и второй 13 дополнительными вращательными кинематическими парами, со вторым дополнительным звеном 14, с третьей 15 и четвертой 16 дополнительными вращательными кинематическими парами, с дополнительным вращательным 17 и дополнительным поступательным 18 двигателями. При этом все элементы поворачиваются как единое целое вокруг оси первого вращательного двигателя 4.To rotate the actuator relative to the base 1 of the final link 2, together with the working body 3 around the horizontal axis, the first rotational motor 4, mounted on the base 1, rotates the rotary platform 5 with the second rotational motor 6 installed on it, with the initial link 7, with an intermediate rotational kinematic pair 8, with an intermediate link 9, with a final rotational kinematic pair 10, with the first additional link 11, with the first 12 and second 13 additional rotational kinematic pairs, with the second additional link 14, with the third 15 and fourth 16 additional rotational kinematic pairs, with additional rotational 17 and additional translational 18 engines. In this case, all elements rotate as a whole around the axis of the first rotational motor 4.

Величина и скорость поворота вокруг оси первого вращательного двигателя 4 задается оператором с помощью управляющего механизма. При этом относительно основания 1 первый датчик поворота 19, задающий перемещение в первом вращательном двигателе 4, получает поворот от первого входного звена 20, выполненного в виде дуги, и получающего поворот от вертикальной оси 24, жестко сопряженной с установленным на основании 1 карданным шарниром 23, и таким образом имеющей возможность поворота относительно основания 1. Вертикальная ось 24 получает поворот от рукоятки 27, на которую воздействует оператор. При этом установленный на основании второй датчик поворота 21 остается неподвижным, поскольку сопряженное с ним второе входное звено 22, выполненное в виде дуги, также неподвижно. Дело в том, что угловое перемещение вертикальной оси 24 в данном случае не передается на второе входное звено 22 из-за наличия втулки, охватывающей второе входное звено 22. Кроме того, отсутствуют перемещения в третьем датчике поворота 25, а также в датчике линейного перемещения 26, поскольку оператор, воздействуя на рукоятку управления 27, задает лишь одно движение, не соответствующее перемещению в датчиках 21, 25 и 26.The magnitude and speed of rotation around the axis of the first rotary motor 4 is set by the operator using the control mechanism. At the same time, relative to the base 1, the first rotation sensor 19, which sets the movement in the first rotational motor 4, receives rotation from the first input link 20, made in the form of an arc, and receiving rotation from the vertical axis 24, rigidly coupled to the cardan joint 23 installed on the base 1, and thus rotatable relative to the base 1. The vertical axis 24 is rotated by the handle 27, which is acted upon by the operator. At the same time, the second rotation sensor 21, mounted on the base, remains stationary, since the second input link 22 conjugated with it, made in the form of an arc, is also stationary. The fact is that the angular displacement of the vertical axis 24 in this case is not transmitted to the second input link 22 due to the presence of a sleeve covering the second input link 22. In addition, there are no movements in the third rotation sensor 25, as well as in the linear displacement sensor 26 , since the operator, acting on the control handle 27, sets only one movement that does not correspond to the movement in the sensors 21, 25 and 26.

Для поворота исполнительным механизмом относительно основания 1 конечного звена 2 вместе с рабочим органом 3 вокруг второй оси, перпендикулярной оси конечного звена 2, второй вращательный двигатель 6 вращает сопряженное с ним начальное звено 7, которое посредством промежуточной вращательной кинематической пары 8 передает движение промежуточному звену 9, передающему через конечную вращательную кинематическую пару 10 передает движение конечному звену 2. Поскольку оси промежуточной 8 и конечной 10 вращательных кинематических пар размещены параллельно оси второго вращательного двигателя 6, то конечное звено 2 может вращаться лишь относительно оси, параллельной оси второго вращательного двигателя 6. При этом начальное звено 7 передает движение первому дополнительному звену 11, посредством первой 12 и второй 13 дополнительных вращательных кинематических пар, сопряженных соответственно с поворотной платформой 5 и с промежуточным звеном 9. Кроме того, начальное звено 7 передает движение второму дополнительному звену 14 посредством третьей 15 и четвертой 16 дополнительных вращательных кинематических пар, сопряженных соответственно с начальным 7 и конечным 2 звеньями. Поскольку ось первого дополнительного звена 11 параллельна оси начального звена 7, а ось второго дополнительного звена 14 параллельна оси промежуточного звена 9, то угол поворота начального звена 7 равен углу поворота конечного звена 2. Вместе с конечным звеном 2 как единое целое перемещается рабочий орган 3, дополнительный вращательный 17 и дополнительно поступательный 18 двигатели.To rotate the actuator relative to the base 1 of the final link 2 together with the working body 3 around the second axis perpendicular to the axis of the final link 2, the second rotational motor 6 rotates the initial link 7 associated with it, which, through the intermediate rotational kinematic pair 8, transmits the movement to the intermediate link 9, transmitting through the final rotary kinematic pair 10 transmits the movement to the final link 2. Since the axes of the intermediate 8 and final 10 rotational kinematic pairs are placed parallel to the axis of the second rotary motor 6, the final link 2 can rotate only about an axis parallel to the axis of the second rotary motor 6. In this case the initial link 7 transmits the movement to the first additional link 11, through the first 12 and second 13 additional rotational kinematic pairs associated respectively with the turntable 5 and with the intermediate link 9. In addition, the initial link 7 transmits the movement to the second at the additional link 14 through the third 15 and fourth 16 additional rotational kinematic pairs associated with the initial 7 and final 2 links, respectively. Since the axis of the first additional link 11 is parallel to the axis of the initial link 7, and the axis of the second additional link 14 is parallel to the axis of the intermediate link 9, the angle of rotation of the initial link 7 is equal to the angle of rotation of the final link 2. Together with the final link 2, the working body 3 moves as a whole, additional rotational 17 and additional translational 18 motors.

Величина и скорость поворота вокруг оси второго вращательного двигателя 6 задается оператором с помощью управляющего механизма. При этом относительно основания 1 второй датчик поворота 21, задающий перемещение во втором вращательном двигателе 6, получает поворот от второго входного звена 22, выполненного в виде дуги, и получающего поворот от вертикальной оси 24, жестко сопряженной с установленным на основании 1 карданным шарниром 23, и таким образом имеющей возможность поворота относительно основания 1. Вертикальная ось 24 получает поворот от рукоятки 27, на которую воздействует оператор. При этом установленный на основании первый датчик поворота 19 остается неподвижным, поскольку сопряженное с ним первое входное звено 20, выполненное в виде дуги, также неподвижно. Дело в том, что угловое перемещение вертикальной оси 24 в данном случае не передается на первое входное звено 20 из-за наличия втулки, охватывающей первое входное звено 20. Кроме того, отсутствуют перемещения в третьем датчике поворота 25, а также в датчике линейного перемещения 26, поскольку оператор, воздействуя на рукоятку управления 27, задает лишь одно движение, не соответствующее перемещению в датчиках 19, 25 и 26.The magnitude and speed of rotation around the axis of the second rotary motor 6 is set by the operator using the control mechanism. At the same time, relative to the base 1, the second rotation sensor 21, which sets the movement in the second rotational motor 6, receives rotation from the second input link 22, made in the form of an arc, and receiving rotation from the vertical axis 24, rigidly coupled to the cardan joint 23 installed on the base 1, and thus rotatable relative to the base 1. The vertical axis 24 is rotated by the handle 27, which is acted upon by the operator. At the same time, the first rotation sensor 19 installed on the base remains stationary, since the first input link 20 associated with it, made in the form of an arc, is also stationary. The fact is that the angular displacement of the vertical axis 24 in this case is not transmitted to the first input link 20 due to the presence of a sleeve covering the first input link 20. In addition, there are no movements in the third rotation sensor 25, as well as in the linear displacement sensor 26 , since the operator, acting on the control handle 27, sets only one movement that does not correspond to the movement in the sensors 19, 25 and 26.

Для поворота относительно основания 1 и конечного звена 2 рабочего органа 3 вокруг своей оси дополнительный вращательный двигатель 17 осуществляет вращение рабочего органа 3.To rotate relative to the base 1 and the end link 2 of the working body 3 around its axis, the additional rotational motor 17 rotates the working body 3.

Величина и скорость поворота вокруг оси дополнительного вращательного двигателя 17 задается оператором с помощью управляющего механизма. При этом относительно основания 1 и вертикальной оси 24 получает вращательное движение третий датчик поворота 25, задающий перемещение в дополнительном вращательном двигателе 17. Вертикальная ось 24 при этом неподвижна, следовательно, отсутствуют перемещения в первом 19 и втором 21 датчиках поворота. Кроме того, отсутствует движение и в датчике линейного перемещения 26, поскольку оператор, воздействуя на рукоятку управления 27, задает лишь одно движение, не соответствующее перемещению в датчиках 19, 21 и 26.The magnitude and speed of rotation around the axis of the additional rotational motor 17 is set by the operator using the control mechanism. In this case, relative to the base 1 and the vertical axis 24, the third rotation sensor 25 receives rotational movement, which sets the movement in the additional rotational motor 17. The vertical axis 24 is stationary, therefore, there are no movements in the first 19 and second 21 rotation sensors. In addition, there is no movement in the linear displacement sensor 26, since the operator, acting on the control handle 27, sets only one movement that does not correspond to the movement in the sensors 19, 21 and 26.

Для линейного перемещения относительно основания 1 и конечного звена 2 рабочего органа 3 вдоль своей оси дополнительный поступательный двигатель 18 осуществляет линейное перемещение рабочего органа 3.For linear movement relative to the base 1 and the end link 2 of the working body 3 along its axis, the additional translational motor 18 performs linear movement of the working body 3.

Величина и скорость линейного перемещения вдоль оси дополнительного поступательного двигателя 18 задается оператором с помощью управляющего механизма. При этом относительно основания 1 и вертикальной оси 24 получает поступательное движение датчик линейного перемещения 26, задающий линейное перемещение в дополнительном поступательном двигателе 18. Вертикальная ось 24 при этом неподвижна, следовательно, отсутствуют перемещения в первом 19 и втором 21 датчиках поворота. Кроме того, отсутствует движение и в третьем датчике поворота 25, поскольку оператор, воздействуя на рукоятку управления 27, задает лишь одно движение, не соответствующее перемещению в датчиках 19, 21 и 25.The magnitude and speed of linear movement along the axis of the additional translational motor 18 is set by the operator using the control mechanism. In this case, relative to the base 1 and the vertical axis 24, the linear displacement sensor 26 receives translational movement, which sets the linear movement in the additional translational motor 18. The vertical axis 24 is stationary, therefore, there are no movements in the first 19 and second 21 rotation sensors. In addition, there is no movement in the third rotation sensor 25, since the operator, acting on the control handle 27, sets only one movement that does not correspond to the movement in the sensors 19, 21 and 25.

Контроль величины всех перемещений осуществляется визуально оператором.The control of the magnitude of all movements is carried out visually by the operator.

Увеличение точности по сравнению с прототипом достигается тем, что в предложенном устройстве постоянство точки ввода инструмента определяется наличием двух механизмов шарнирных параллелограммов, что обеспечивает большую жесткость по сравнению с наличием двух конических передач с относительно небольшим радиусом конических колес. Звенья шарнирных параллелограммов имеют гораздо больший радиус воздействия сил реакций, что при наличии одинаковых моментов сил сопротивления даст гораздо меньшую деформацию всех элементов механизма. Этим обусловлено повышение точности функционирования предлагаемого механизма по сравнению с прототипом.The increase in accuracy compared to the prototype is achieved by the fact that in the proposed device, the constancy of the tool entry point is determined by the presence of two mechanisms of articulated parallelograms, which provides greater rigidity compared to the presence of two bevel gears with a relatively small radius of the bevel wheels. Links of articulated parallelograms have a much larger radius of influence of reaction forces, which, in the presence of the same moments of resistance forces, will give a much smaller deformation of all elements of the mechanism. This is due to the increase in the accuracy of the proposed mechanism in comparison with the prototype.

Использование предложенного устройства позволяет обеспечить точность проведения эндоскопических операций с использованием хирургических роботов-манипуляторов.The use of the proposed device makes it possible to ensure the accuracy of endoscopic operations using surgical robotic manipulators.

Claims (1)

Хирургический робот-манипулятор, включающий исполнительный механизм, содержащий основание, конечное звено, рабочий орган, первый вращательный двигатель, установленный на основании, поворотную платформу с установленным на ней вторым вращательным двигателем с осью, пересекающей под прямым углом ось первого вращательного двигателя, сопряженное со вторым вращательным двигателем начальное звено, связанное посредством промежуточной вращательной кинематической пары с промежуточным звеном, сопряженным посредством конечной вращательной кинематической пары с конечным звеном, причем оси промежуточной и конечной вращательных кинематических пар размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, параллельно оси начального звена размещено первое дополнительное звено, сопряженное посредством первой и второй дополнительных кинематических пар соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, параллельно оси промежуточного звена размещено второе дополнительное звено, сопряженное посредством третьей и четвертой дополнительных кинематических пар соответственно с начальным и конечным звеньями, на конечном звене установлен рабочий орган, который посредством дополнительного вращательного и дополнительного поступательного двигателей способен перемещаться вдоль и вокруг своей оси, параллельной оси конечного звена, отличающийся тем, что первая и вторая дополнительные кинематические пары, сопрягающие первое дополнительное звено соответственно с поворотной платформой и с промежуточным звеном, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, третья и четвертая дополнительные кинематические пары, сопрягающие второе дополнительное звено соответственно с промежуточным звеном и с конечным звеном, выполнены в виде вращательных кинематических пар, оси которых размещены параллельно оси второго вращательного двигателя, устройство снабжено управляющим механизмом, содержащим установленный на основании первый датчик поворота, задающий перемещение в первом вращательном двигателе, сопряженное с первым датчиком поворота первое входное звено, выполненное в виде дуги, установленный на основании второй датчик поворота, задающий перемещение во втором вращательном двигателе, сопряженное со вторым датчиком поворота второе входное звено, выполненное в виде дуги, установленный на основании карданный шарнир, жестко сопряженный с вертикальной осью, на которой расположен третий датчик поворота, задающий перемещение в дополнительном вращательном двигателе исполнительного механизма, первое и второе входные звенья управляющего механизма сопряжены посредством втулок, охватывающих эти звенья, с вертикальной осью этого механизма, на вертикальной оси управляющего механизма расположен датчик линейного перемещения, задающий перемещение в дополнительном поступательном двигателе исполнительного механизма.A surgical robotic arm comprising an actuator comprising a base, a final link, a working body, a first rotary motor mounted on the base, a turntable with a second rotary motor mounted on it, with an axis crossing at right angles the axis of the first rotary motor coupled to the second rotational motor, the initial link connected by means of an intermediate rotational kinematic pair with the intermediate link coupled by means of the final rotational kinematic pair with the final link, and the axes of the intermediate and final rotational kinematic pairs are placed parallel to the axis of the second rotary engine, the first additional link is placed parallel to the axis of the initial link, the conjugated by means of the first and second additional kinematic pairs, respectively, with a turntable and with an intermediate link, a second additional link is placed parallel to the axis of the intermediate link, conjugated along by means of the third and fourth additional kinematic pairs, respectively, with the initial and final links, a working body is installed on the final link, which, by means of additional rotational and additional translational motors, is able to move along and around its axis parallel to the axis of the final link, characterized in that the first and second additional kinematic pairs mating the first additional link with the turntable and intermediate link, respectively, are made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are located parallel to the axis of the second rotational motor, the third and fourth additional kinematic pairs mating the second additional link, respectively, with the intermediate link and with the final link, made in the form of rotational kinematic pairs, the axes of which are placed parallel to the axis of the second rotational motor, the device is equipped with a control mechanism containing the first date set on the basis Rotation encoder that sets the movement in the first rotational motor, coupled with the first rotation sensor, the first input link, made in the form of an arc, mounted on the base, the second rotation sensor, which sets the displacement in the second rotational motor, associated with the second rotation sensor, the second input link, made in the form an arc mounted on the base of the cardan joint, rigidly coupled to the vertical axis, on which the third rotation sensor is located, which sets the movement in the additional rotational motor of the actuator, the first and second input links of the control mechanism are coupled by means of bushings covering these links with the vertical axis of this mechanism , on the vertical axis of the control mechanism there is a linear displacement sensor that sets the movement in the additional translational motor of the actuator.

Images