A sistema robótico (200, 300) que comprende : un conjunto de manipulador (304) para desplazar robóticamente un efector de extremo distal (50) con respecto a una base proximal (302),

el conjunto de manipulador (304) teniendo una pluralidad de articulaciones (J1-J10), las articulaciones (J1-J10) teniendo grados de libertad redundantes para desplazar robóticamente el efector de extremo distal (50) ; un dispositivo de entrada (220) para recibir una indicación de un movimiento deseado del efector de extremo distal (50) ; y un procesador (210) configurado para de forma concurrente en un modo de manipulación del efector de extremo distal (50) en el que el procesador (210) determina un movimiento deseado de las articulaciones (J1-J10) para efectuar el movimiento deseado del efector de extremo (50) y un modo de embrague en el que el procesador (210) determina un movimiento deseado de al menos una de las articulaciones (J1-J10) como respuesta a una articulación manual de otra articulación del conjunto de manipulador (304).

Sistemas robóticos altamente configurables para cirugía y otros usos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere en general a los dispositivos, sistemas y procedimientos médicos, de telecirugía, de telepresencia, telerobóticos, y / o robóticos. En una realización a título de ejemplo, la invención proporciona un sistema robótico quirúrgico con suficientes grados de libertad para proporcionar tanto un movimiento deseado dentro de un sitio interno quirúrgico como un movimiento pivotante alrededor de una abertura quirúrgica mínimamente invasiva. En realizaciones relacionadas, la invención también proporciona sistemas, procedimientos y dispositivos que pueden ser utilizados para la puesta a punto y / o el control de sistemas robóticos.

Las técnicas médicas mínimamente invasivas están destinadas a reducir la cantidad de tejido que se daña durante procedimientos de diagnóstico o quirúrgicos. La cirugía mínimamente invasiva puede reducir el tiempo de recuperación del paciente, la incomodidad, y muchos de los efectos secundarios nocivos de la cirugía. Si bien muchas de las cirugías que se realizan cada año en los EE.UU. podrían llevarse a cabo de una manera mínimamente invasiva, sólo una parte limitada de las cirugías actuales utilizan estas técnicas ventajosas debido en parte a las limitaciones de los instrumentos quirúrgicos mínimamente invasivos existentes y los desafíos que plantean.

Los sistemas robóticos mínimamente invasivos se han desarrollado recientemente para aumentar la destreza de un cirujano y evitar algunas de las limitaciones de la cirugía tradicional mínimamente invasiva. En la cirugía robótica, el cirujano utiliza alguna forma de control robótico (tal como un servomecanismo máster-esclavo o similar) para manipular instrumentos quirúrgicos, en lugar de sostener y mover los instrumentos a mano directamente. El cirujano puede ver con una imagen un sitio quirúrgico interno y así dirigir el tratamiento de los tejidos. Mientras ve una imagen en dos o tres dimensiones en una pantalla, el cirujano realiza los procedimientos quirúrgicos en el paciente mediante la manipulación de los dispositivos de entrada de control maestro, que a su vez controlan el movimiento de los instrumentos robóticos. Los instrumentos robóticos quirúrgicos se pueden insertar a través de aberturas pequeñas quirúrgicas mínimamente invasivas para el tratamiento de los tejidos en los sitios quirúrgicos dentro del paciente, generalmente el trauma asociado con el acceso a la cirugía abierta. Estos sistemas robóticos pueden mover los extremos de trabajo de los instrumentos quirúrgicos con destreza suficiente para realizar tareas quirúrgicas bastante complejas, generalmente por pivotamiento de ejes de los instrumentos en la abertura mínimamente invasiva, por deslizamiento axial del eje a través de la abertura, por rotación del eje dentro de la abertura, y/ o similares.

El servomecanismo utilizado para telecirugía aceptará generalmente la entrada de dos controladores maestros (uno para cada una de las manos del cirujano) y podrá incluir dos o más brazos robotizados o manipuladores. La cartografía de los movimientos de la mano en correspondencia con la imagen de los instrumentos robóticos que muestra el dispositivo de captura de imágenes puede ayudar a proporcionar al cirujano un control preciso sobre los instrumentos asociados con cada mano. En muchos sistemas robóticos quirúrgicos, se incluyen uno o más manipuladores robóticos adicionales para mover un endoscopio u otro dispositivo de captura de imágenes, instrumentos quirúrgicos adicionales, o similares.

Mientras que los nuevos sistemas y dispositivos robóticos quirúrgicos han demostrado ser muy eficaces y ventajosos, aún son deseables más mejoras. Por ejemplo, cuando se mueven los instrumentos quirúrgicos dentro de un sitio quirúrgico mínimamente invasivo, los manipuladores robóticos quirúrgicos pueden presentar una cantidad significativa de movimientos fuera del paciente, particularmente al pivotar instrumentos en aberturas mínimamente invasivas. Como los instrumentos pueden pivotar al mismo tiempo de forma independiente alrededor de sus aberturas asociadas, los manipuladores robóticos dispuestos fuera del paciente pueden a veces chocar entre sí (o con otras estructuras o personal) . Además, la configuración del sistema quirúrgico robótico para la preparación de la cirugía puede ser un reto, y puede ser un inconveniente volver a configurar el sistema para acceder a diferentes tejidos del paciente durante las diferentes fases de un procedimiento.

Por estas y otras razones, sería ventajoso proporcionar dispositivos, sistemas y procedimientos mejorados para la cirugía, la cirugía robótica, y otras aplicaciones robóticas. Sería particularmente beneficioso si estas tecnologías mejoradas proporcionasen un montaje más rápido y fácil, y/ o inhibiesen colisiones de los dispositivos robóticos durante su uso. Lo ideal sería que estas mejoras se proporcionasen sin aumentar significativamente el tamaño, la complejidad mecánica, o el coste de estos sistemas, manteniendo o mejorando al mismo tiempo su destreza.

[0008a] EP 1 234 641 A1 describe un controlador de robot que opera para mantener una posición de una herramienta que permite la traslación flexible de la herramienta en respuesta a una fuerza aplicada externamente. El controlador de robot logra este objetivo mediante el uso de un circuito de control que tiene un lazo de realimentación en función del estado posición / velocidad.

BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención proporciona un sistema robótico tal como se describe en la reivindicación 1 adjunta. En varias realizaciones, la invención empleará manipuladores robóticos quirúrgicos altamente configurables. Estos manipuladores, por ejemplo, pueden tener más grados de libertad de movimiento que los efectores quirúrgicos finales asociados dentro de un espacio de trabajo quirúrgico. Las realizaciones de la invención incluirán generalmente un procesador configurado por instrucciones de programa para calcular un movimiento de la articulación robótica que incluye pivotar un eje de la articulación de manipulador sobre un sitio de abertura, de ahí la noción de software de centrado. Las articulaciones de los manipuladores robóticos que soportan los efectores de extremo pueden permitir al manipulador moverse a lo largo de una serie de configuraciones diferentes para una determinada posición del efector de extremo, en algunos casos, incluso restringiendo el movimiento lateral del eje desde el sitio de abertura a fin de evitar daños a los tejidos adyacentes. El procesador puede sacar ventaja de estos manipuladores para llevar a los manipuladores a configuraciones donde se inhiben las colisiones que involucran a una o más estructuras robóticas móviles. El ajuste de estos manipuladores robóticos altamente configurables puede ser facilitado por procesadores que controlan a una o más articulaciones de los manipuladores, mientras el manipulador va siendo posicionado manualmente por el operador del sistema (o por alguna otra interacción externa) , con las articulaciones siendo opcionalmente accionadas en respuesta a los movimientos de otras articulaciones a lo largo de la cadena cinemática del manipulador. Las realizaciones pueden ajustar un centro de movimiento pivotante del manipulador en respuesta a la respiración y / o movimiento del paciente, en algunos casos por detección de las fuerzas aplicadas entre el manipulador y los tejidos a lo largo del sitio de la abertura. También se proporcionan estructuras robóticas refinadas para su uso en aplicaciones quirúrgicas mínimamente invasivas y otras aplicaciones, junto con los procedimientos robóticos relacionados.

En una configuración, se proporciona un sistema robótico quirúrgico con grados de libertad redundantes (RDOF) con entrada de manipulación. El sistema robótico quirúrgico RDOF, comprende un conjunto de manipulador, un dispositivo de entrada, y un procesador. Como respuesta a una orden para efectuar un movimiento deseado del efector de extremo tal como se recibe por el dispositivo de entrada se manipula el conjunto de manipulador. El manipulador tiene una pluralidad de articulaciones que proporcionan suficientes grados de libertad para permitir una gama de estados de articulación para una posición de efector de extremo. El procesador acopla el dispositivo de entrada al conjunto de manipulador y puede configurarse para operar en diferentes modos. En el modo de manipulación del efector de extremo, el procesador determina los movimientos de las... [Seguir leyendo]

1. A sistema robótico (200, 300) que comprende : un conjunto de manipulador (304) para desplazar robóticamente un efector de extremo distal (50) con respecto a una base proximal (302) , el conjunto de manipulador (304) teniendo una pluralidad de articulaciones (J1-J10) , las articulaciones (J1-J10) teniendo grados de libertad redundantes para desplazar robóticamente el efector de extremo distal (50) ; un dispositivo de entrada (220) para recibir una indicación de un movimiento deseado del efector de extremo distal (50) ; y un procesador (210) configurado para de forma concurrente en un modo de manipulación del efector de extremo distal (50) en el que el procesador (210) determina un movimiento deseado de las articulaciones (J1-J10) para efectuar el movimiento deseado del efector de extremo (50) y un modo de embrague en el que el procesador (210) determina un movimiento deseado de al menos una de las articulaciones (J1-J10) como respuesta a una articulación manual de otra articulación del conjunto de manipulador (304) .

2. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 1, en el cada articulación (J1-J10) del conjunto de manipulador (304) tiene un grado de libertad de articulación asociado, y en el que el procesador (210) en el modo de embrague está configurado para accionar la al menos una articulación como respuesta a la articulación manual de la otra articulación para proporcionar al conjunto de manipulador (304) un grado de libertad de embrague efectivo, el grado de libertad de embrague difiriendo de cada uno de los grados de libertad de articulación.

3. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 2, en el que alguna o todas las articulaciones (J1-J10) del conjunto de manipulador (304) están configuradas para ser accionadas por el procesador (210) en el modo de embrague, y el procesador (210) en el modo de embrague está configurado para accionar el conjunto de manipulador (304) como respuesta a una articulación manual de una pluralidad de las articulaciones (J1-J10) del conjunto de manipulador (304) de modo que el conjunto de manipulador (304) tiene una pluralidad de grados de libertad efectivos cuando el procesador (210) está en el modo de embrague.

4. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 1, en el que el conjunto de manipulador (304) comprende un instrumento quirúrgico (306) que tiene un eje (14.1) que se extiende entre una interfaz de montaje (232) y el efector de extremo (50) , en el que el procesador (210) en el modo de manipulación comprende un controlador másteresclavo (550) configurado para derivar el movimiento deseado del efector de extremo (50) dentro de un espacio quirúrgico interno de modo que el eje (14.1) pasa a través de un lugar de abertura mínimamente invasivo.

5. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 4, en el que el controlador máster-esclavo (550) comprende a controlador de velocidad (544) , y en el que el procesador (210) en el modo de embrague está configurado para usar un filtro dependiente de la configuración (546) para accionar las articulaciones (J1-J10) con las combinaciones deseadas de velocidades de articulación que están permitidas en el modo de embrague.

6. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 4, en el que el modo de embrague comprende un modo de embrague pose, el procesador (210) en el modo de embrague pose, como respuesta a una articulación manual de al menos una primera articulación del conjunto de manipulador (304) , estando configurado para efectuar un movimiento de al menos una segunda articulación del conjunto de manipulador (304) , el movimiento de la segunda articulación manteniendo una posición del conjunto de manipulador (304) distal de las articulaciones primera y segunda (J1-J10) .

7. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 4, en el que el modo de embrague comprende un modo de embrague de instrumento, el procesador (210) en el modo de embrague de instrumento estando configurado para accionar al menos alguna de las articulaciones (J1-J10) de modo que el conjunto de manipulador (304) pivota sobre el lugar de abertura mínimamente invasivo cuando el conjunto de manipulador (304) es articulado manualmente.

8. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 4, en el que el modo de embrague comprende un modo de embrague de orificio, el procesador (210) en el modo de embrague de orificio estando configurado para permitir un reposicionamiento manual del conjunto de manipulador (304) adyacente al eje (14.1) para posicionar lateralmente un eje (14.1) adyacente al lugar de abertura.

9. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 4, en el que el modo de embrague comprende un modo de embrague de orificio, el procesador (210) estando configurado para determinar un emplazamiento del lugar de abertura al menos en parte desde la configuración del conjunto de manipulador (304) cuando el procesador (210) cambia del modo de embrague de orificio al modo de manipulación del efector de extremo.

10. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 9, que comprende una entrada de embrague de orificio (516a) adyacente a la interfaz de montaje de instrumento (232) .

11. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 10, en el que el conjunto de manipulador (304) tiene una articulación axial adyacente a la entrada de embrague de orificio (516a) para la inserción axial del eje (14.1) a través del lugar de acceso.

12. El sistema robótico (200, 300) de la reivindicación 9, en el que el procesador (210) está configurado para accionar el conjunto de manipulador (304) en el modo de embrague de orificio para efectuar al menos uno de entre : equilibrar las fuerzas gravitatorias que actúan sobre el conjunto de manipulador (304) ; amortiguar el momento del conjunto de manipulador (304) durante el movimiento ; o empujar el conjunto de manipulador (304) hacia una pose

deseada para cirugía.

13. Procedimiento robótico implementado en un sistema robótico (200, 300) que tiene un conjunto de manipulador (304) para desplazar robóticamente un efector de extremo distal (50) con respecto a una base proximal (302) , teniendo el conjunto de manipulador (304) una pluralidad de articulaciones (J1-J10) , teniendo las articulaciones (J1-J10) grados de libertad redundantes para desplazar robóticamente el efector de extremo distal (50) , comprendiendo 10 el procedimiento robótico : recibir una indicación de un movimiento deseado del efector de extremo distal (50) ; determinar de forma concurrente el movimiento deseado de las articulaciones (J1-J10) para efectuar el movimiento deseado del efector de extremo (50) y movimiento deseado de al menos una de las articulaciones (J1-J10) como respuesta a una articulación manual de otra articulación (J1-J10) del conjunto de manipulador (304) ; y accionar la pluralidad de articulaciones (J1-J10) para efectuar los movimientos deseados del efector de extremo (50) y la al menos una articulación (J1-J10) .

INSTRUMENTO

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