Способ управления роботохирургическим комплексом

Изобретение относится к медицине, а именно к способам управления роботохирургическим комплексом. Комплекс содержит консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью, выполненной в виде планетарно-рычажного механизма, стойку пациента с узлом доставки, снабженным исполнительным манипулятором с закрепленными на них хирургическими инструментами и видеокамерой, дисплей и локальные контроллеры, связанные с системой автоматического управления и энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, каждый из которых характеризуется системой координат. Способ включает непрерывное определение посредством энкодеров координат и угловых положений главного манипулятора, координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и с хирургическим инструментом. Осуществляют выбор точки троакара с фиксированием ее положения в глобальной системе координат. Определяют угловые положения, точки и вектора узла доставки и главного манипулятора в глобальной системе координат и в системе координат камеры. Определяют по математическому алгоритму отклонения точек и векторов управляющей рукояти в системах координат главного манипулятора и дисплея в результате воздействия руки оператора на управляющую рукоять, вызывающего перемещение хирургического инструмента в операционном поле посредством вычисляемых по математическому алгоритму отклонений точек, векторов и угловых положений штока и концевого эффектора хирургического инструмента, и исполнительного манипулятора. Передают вычисленные значения на серводвигатели исполнительного манипулятора. Достигается обеспечение динамической точности позиционирования хирургического инструмента. 5 з.п. ф-лы., 11 ил.

 

Изобретение относится к области медицинского оборудования, в частности к способу управления роботохирургическим комплексом.

Традиционным видом хирургического вмешательства является лапаратомия, которая заключается в выполнении длинного разреза в брюшной полости, через который вставляются традиционные хирургические инструменты. Однако выполнение длинных разрезов неминуемо приводит к высоким кровопотерям и длительному восстановлению пациентов. Кроме того, возрастает риск инфекционных осложнений.

Применение малоинвазивных хирургических вмешательств (лапароскопия) позволяет устранить указанные недостатки. Вместо одного длинного разреза на пациенте делают от четырех до пяти маленьких, через которые вводятся длинные и тонкие хирургические инструменты и эндоскопические камеры. Данный метод уменьшает кровопотери, сокращает время пребывания в больнице и уменьшает болезненные ощущения пациента в период восстановления. Однако, несмотря на вышеупомянутые преимущества, лапароскопия требует от хирурга чрезвычайно высоких навыков работы. Входной разрез действует как точка вращения, уменьшая свободу позиционирования и ориентации инструментов внутри пациента. Кроме того, работа с эндоскопическими инструментами вынуждает хирургов работать в неудобной позе, что может быть утомительным в течение нескольких часов работы, снижается чувствительность, усиливается тремор рук хирурга.

Развитие лапароскопии привело к возникновению роботохирургии и, в частности, к возможности применения роботизированных хирургических систем. Минимально-инвазивные хирургические операции с применением роботизированных систем характеризуются низкой травматичностью, более быстрым выздоровлением пациента, сниженным риском развития осложнений и высокой эффективностью.

С помощью компьютеризированного роботизированного интерфейса данные системы позволяют выполнять лапароскопию дистанционно, когда хирург сидит за консолью и управляет манипуляторами, передающими движения непосредственно на хирургические инструменты, с помощью управляющей рукояти.

Существуют различные способы управления перемещением хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе роботохирургического комплекса.

Известен способ управления камерой в роботохирургическом комплексе (патент РФ №2721461, МПК B25J 9/16, B25J 19/04, A61B 34/37, опубликован 19.05.2020), который характеризуется следующими шагами:

передача данных векторов движения по трем поступательным и трем вращательным степеням свободы правого и левого контроллеров управления в систему автоматического управления с постоянной частотой,

осуществление переключения контроллеров управления в режим управления камерой, закрепленной на манипуляторе, путем нажатия на педаль управления;

осуществление управления движением манипулятора с закрепленной на нем камерой посредством одновременного перемещения контроллеров управления и последующего выполнения следующих этапов:

этап сохранения полученных векторов движения контроллеров управления в системе автоматического управления;

этап обработки и объединения векторов движения правого и левого контроллеров управления, характеризующих поступательные движения, для нахождения суммарного перемещения;

этап масштабирования полученного на предыдущем этапе вектора перемещения;

этап компенсации движения;

этап компенсации отклонения линии горизонта от средней линии кадра;

этап одновременной передачи полученных на предыдущих шагах данных на исполнительные механизмы манипулятора для его поступательного перемещения и поворота вокруг продольной оси закрепленной на нем камеры.

Данный метод решает задачу управления камерой, установленной на одном из манипуляторов, с помощью двух ведущих манипуляторов. Описан метод передачи управляющих команд системы координат ведущих манипуляторов в команды на привода исполнительного манипулятора с установленной камерой. Метод интуитивного управления инструментами и исполнительными манипуляторами от ведущих манипуляторов хирурга не представлен.

Известен способ управления медицинской роботизированной системой (патента США № US 7785320, МПК A61B-017/00, A61B-017/04, A61B-017/11, A61B-017/28, A61B-019/00, A61B-019/02, A61B-019/08, опубликован 31.08.2010), включающий: получение информации от первого набора датчиков, определяющих движение устройства ввода; подача команды манипулятору на перемещение хирургического инструмента вокруг точки поворота в ответ на полученную информацию о перемещении устройства ввода; получение информации от второго набора датчиков, определяющих перемещение манипулятора; определение того, выходит ли точка поворота за заданную область значений, на основе полученной информации о перемещении манипулятора; а также передача команды манипулятору на остановку хирургического инструмента вокруг точки поворота, если точка поворота выходит за заданную область значений.

В данном методе описан исключительно способ управления манипулятором и инструментом без соотнесения с системой координат камеры. Рассмотрен исполнительный механизм, имеющий 7 степеней свободы. Рассмотрен ведущий манипулятор, имеющий 5 степеней свободы. Отсутствует описание технического решения обеспечивающее интуитивную передачу управляющего воздействия от ведущего манипулятора к исполнительному с учетом всех осей системы.

Известен способ позиционирования манипулирующей руки (патент РФ №2719919, МПК A61B 34/20, A61B 34/30, B25J 9/10, опубликован 23.04.2020) в координатной системе (X, Y, Z) устройства для роботизированной хирургии, при котором определяют координаты (xz, yz, zz) целевой зоны в пациенте и при котором для позиционирования манипулирующей руки инструментальный блок соединяют с блоком сопряжения манипулирующей руки, причем инструментальный блок включает в себя хирургический инструмент, который имеет инструментальный хвостовик с продольной осью, при котором при соединении инструментального блока с блоком сопряжения с помощью управляющего блока определяют перпендикулярный продольной оси промежуточный вектор (V) между продольной осью и заданной координатами (xz, yz, zz) целевой зоной и при котором с помощью блока выдачи выдают первый оптический и/или акустический сигнал, когда величина определенного промежуточного вектора (V) имеет первое предварительно настроенное значение или находится ниже него.

В данном методе рассмотрен только способ позиционирования и расположения систем координат, связанных с операционным полем, телом пациента и манипулятором. Не рассмотрено управление, связанное с системой координат видеокамеры. В этом методе не решена задача интуитивного управления. Не описан способ передачи управляющего воздействия от рук хирурга до манипулятора.

Известен способ перемещения концевого эффектора манипулятора по заданной траектории (патент США №8774969, МПК G05B19/18, опубликован 08.07.2014), при котором манипулятор имеет нулевое пространство по отношению к заранее определенной траектории, по меньшей мере, с двумя положениями манипулятора, связанными с одним и тем же положением концевого исполнительного механизма, при этом манипулятор размещается в нулевом пространстве, и в процессоре переменная процесса конечного эффектора автоматически изменяется в соответствии с выявленным размещением. Положение манипулятора описывается шарнирным углом q=[q 1, q 2, … q 6]. Концевой эффектор, обозначенный центральной точкой TCP инструмента, должен пройти заранее заданный горизонтальный путь x (s). По умолчанию, во время работы робот перемещается по заранее заданному пути x(s) с постоянной скоростью dx/dt=v. При этом способ включает в себя следующие этапы: регистрацию размещения манипулятора в указанном нулевом пространстве, при этом указанное размещение является прямым манипулированием указанным манипулятором в указанном нулевом пространстве; а также автоматическое изменение, по меньшей мере, одной переменной процесса, соответствующей зарегистрированному размещению, при этом указанная, по меньшей мере, одна переменная процесса изменяется без изменения положения концевого эффектора относительно указанного заранее заданного пути.

В данном техническом решении изложен метод планирования перемещения точки концевого эффектора по заранее заданной траектории с постоянной скоростью. Предлагаемый в заявляемом техническом решении метод обеспечивает перемещение концевого эффектора по траектории, задаваемой рукой оператора.

Известен способ управления медицинской системой минимального инвазивного вмешательства (патент РФ №2518806, МПК B25J 13/02, опубликован 10.06.2014), содержащей манипулятор, имеющий исполнительный орган, оснащенный имеющим 6 степеней подвижности (6-DOF) датчиком усилия/крутящего момента, который имеет систему координат (X, Y, Z) датчика с тремя взаимно перпендикулярными осями, и инструмент минимального инвазивного вмешательства, имеющий первый конец, закрепленный на исполнительном органе, второй конец, расположенный за внешним центром вращения, который ограничивает инструмент в перемещении, и стержень инструмента, продольная ось которого коллинеарна с осью (Z) инструмента системы координат (X, Y, Z) датчика,

при этом способ включает определение положения инструмента относительно внешнего центра вращения, включая определение вектора первоначального исходного расстояния от исходной системы координат (X, Y, Z) датчика к внешнему центру вращения, которое, в свою очередь, включает перемещение инструмента минимального инвазивного вмешательства вдоль двух осей (X, Y) системы координат (X, Y, Z) датчика, перпендикулярным оси (Z) инструмента, соответственно, пока сила реакции вдоль обеих осей (X, Y) ниже заданного порогового значения, и определение положения внешнего центра вращения вдоль оси (Z) инструмента, используя закон рычага, в частности посредством поворота инструмента до достижения достаточного контактного усилия, измерения модуля вектора момента и модуля вектора силы, соответствующего этому контактному усилию, и вычисления положения внешнего центра вращения вдоль оси (Z) инструмента посредством деления модуля вектора момента на модуль вектора силы.

Описанное техническое решение направлено на определение силы и момента по 6 степеням свободы на внешнем центре вращения и на конце рабочей части инструмента. В указанном решении не представлен способ передачи управления от ведущего манипулятора хирурга к исполнительному манипулятору в оперируемой области.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в обеспечении точного позиционирования хирургического инструмента и повышении интуитивности управления.

Технический результат - управление перемещением хирургического инструмента роботизированного хирургического комплекса, обеспечивающее динамическую точность позиционирования хирургического инструмента.

Технический результат достигается тем, что способ управления роботохирургическим комплексом, содержащим следующие узлы: консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью, выполненной в виде планетарно-рычажного механизма, узел доставки, снабженный исполнительными манипуляторами с закрепленными на них хирургическими инструментами и видеокамерой, дисплей и локальные контроллеры, связанные с системой автоматического управления и энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, каждый из которых характеризуется системой координат; включает непрерывное определение посредством энкодеров координат и угловых положений главного манипулятора, координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и с хирургическим инструментом; выбор точки троакара с фиксированием ее положения в глобальной системе координат; определение базовых угловых положений, точек и векторов узла доставки и главного манипулятора в глобальной системе координат и в системе координат камеры; определение по математическому алгоритму отклонений точек и векторов управляющей рукояти в системах координат главного манипулятор и дисплея в результате воздействия руки оператора на управляющую рукоять, вызывающего перемещение хирургического инструмента в операционном поле посредством вычисляемых по математическому алгоритму отклонений точек, векторов и угловых положений штока и концевого эффектора хирургического инструмента и исполнительного манипулятора; передача вычисленных значений на серводвигатели исполнительного манипулятора.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Основные параметры главного манипулятора;

Фиг. 2 - Основные параметры узла доставки;

Фиг. 3 - Основные математические параметры исполнительного манипулятора;

Фиг. 4 - Система координат видеокамеры и система координат матрицы камеры;

Фиг. 5 - Система координат дисплея D (X_D, Y_D, Z_D);

Фиг. 6 - Схематическое расположение основных и вспомогательных векторов главного манипулятора;

Фиг. 7 - Основные параметры концевого эффектора хирургического инструмента;

Фиг. 8 - Вид на плоскость П1;

Фиг. 9 - Вид на плоскость П2;

Фиг. 10 - Схематическое расположение векторов главного манипулятора;

Фиг. 11 - Блок-схема расчета смещения deltaRot.

Описание осуществления изобретения

Изобретение относится к способу управления роботохирургическим комплексом для осуществления хирургической операции.

При этом роботохирургический комплекс включает в себя консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью; узел доставки, снабженный исполнительными манипуляторами, на которых закрепляются хирургический инструмент и видеокамера для обзора операционного поля; дисплей, на который передается изображение с видеокамеры; локальные контроллеры, связанные с энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, обеспечивающие обработку данных и направление данных с исполнительного манипулятора на главный манипулятор и управляющих сигналов от главного манипулятора на исполнительный манипулятор; систему автоматического управления, которая связана с контроллерами управления и исполнительными манипуляторами.

Компоненты роботохирургического комплекса, а именно, дисплей, главный манипулятор, фланец исполнительного манипулятора, узел доставки, включающий исполнительный манипулятор, а также хирургический инструмент и видеокамера, установленные на исполнительных манипуляторах характеризуются следующими системами координат:

1) Подвижная система координат t главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) и неподвижная система координат N главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N)

Главный манипулятор (Фиг. 1) представляет собой планетарно-рычажный механизм и включает в себя рычаги AB, BC и COj, длины которых, соответственно, составляют L1, L2, L3, и управляющую рукоять, образующую планетарную систему, выполненную в виде трех дуг окружностей с общим центром в точке pOj с возможностью вращения относительно рычагов главного манипулятора, направление и положение которой определяются с помощью вектора myV и точки pOj.

Начало неподвижной системы координат N главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) соответствует точке О (совпадает с точкой А), в которой осуществляется крепление рычага АB к шкиву главного манипулятора. Система координат N главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) неподвижна и связана с землей, при этом ось XN направлена слева направо, ось YN направлена вертикально вниз, а ось ZN направлена перпендикулярно осям XN и YN от хирурга вперед.

Система координат (Xt, Yt, Zt) связана с коленами COj и BC и подвижна относительно земли. Начало подвижной системы координат t главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) соответствует точке Oj. При этом рычаг COj жестко прикреплен к рычагу BC так, что рычаги BC и COj образуют прямой угол.

Оси системы координат (Xt,Yt,Zt) расположены следующим образом: ось Yt направлена вдоль вектора OjС сверху вниз, ось Zt сонаправлена колену CB (от хирурга), а ось Xt направлена горизонтально слева направо и перпендикулярно осям Zt и Yt.

2) Система координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Со стойкой узла доставки (Фиг. 2) связывают глобальную систему координат (X_G, Y_G, Z_G), в которой ось Y_G направлена вдоль стойки вертикально вниз, ось X_G - слева на право, а ось Z_G - вглубь и перпендикулярно осям Y_G и X_G.

Начало системы координат располагается в плоскости верхнего сечения стойки в точке Osh.

3) Вспомогательная система координат фланца исполнительного манипулятора (iAT, kSym, nSym)

Начало вспомогательной системы координат (Фиг. 3) фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) соответствует точке С1 (соответствует точке pA).

4) Система координат хирургического инструмента (iXM, jYM, kZM)

Начало системы координат хирургического инструмента (iXM, jYM, kZM), устанавливаемого на исполнительном манипуляторе, соответствует точке pD0, при этом ось kZM направлена вдоль хирургического инструмента, оси jYM и iXM направлены под углами к оси kZM (Фиг. 3).

5) Система координат видеокамеры Cam (Xcam, Ycam, Zcam)

Точка начала системы координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) находится в точке троакара видеокамеры pTrC (Фиг. 4), соответствующей точке троакара pTr, указанной на Фиг. 3. При этом на оси Zcam также находится система координат матрицы видеокамеры (Xr, Yr, Zr), начало координат которой определяет нахождение центрального пикселя матрицы видеокамеры. Расстояние между центральным пикселем видеокамеры и точкой троакара видеокамеры задается параметром LTrD0C. Координатные оси видеокамеры (Xr, Yr) коллинеарны соответствующим осям системы координат видеокамеры (Xcam, Ycam).

6) Система координат дисплея D (X_D, Y_D, Z_D)

В общем случае взор (голова) хирурга находится в системе координат дисплея D (X_D, Y_D, Z_D), связанной с дисплеем, которая повернута на угол aD вокруг оси X_N системы координат N главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) (Фиг. 5). Начало системы координат дисплея D (X_D, Y_D, Z_D),располагается в т.А, которая совпадает с т.О - началом системы координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N).

Система координат дисплея D (X_D, Y_D, Z_D), и система координат камеры Cam (Xcam, Ycam, Zcam) - аналогичные системы координат, располагаемые в центральном пикселе видеокамеры.

На каждом этапе способа управления роботохирургическим комплексом осуществляется непрерывное измерение угловых положений и координат точек и векторов главного и исполнительного манипулятора, посредством энкодеров, установленных на сервоприводах в системах главного и исполнительного манипуляторов. При этом для определения положения хирургического инструмента используют указанные выше системы координат компонентов роботохирургического комплекса.

Способ управления роботохирургическим комплексом включает в себя:

1. Подведение оператором хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе, к троакару

Оператор с помощью системы позиционирования подводит хирургический инструмент, закрепленный на исполнительном манипуляторе, к троакару. После чего осуществляется введение хирургического инструмента в троакар.

2. Фиксирование точки троакара

После фиксации осей узла доставки, определяется положение точки троакара в глобальной системе координат (X_G, Y_G, Z_G). После того как хирургический инструмент введен в троакар, определяются оси системы координат, связанной с хирургическим инструментом (iXM, jYM, kZM) в глобальной системе координат (X_G, Y_G, Z_G). В том числе определяется и система координат, связанная с видеокамерой (Xcam, Ycam, Zcam).

Далее, после определения всех указанных выше систем координат компонентов роботохирургического комплекса и фиксирования точки троакара осуществляется определение координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и исполнительных манипуляторов с хирургическим инструментом, установленных на узле доставки, а также координат центрального пикселя матрицы видеокамеры и координат конца штока хирургического инструмента, с последующим согласованием указанных выше систем координат друг с другом.

3. Определение базовых точек и векторов узла доставки и согласование систем координат в статичном режиме

3.1. Определение координат и углов поворота колен узла доставки в системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Роботохирургический комплекс содержит 4 узла доставки, на каждом из которых установлен манипулятор, при этом узел доставки (Фиг. 2) включает в себя первое колено A0A1, второе колено B0B1, третье (наклонное) колено С0С1.

Каждый из узлов доставки, установленных на стойке пациента (Фиг. 2), имеет три вертикальных оси вращения с энкодерами (OiA0, A1B0 и B1C0), регистрирующими и фиксирующими угол поворота каждого колена A0A1, B0B1 и С0С1 узла доставки по отношению к предыдущему колену. Кроме того, для каждого узла доставки имеется свой двигатель, который перемещает узел доставки целиком вместе с манипулятором в вертикальном направлении, меняя его высоту или координату yOi точки основания Oi.

Для каждого манипулятора обозначим ось первого колена - OiA0, ось второго колена - A1B0 и ось третьего колена - B1C0. При этом точка основания узла доставки Oi имеет координаты {xOi, yOi, zOi}, где xOi, zOi - константы, yOi - переменная величина.

На торце (плоскость, проходяшая через точку C1 перпендикулярно оси C0C1) закреплен еще один энкодер, относящийся к самому манипулятору. Этот энкодер меняет свои значения в процессе хирургической операции.

Согласно конструкции узла доставки (фиг.2) точка pA0 располагается выше точки Oi (по отрицательному направлению оси Y_G в глобальной системе координат узла доставки поэтому, координаты основных точек узла доставки вычисляют следующим образом (Формулы 1-5):

где pA0 - константа,

LD1 - длина первого колена A0A1 (константа),

LD2 - длина второго колена B0B1 (константа),

alf1 - угол поворота первого колена A0A1 относительно стойки пациента,

alf2 - угол поворота второго колена B0B1 относительно первого колена A0A1,

dh1 - подъем (высота) первого колена OiA0 (константа);

dh2 - подъем (высота) второго колена B0B1,

dh3 - подъем (высота) третьего колена С0С1,

xOi, zOi - константы, yOi - переменная величина.

Угол поворота третьего колена С0С1 относительно стойки alf4 определяют как сумму углов:

где alf3 - угол поворота третьего колена С0С1 относительно второго колена B0B1.

Далее находят координаты векторов фланца исполнительного манипулятора (jATG, nSymG и kSymG) с видеокамерой и с хирургическим инструментом, принадлежащих системе координат фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) и в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), соответственно. При этом исполнительный манипулятор закрепляется на узле доставки в точке С1 (Фиг. 2), соответствующей точке pA фланца исполнительного манипулятора (Фиг. 3).

3.2. Определение координат векторов фланца исполнительного манипулятора в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G) для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и в системе координат камеры (Xcam, Y_cam, Zcam) для исполнительного манипулятора с видеокамерой

Для того чтобы различать имена переменных для исполнительного манипулятора с видеокамерой и для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом в конце каждой переменной добавляют соответствующий суффикс:

• для исполнительного манипулятора с видеокамерой - литеру С;

• для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом - литеру М;

Таким образом вектора jATMG, nSymMG, kSymMG и jATСG, nSymСG, kSymСG обозначают вектора jATG, nSymG и kSymG (Фиг. 3) в системе координат исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и исполнительного манипулятора с видеокамерой, соответственно.

Координаты векторов jATMG, nSymMG и kSymMG исполнительного манипулятора с инструментом (Фиг. 3) определяют путем согласования вспомогательной системы координат фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) с глобальной системой координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G).

Координаты вектора jATMG вдоль виртуальной оси манипулятора в глобальной системе координат узла доставки (XG, YG, ZG) вычисляют следующим образом:

где alfHM - угол наклона третьего колена С0С1 к горизонту в системе координат манипулятора с инструментом,

alf4M - угол поворота третьего колена С0С1относительно стойки в системе координат манипулятора с инструментом.

Таким же образом, аналогично Формуле (7), вычисляют координаты вектора nSymMG и kSymMG в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G):

где вектор nSymMG представляет собой единичную нормаль к плоскости В1С0Tr исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом, а вектор kSymMG - единичный вектор, перпендикулярный виртуальной оси, проходящей через точки C1 и pTr, и лежащий в плоскости В1С0pTr для исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом.

Далее определяют координаты векторов jATСG, nSymСG и kSymСG исполнительного манипулятора с видеокамерой путем согласования вспомогательной системы координат фланца исполнительного манипулятора (jAT, kSym, nSym) с системой координат камеры (X_cam, Y_cam, Z_cam):

где alfHC - угол наклона третьего колена С0С1 к горизонту в системе координат манипулятора с камерой,

alf4C - угол поворота третьего колена С0С1относительно стойки в системе координат манипулятора с камерой.

В данной системе координат видеокамеры вектор nSymMG представляет собой единичную нормаль к плоскости В1С0Tr исполнительного манипулятора c видеокамерой, а вектор kSymMG - единичный вектор, перпендикулярный виртуальной оси и лежащий в плоскости В1С0Tr для исполнительного манипулятора c видеокамерой.

Затем вычисляют точку центра фланца для крепления исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом pC1M и исполнительного манипулятора c видеокамерой pC1C:

где pC1M и pC1C - координаты точки С1 в системе координат исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и в системе координат исполнительного манипулятора с видеокамерой, соответственно;

pC0M и pC0C - координаты точки С0 в системе координат исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и в системе координат исполнительного манипулятора с видеокамерой, соответственно;

LD3 - длина третьего колена С0С1.

Затем находят координаты точек троакара pTr для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом (pTrМ) и для исполнительного манипулятора с видеокамерой (pTrС) в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G).

3.3. Определение координат точки троакара pTrМ исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и точки троакара pTrС исполнительного манипулятора с видеокамерой в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Четыре свободных параметра (углы поворота колен узла доставки alf1, alf2 и alf3, а также линейное перемещение узла доставки вдоль стойки пациента) для каждого исполнительного манипулятора позволяют выбрать точку троакара pTr (Фиг. 3) произвольно, а также выбрать проекцию виртуальной оси на горизонтальную плоскость любым желаемым образом.

Точка троакара pTr - конструктивно неподвижная точка, располагающаяся в месте прокола кожи пациента, на виртуальной оси pApTr.

Угол наклона третьего колена С0С1 к горизонту имеет фиксированное значение alfH для всех исполнительных манипуляторов.

Координаты точек троакара исполнительных манипуляторов с хирургическим инструментом pTrM и видеокамерой pTrC, соответственно, в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G) определяют следующим образом:

где LM - Расстояние от точки С1 фланца до точки троакара pTr.

pC1M и pC1C - точки центра фланца для крепления исполнительного манипулятора c хирургическим инструментом и исполнительного манипулятора c видеокамерой, соответственно, координаты которых определяются следующим образом:

где LD3 - длина третьего колена С0С1 (константа),

pC0M и pC0C - координаты точки С0 манипулятора c инструментом и манипулятора c камерой, соответственно.

jATMG и jATCG - единичные вектора вдоль виртуальной оси манипулятора с инструментом и с камерой, соответственно, коллинеарные вектору С0С1.

Далее для исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом находят точку троакара (pTrM) в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) - pTrMCam.

3.4. Определение координат точки троакара pTrМ исполнительного манипулятора с инструментом в системе координат камеры (X_cam, Y_cam, Z_cam)

За начало отсчета системы координат видеокамеры принимают неподвижную точку троакара исполнительного манипулятора с видеокамерой pTrC={0,0,0}.

В этом случае точка троакара манипулятора с инструментом в системе координат видеокамеры (X_cam, Y_cam, Z_cam) рассчитывается по Формуле (19):

где matС - матрица для перехода из системы координат видеокамеры в систему координат манипулятора, при этом определяют по Формуле (20):

где kZCG - вектор идущий вдоль штока камеры и перпендикулярный векторам iXСG и jYСG, который находят по Формуле (21):

где phiC - это угол соответствующий углу вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM (Фиг. 3), но относящийся к исполнительному манипулятору с видеокамерой.

alfTC - угол между штоком и виртуальной осью, угол alfTC лежит в интервале (Pi/20, 19 * Pi/20) в силу конструктивных ограничений, определяемый суммой углов между звеньями исполнительного манипулятора с видеокамерой αFC (аналогичен углу αFM) и Δ0C (Фиг. 3):

где значение угла αFC задается непосредственно энкодером, а угол Δ0C - задается конструктивно.

Вектор kZCG дополняют двумя взаимоперпендикулярными векторами {iX0CG, jY0CG}, таким образом, чтобы эта тройка векторов образовывала правую ортонормированную тройку векторов, относительно которых ведут отсчет угла поворота видеокамеры вокруг своей оси:

Далее вводят вращающуюся тройку векторов, которая будет вращаться относительно векторов {iX0CG, jY0CG}, вокруг вектора kZCG, определяя тем самым угол поворота видеокамеры вокруг оптической оси, используя значения векторов, определенных по Формуле (23) и Формуле (24), соответственно:

при этом rotC-угол считываемый непосредственное с энкодера видеокамеры.

Далее находят координаты центрального пикселя видеокамеры и координаты конца штока хирургического инструмента в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G).

3.5. Нахождение координат центрального пикселя видеокамеры и координат конца штока инструмента в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Координаты центрального пикселя видеокамеры вычисляются по Формуле (27):

Координаты конца штока инструмента определяются по Формуле (28):

где LTrD0С и LTrD0М - глубина погружения штока видеокамеры и штока хирургического инструмента, соответственно, в тело человека. Данные значения представляют собой переменные величины, считываемые непосредственно с энкодера линейного перемещения исполнительного манипулятора.

kZСG - координаты единичного вектора вдоль штока камеры в глобальной системе координат (X_G, Y_G, Z_G), вычисляется в п.3.4.

kZMG - координаты единичного вектора вдоль штока инструмента в глобальной системе координат (X_G, Y_G, Z_G)

где, Normalize - оператор нормализации вектора.

После определения координат колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и хирургическим инструментом, а также координат центрального пикселя матрицы видеокамеры и координат конца штока хирургического инструмента, роботохирургический комплекс готов к рабочему режиму, в котором осуществляется управление хирургическим инструментом, установленным на исполнительном манипуляторе с помощью управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе.

4. Рабочий режим

Оператор, находясь за консолью хирурга, осуществляет управление хирургическим инструментом, закрепленным на исполнительном манипуляторе (Фиг. 3).

Оператор может осуществлять перемещение хирургического инструмента следующим образом:

поворот лепестков управляющей рукояти (угол rotp),

перемещение управляющей рукояти в целом посредством поворота вокруг оси СOj (угол a1P),

сжатие-разжатие лепестков управляющей рукояти,

поворот главного манипулятора, на котором закреплена управляющая рукоять, в целом вокруг вертикальной оси YN (угол a1J),

перемещение рычагов АВ (угол a1L) и ВС (угол a2L) вверх-вниз относительно оси Yn (Фиг. 1).

При этом осуществляется строго синхронное преобразование перемещения управляющей рукояти, установленной на главном манипуляторе, в перемещение хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе. За счет использования цифровой обработки данных по настоящему способу, снимаемых с энкодеров, установленных на серводвигателях манипуляторов, осуществляется преобразование по определенному математическому алгоритму, описываемому ниже и позволяющему обеспечить интуитивность управления.

4.1. Расчет основных точек и векторов главного манипулятора

4.1.1 Измерение отклонения расположения точки pO_j в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N)

Перемещение оператором управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе (Фиг. 1) приводит к отклонению точки pOj в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N). Указанное отклонение непрерывно фиксируется энкодером, преобразовывается в цифровой сигнал и передается в цифровой блок обработки. Координаты точки pOj в системе координат N главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), исходя из показаний энкодеров, вычисляются следующим образом:

Задается точка начала координат в системе координат N - pAN={0,0,0}, тогда координаты точек В, С и Oj в системе координат N главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) вычисляются по Формулам (30-32):

где L1 - Длина рычага AB главного манипулятора;

L2 - Длина рычага BC главного манипулятора;

L3 - Длина рычага COj главного манипулятора;

a1L - угол между осью Y_N и рычагом AB;

a2L - угол между осью Y_N и рычагом CB;.

a1J - угол поворота главного манипулятора вокруг вертикальной оси Y_N.

4.1.2 Определение вектора MyV в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) и в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N)

При перемещении оператором управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе (Фиг. 1), помимо изменения координат точки pOj в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), также меняются координаты вектора myV (Фиг. 1, Фиг. 6), который задает направление оси на главном манипуляторе, вокруг которой вращаются лепестки управляющей рукояти, управляемые пальцами хирурга и предназначенные для поворота штока хирургического инструмента вокруг своей оси и раскрытия-закрытия бранш (представляющих собой зажимы, ножницы или иглодержатели) концевого эффектора хирургического инструмента в нужной плоскости.

Вектор myV имеет следующие координаты: {tan(alfXV), tan(alfYV), 1} относительно земли (z-координата нормирована на 1 для удобства вычислений и краткости записи), где alfXV - угол между вертикальной плоскостью, содержащей вектор myV, и вертикальной плоскостью YNZN, причем если alfXV>0, то X-координата вектора myV положительна (Фиг. 6);

alfYV - угол между горизонтальной плоскостью, содержащей вектор myV, и горизонтальной плоскостью XNZN, причем если alfYV>0, то Y-координата вектора myV положительна (Фиг. 6).

При вертикальном перемещении управляющей рукояти и соответственно конца вектора myV (то есть когда угол alfYV меняется, а угол alfXV остается неизменным), первое колено pD0pBra концевого эффектора хирургического инструмента (Фиг. 7) движется в некоторой фиксированной плоскости П1 (Фиг. 8), проходящей через шток хирургического инструмента и точку pD0 на концевом эффектора хирургического инструмента, причем плоскость П1 задается углом поворота лепестков управляющей рукоятки, установленной на главном манипуляторе, вокруг вектора myV (иными словами, вращению лепестков управляющей рукоятки вокруг оси, идущей вдоль вектора myV, соответствует вращение плоскости П1 вокруг штока хирургического инструмента).

Если управляющая рукоять и, соответственно, вектор myV перемещается в горизонтальной плоскости (то есть угол alfXV меняется, а угол alfYV остается неизменным), то бранши второго колена концевого эффектора движутся в плоскости П2, перпендикулярной П1, вращаясь вокруг оси второго колена браншей, перпендикулярной плоскости П2 и первому колену концевого эффектора (Фиг. 9).

При перемещении управляющей рукояти определяют координаты вектора myV в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), в которой вектор myV обозначается как вектор myVT с координатами {xtv,ytv,ztv}:

где a1P - угол поворота планетарной системы вокруг оси COj, причем a1P=0 означает, что вектор myV лежит в плоскости ABCOj;

a2P - угол поворота вектора myV в плоскости YTZT;

Знак минус указывает на следующее соглашение: если конец вектора myV расположен над плоскостью Xt Zt, то угол a2p>0, то есть поворот велся против часовой стрелки, если смотреть с конца оси Xt.

Далее определяют координаты единичного вектора myV в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), связанной с землей, в которой вектор myV обозначается как вектор myVN:

где знак «∙» обозначает скалярное произведение единичного вектора myVt вдоль главной оси подвижной системы координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), перпендикулярный векторам myV и рычагу COj, а MT - матрица перехода из подвижной системы координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt) с началом координат в точке Oj в неподвижную систему координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), определяемая по Формуле (37):

где координатные орты itN оси X_T, jtN оси Y_T и ktN оси Z_T в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) находят следующим образом:

при этом а1J - угол поворота управляющей рукояти вокруг вертикальной оси Y_N (при a1J=0 управляющая рукоять лежит в плоскости перпендикулярной дисплею);

а1L - угол между осью Y_N и рычагом AB;

а2L - угол между осью YN и рычагом CB;

Таким образом, вектора myVN и myVT - координаты одного и того же вектора myV в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) и подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), соответственно.

4.1.3. Измерение отклонения расположения точки pO_j и вектора MyV в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D)

Затем координаты точки pO_j и вектора myV определяют в неподвижной системе координат D (X_D, Y_D, Z_D), связанной с дисплеем хирурга, в которой вектор myV обозначается как вектор myVD, при этом

где MD - матрица преобразования перехода из неподвижной системы координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) в систему координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D), в которой находится взор (голова) хирурга, определяемая следующим образом:

где aD - угол поворота системы координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D) вокруг оси X_N неподвижной системы координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) (Фиг. 5).

Координаты точки pOj в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D) определяют путем перемножения координат точки pOjN, найденных по Формуле (32), на матрицы преобразования MD:

4.1.4 Определение координат вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N)

Вектор W (Фиг. 10) главного манипулятора представляет собой вектор, перпендикулярный вектору myV и плоскости раскрытия лепестков управляющей рукояти главного манипулятора. Плоскость раскрытия лепестков управляющей рукояти соответствует плоскости раскрытия браншей хирургического инструмента, которая имеет название плоскости реза. Перпендикуляр (нормаль) к плоскости реза на браншах хиругического инструмента соответствует вектору W управляющей рукояти главного манипулятора (Фиг. 8)/

Таким образом, вектор WN - вектор W в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N).

Оператор с помощью управляющей рукояти управляет браншами концевого эффектора хирургического инструмента. В ответ на изменение положения управляющей рукояти (и соответственно, точки pOj и вектора myV), происходит перемещение вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента.

Координаты вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) определяют по Формуле (44):

где координаты вектора myVN представляют собой координаты единичного вектора myV в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), и определяются по Формуле (36), а координаты вектора iRotVN (Фиг. 6, 10), вдоль которого раскрываются лепестки управляющей рукояти главного манипулятора, находят следующим образом:

где myIHorN - вектор myIHor нормали к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента, перпендикулярный векторам myV и COj (Фиг. 6, 10), который в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) имеет следующие координаты:

вектор myJN - вектор myJ, ортогональный векторам myVN, координаты которого определены по Формуле (36), и myIHorN, в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), при этом:

myRot - угол между векторами myIHorN и iRotVN (характеризующий поворот лепестков управляющей рукояти главного манипулятора относительно горизонтальной плоскости), который задается пальцами хирурга интуитивно и его точная величина складывается из значений считанного энкодером угла rotP и рассчитанного смещения deltaRot по Формуле (48):

где значение rotP (угла поворота лепестков управляющей рукояти) непосредственно считывается энкодером, следящим за поворотом лепестков вокруг вектора myV относительно планетарной системы (Фиг. 1).

deltaRot − является сложной функцией от пяти переменных углов a1L, a2L, a1J, a1P и a2P (Фиг. 1), значения которых считываются соответствующими энкодерами. Таким образом, myRot - это угол поворота лепестков управляющей рукоятки вокруг вектора myV, причем отсчет ведется от линии горизонта.

Смещение deltaRot рассчитывается на основе значений векторов iPT, myJt и myIt, описываемых ниже. На Фиг. 11 представлена блок-схема расчета смещения deltaRot.

Единичный вектор iPT, перпендикулярный векторам myV и COj в подвижной системе координат главного манипулятора (Xt, Yt, Zt), определяют по Формуле (49):

а вектор myJt - вектор myJ в подвижной системе координат главного манипулятора (X_t, Y_t, Z_t):

вектор myIt представляет собой вектор myIHor в подвижной системе координат (Xt, Yt, Zt), который определяется следующим образом:

При движении управляющей рукояти, закрепленной на главном манипуляторе, меняются координаты вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента, а также координаты точки pBra, располагаемой на концевом эффекторе хирургического инструмента, угла поворота штока хирургического инструмента rotStM и углов поворота звеньев концевого эффектора хирургического инструмента γ и ββ.

4.2. Расчет точек и углов поворота штока и звеньев хирургического инструмента, закрепленного на исполнительном манипуляторе

4.2.1 Нахождение координат точки pBra на концевом эффекторе хирургического инструмента в системе координат видеокамеры (X_cam, Y_cam, Z_cam) и в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Точка pBra (Фиг. 7) на концевом эффекторе хирургического инструмента в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam), соответствующая точке pOj на главном манипуляторе в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D), вычисляется по Формуле (52):

где, Δ pOjD - отклонение точки pOj в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D), при этом

В тот момент, когда роботохирургический комплекс готов к работе или когда происходит отжатие (отпускание) педали «Clutch» на консоли хирурга программа запоминает абсолютную координату точки pOj главного манипулятора и сохраняет это значение как переменную pOjStartD. После отжатия педали точка pOjStartD фиксируется в пространстве и не перемещается, точка pOj продолжает перемещаться вместе с планетарной системой рукояти.

При перемещении главного манипулятора изменяется координата точки pOj и программа вычисляет разность ΔpOjD между сохраненной переменной pOjStartD и новой координатой точки pOj в системе координат дисплея ((X_D, Y_D, Z_D). После чего разность умножается на коэффициент масшитабирования kShift и добавляется к начальной измеренной координате pBraMStartCam точки pBra видеокамеры.

При нажатии на педаль «Clutch» на консоли хирурга осуществляется присваивание pBraMStartCam=pBraMCam. Когда педаль нажата, происходит одновременное перемещение точек pOj и pOjStartD.

При отпускании педали «Clutch» на консоли хирурга осуществляется присваивание pOjStartD=pOjD.

Точка pBra на концевом эффекторе хирургического инструмента в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G) вычисляется по следующей формуле:

где matC - матрица для перехода из системы координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam) в глобальную систему координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), при этом matС имеет следующие координаты:

pTrCG - Координаты точек троакара манипулятора с камерой pTrC в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), вычисляемые по Формуле (16).

4.2.2 Вычисление значений угла поворота штока хирургического инструмента rotStM (rotStock) и углов поворота звеньев концевого эффектора хирургического инструмента γ и ββ в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Изменение направления вектора myV приводит к изменению углов поворота звеньев концевого эффектора γ (угол между штоком pTrPD0 и первым коленом бранша хирургического инструмента PD0pBra) и ββ (угол между первым и вторым коленом концевого эффектора хирургического инструмента), а также к изменению угла поворота штока инструмента rotStM (rotStock).

Угол γ, на который необходимо повернуть первое колено концевого эффектора хирургического инструмента, определяют по Формуле (55):

Для определения угла γ находят подвижную ортонормированную тройку векторов (iXMG, jYMG, kZMG), связанную со штоком инструмента:

координаты единичного вектора kZMG находят по Формуле (29),

где rotStM - угол поворота штока инструмента, при этом

;

где iX0MG, jY0MG -ортонормированные вектора, связанные со штоком хирургического инструмента, неподвижные относительно тройки векторов jATMG, nSymMG, kSymMG:

Вектор WG - вектор нормали к плоскости реза в глобальной системе координат (X_G, Y_G, Z_G), которая определяется путем умножения матрицы matС на вектор WCam:

вектор WCam, определяющий нормаль к плоскости реза в системе координат видеокамеры, равен вектору WD: WCam=WD.

В главном манипуляторе имеется система координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D) (фиг. 5), которая связана с дисплеем, в котором хирург наблюдает за процессом операции. Поэтому координаты основных точек и векторов неподвижной системы координат N главного манипулятора необходимо пересчитать в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D). А это значит, что необходимо вычислить координаты векторов myV и W в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D), т.е.

где MD - матрица преобразования перехода из неподвижной системы координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N) в систему координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D), в которой находится взор (голова) хирурга, определяемая по Формуле (42), а вектор WN - вектор нормали к плоскости раскрывания браншей хирургического инструмента в неподвижной системе координат главного манипулятора (X_N, Y_N, Z_N), определяемый по Формуле (44).

evBraMG - вектор, идущий от точки pD0 к точке pBra хирургического инструмента в глобальной системе координат (X_G, Y_G, Z_G):

где Normalize - оператор нормализации вектора,

tv - это вспомогательный вектор направленный от точки троакара pTr к точке pBra и вычисляется как разность координат точки pBra на концевом эффекторе хирургического инструмента в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), вычисляемой по Формуле (54), и координат точки троакара исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом pTrM в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), определяемой по Формуле (15):

Далее вычисляют угол ββ, который определяет угол между первым и вторым коленом концевого эффектора.

где vBra2MCam - вектор, определяющий направление браншей хирургического инструмента, соответствующий произведению вектора myVD (найденного по Формуле (41)) на длину браншей LBra (Фиг. 7):

evBraMCam - это вектор, определяющий направления браншей хирургического инструмента, в системе координат видеокамеры (Xcam, Ycam, Zcam), соответствующий вектору myVD главного манипулятора в системе координат дисплея (X_D, Y_D, Z_D).

jYMCam - это вектор, который совместно с векторами iXMCam и kZMCam образует ортонормированную тройку векторов подвижной системы координат связанной с хирургическим инструментом. В данном случае эта тройка векторов рассмотрена в системе координат видеокамеры. В глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G) эти вектора обозначаются как jYMG, iXMG, kZMG и вычисляются по формулам (57), (56), (29), соответственно.

4.3. Вычисление значений угла вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM и длины штока хирургического инструмента LTDM, закрепленного на исполнительном манипуляторе в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G)

Длину штока хирургического инструмента в теле человека находят по следующей формуле:

где «⋅» - скалярное произведение разницы векторов pD0MG и pTrMG; при этом

pTrMG - координаты точки троакара исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом pTrM в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), определяемая по Формуле (15).

pD0MG - точка конца штока инструмента в глобальной системе координат узла доставки (X_G, Y_G, Z_G), определяемая как разность точки pBraMG на концевом эффекторе хирургического инструмента, найденной по Формуле (54) и произведения вектора evBraMG, вычисленного по Формуле (64), на LBra1:

где LBra1 - это конструктивно заданный параметр определяющий длину рабочей части браншей концевого эффектора хирургического инструмента.

Угол вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM, представляющий собой угол поворота плоскости параллелограмма C2C3C4TrM и вектора kZM вокруг виртуальной оси jATMG, определяют следующим образом:

где координаты единичного вектора kZMG находят по Формуле (29), а координаты векторов nSymMG и kSymMG определяют по Формулам (8) и (9), соответственно.

Далее определяют угол alTM - угол между векторами jATMG и kZMG, при этом

Определяя угол alTM находят угол αFM который подается непосредственно на двигатель манипулятора для вращения плеча манипулятора C2C3 вокруг точки С2 (фиг. 3),

где Δ0- конструктивное отклонение оси инструмента от ребра параллелограмма манипулятора

5. Передача вычисленных углов осей исполнительного манипулятора (phiM, LTDM, αFM) и вычисленных углов осей хирургического инструмента (ββ, γ, rotStM) на серводвигатели исполнительного манипулятора.

Определенные в ответ на движение управляющей рукояти значения угла вращения основной оси исполнительного манипулятора phiM; длины штока хирургического инструмента LTDM, закрепленного на исполнительном манипуляторе; углов поворота звеньев концевого эффектора γ и ββ, а также угла поворота штока инструмента rotStM передаются на серводвигатели исполнительного манипулятора, которые обеспечивают изменение положения исполнительного манипулятора, а также хирургического инструмента и видеокамеры, закрепленных на исполнительных манипуляторах, для осуществления манипулирования хирургическим инструментом и выполнения операции.

Заявляемый способ обработки данных положений точек и векторов главного и исполнительного манипуляторов на базе роботохирургического комплекса с планетарно-рычажным механизмом позволяет достичь интуитивности управления хирургическим инструментом.

Заявляемое техническое решение обладает следующими преимуществами:

- главный манипулятор и исполнительный манипулятор с хирургическим инструментом обладают 7-ю степенями свободы. Узел доставки имеет 3 степени свободы. Данное решение позволяет обеспечить максимальную свободу в управлении.

- совмещение системы координат дисплея хирурга с главным манипулятором и системы координат видеокамеры рабочей области с хирургическими инструментами обеспечивают необходимую интуитивность в управлении.

- погрешность перемещения точки pBra концевого эффектора, установленного на исполнительный манипулятор, составляет 0.1 мм.

- отклик хирургического инструмента в ответ на движение управляющей рукояти составляет 10 мс.

- расположение видеокамеры в пространстве не оказывает влияния на интуитивность управления.

1. Способ управления роботохирургическим комплексом, содержащим следующие узлы: консоль хирурга, снабженную главным манипулятором с управляющей рукоятью, выполненной в виде планетарно-рычажного механизма, стойка пациента с узлом доставки, снабженным исполнительным манипулятором с закрепленными на них хирургическими инструментами и видеокамерой, дисплей и локальные контроллеры, связанные с системой автоматического управления и энкодерами сервоприводов в системах главного и исполнительного манипуляторов, каждый из которых характеризуется системой координат;

включающий непрерывное определение посредством энкодеров координат и угловых положений главного манипулятора, координат и углов поворотов колен узла доставки, координат исполнительных манипуляторов с видеокамерой и с хирургическим инструментом;

выбор точки троакара с фиксированием ее положения в глобальной системе координат;

определение угловых положений, точек и векторов узла доставки и главного манипулятора в глобальной системе координат и в системе координат камеры;

определение по математическому алгоритму отклонений точек и векторов управляющей рукояти в системах координат главного манипулятор и дисплея в результате воздействия руки оператора на управляющую рукоять, вызывающего перемещение хирургического инструмента в операционном поле посредством вычисляемых по математическому алгоритму отклонений точек, векторов и угловых положений штока и концевого эффектора хирургического инструмента и исполнительного манипулятора;

передачу вычисленных значений на серводвигатели исполнительного манипулятора.

2. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что главный манипулятор характеризуется подвижной и неподвижной системами координат.

3. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что главный манипулятор содержит в планетарной системе управляющей рукояти базовую точку pOj, при нажатии педали на консоли хирурга перемещаемую под воздействием управляющей рукояти без передачи управляющего воздействия на исполнительный манипулятор, а при отжатии педали осуществляют сохранение абсолютных координат текущего положения точки pOj в переменной точке pOjStart.

4. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 3, отличающийся тем, что осуществляют определение отклонения положения управляющей рукояти в результате воздействия руки оператора посредством определения отклонения положения базовой точки pOj, являющейся центром дуг окружностей, образующих управляющую рукоять, от положения точки pOjStart, координаты которой сохранены после отжатия педали и отклонения вектора myV, задающего направление оси на главном манипуляторе, вокруг которой вращаются лепестки управляющей рукояти.

5. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что определяют координаты угловых положений колен узла доставки, координаты векторов фланца исполнительного манипулятора, координаты точки троакара исполнительного манипулятора с хирургическим инструментом и видеокамерой, координаты центрального пикселя матрицы видеокамеры и координаты конца штока хирургического инструмента.

6. Способ управления роботохирургическим комплексом по п. 1, отличающийся тем, что для осуществления перемещения штока и концевого эффектора хирургического инструмента и исполнительного манипулятора в ответ на перемещение главного манипулятора осуществляют: вычисление отклонения вектора нормали WN к плоскости раскрывания браншей, перпендикулярного вектору, задающему направление оси на главном манипуляторе; определение угла myRot, характеризующего поворот лепестков рукояти главного манипулятора относительно горизонтальной плоскости; вычисление изменения положения базовой точки pBra, лежащей на оси пересечения первого и второго звеньев концевого эффектора; определение угла поворота штока хирургического инструмента и угла поворота звеньев концевого эффектора; определение угла вращения оси исполнительного манипулятора phiM и угла поворота αFM исполнительного манипулятора относительно его оси; вычисление длины штока хирургического инструмента в теле пациента.