La presente invención consiste en un brazo telerrobótico de, al menos, cuatro grados de libertad capaz de realizar los movimientos de las herramientas quirúrgicas en una operación de cirugía mínimamente invasiva. El brazo robótico está formado preferentemente por cinco actuadores, cuatro de ellos para ejecutar los 4 grados de libertad y 1 adicional para controlar el intercambio de herramienta. Cada brazo tiene un tamaño reducido, junto con una capacidad dinámica suficiente para la realización de las tareas quirúrgicas.

SECTOR TÉCNICO AL QUE SE REFIERE LA INVENCIÓN

El presente invento se refiere al campo de los sistemas quirúrgicos con asistencia robótica, robots quirúrgicos y sistemas automáticos para cirugía asistida por computador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La cirugía mínima invasiva se caracteriza por la utilización de pequeñas incisiones menores de 10 mm de forma que los instrumentos penetran en el cuerpo atravesando dichas incisiones. En estos puntos de entrada se colocan los trocares, que son elementos que permiten el acceso de dichos instrumentos restringiendo la cinemática de operación a una articulación esférica más un grado de libertad de traslación a lo largo del eje de la herramienta quirúrgica. Los dispositivos robóticos se definen como intrínsecamente seguros porque su diseño mecánico se basa en dos requisitos, evitar colisiones entre sus elementos y evitar singularidades dentro del espacio de trabajo de la herramienta del robot. La solución más común es el uso del "remote center of motion" (RCM), que coloca el centro

HOJA DE REEMPLAZO (Regla 26) de rotación de la muñeca del robot en el trocar. De esta forma no se produce ninguna traslación de dicho punto, evitando que cualquier fallo en el control del robot provoque algún daño en el paciente.

Sobre esta idea, existen distintos sistemas robóticos como el denominado Bluedragon o el llamado WA-slave que colocan la intersección de los ejes de la muñeca sobre el punto trocar.

Actualmente, existen dispositivos robóticos más voluminosos, como el reivindicado con la patente US 5,855,583 conocido como "Method and apparatus form performing minimally" o la patente americana US 5,337,732 con título "Robotic Endoscopy" o incluso la patente americana "Automated endoscope system for optimal poistioning", no obstante, estos dispositivos son engorrosos y grandes y por tanto provocan problemas de ergonomía en el quirófano; sobre todo durante el cambio de herramienta, obligando a tener tiempos de preparación del robot y del paciente antes de la operación muy largos y generando problemas en la economía del quirófano.

También, se han generado dispositivos de pequeño tamaño, como el denominado MARS o el dispositivo de la Universidad de Hawaii o el llamado Light Endoscope-Holder Robot, no obstante, estos dispositivos poseen una capacidad muy pequeña para ejercer las fuerzas necesarias en algunos procedimientos quirúrgicos actuales, siendo difícilmente adaptables a determinadas realidades quirúrgicas.

Ante esta situación, la invención proporciona mejoras o innovaciones sobre los dispositivos existentes.

La presente invención posee una estructura cinemática PARALELA, que otorga rigidez y robustez al dispositivo, permitiendo ejercer fuerzas suficientes para la realización de las tareas quirúrgicas, a pesar del tamaño reducido del mismo. Asimismo, la presente invención incorpora un intercambiador de herramientas automático que permite el aporte de material a la zona quirúrgica de forma automática sin necesidad de la presencia de un cirujano en la sala y ahorrando una gran cantidad de tiempo sobre el actualmente utilizado cuando se quiere introducir un aposito al interior de la cavidad abdominal.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención BRAZO TELEROBÓTICO de configuración paralela para aplicaciones de cirugía mínima invasiva, preferiblemente, de cuatro grados de libertad, capaz de realizar los movimientos de las herramientas quirúrgicas en una operación de cirugía mínimamente invasiva consiste preferentemente en tres elementos, a saber, un brazo posicionador pasivo (36) que posee principalmente una configuración serial en la que cada articulación (37) es pasiva y se encuentra sensorizada para conocer la posición final del elemento (21 ) pudiendo bloquearse para que las articulaciones permanezcan fijas durante la operación, y la cual se ancla en la camilla del quirófano y permite posicionar su extremo final (21 ) sobre el paciente; un intercambiador de herramientas constituido principalmente, por una guía lineal motorizada (25) colocada en el extremo final del brazo posicionador (36) guardando un ángulo preferentemente de 60° con el último eslabón del brazo (36), sobre la que desliza un carro que porta un actuador magnético sin vástago (5) para el intercambio de herramientas, el carro se posiciona de manera exacta a lo largo de la guía lineal, permitiendo el alineamiento de los actuadores magnéticos (4) y (5), con la finalidad de controlar el carro, la guía lineal se encuentra sensorizada con finales de carrera (1 1 ) y (12); y, por último, un mecanismo de configuración cinemática paralela, constituido, a su vez, por tres actuadores lineales con vástago (1 ), (2) y (3) que conforman una plataforma paralela. La base inferior (20) de esta plataforma es una articulación esférica formada por tres elementos (21 ), (22) y (23) cuyo centro de rotación (10) coincide con el orificio de entrada de la operación quirúrgica, aumentando la seguridad de este tipo de operaciones. La base superior (24) de esta plataforma se encuentra sujeta a los tres actuadores lineales (1 ), (2) y (3) que desplazándose sobre sus vástagos (32), (33) y (34) produce la rotación de esta plataforma superior.

Asimismo, la invención cuenta con una interíaz electrónica (28) ubicada en la intersección entre el vástago y el propio eje de la herramienta quirúrgica que permite el conexionado electrónico de los alambres de memoria de forma necesarios para el control de los grados de libertad necesarios en el extremo de la herramienta quirúrgica (26). Para ilustrar esto último, la figura 8 muestra una herramienta quirúrgica tipo pinza cuyo grado de libertad es el movimiento de abrir/cerrar pinza. Este movimiento se controla mediante los alambres y muelles de nitinol (27) ubicados en el propio eje de la herramienta y que se conectan eléctricamente en la interíaz (28).

En esta configuración, la invención permite utilizar varios brazos sin tener problemas de colisiones entre ellos, ya que la parte pasiva (el brazo posicionador pasivo) está estático, y el movimiento de la parte móvil queda restringido al espacio de trabajo visualizado en la figura 5. El esquema de teleoperación de este brazo permite su integración en un sistema bilateral de teleoperación, dado que es posible obtener el dato de fuerzas realizadas por el brazo robótico sobre la herramienta quirúrgica gracias a la lectura directa de la intensidad de los actuadores (1 ), (2), (3) y (4).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Figura 1 . Vista general del brazo telerobótico para aplicaciones de cirugía mínima invasiva.

Figura 2. Vista alzado del brazo telerobótico. Figura 3. Vista general de un sistema formado por dos brazos tele robóticos

Figura 4. Croquis en alzado del efector paralelo y el intercambiador de herramienta.

Figura 5. Croquis en alzado del espacio de trabajo del brazo teleoperador.

Figura 6. Vista detalle de la rótula esférica formada por tres piezas concéntricas

Figura 7. Vista isométrica y alzado del sistema intercambiador de herramienta.

Figura 8. Vista detalle de la interíaz electrónica para el control del extremo de la herramienta quirúrgica.

Figura 9. Esquema de control para la tele operación del brazo tele robótico. Leyenda de las figuras:

(1 ) actuador lineal 1 de la estructura paralela

(2) actuador lineal 2 de la estructura paralela

(3) actuador lineal 3 de la estructura paralela

(4) actuador lineal de la pata central para control de la herramienta

(5) actuador lineal para el intercambio de herramienta

(6) actuador eléctrico para control del carro portaherramientas

(10) punto de rotación e inserción de la herramienta en el paciente

(fulcrum)

(1 1 ) final de carrera del carro portaherramientas

(12) final de carrera del carro portaherramientas

(13) posición de la herramienta arriba

(14) posición de la herramienta abajo

(15) posición de intercambio de herramienta

(16) posición extrema del espacio de trabajo de la herramienta

(20) articulación esférica

(21 ) pieza base de la articulación esférica

(22) pieza intermedia de la articulación esférica (23) pieza superior de la articulación esférica

(24) base superior plataforma paralela

(25) guía lineal portaherramientas

(26) extremo final de una pinza quirúrgica

(27) muelle de compresión. Actuador SMA de Nitinol

(28) interfaz electrónica par control del actuador SMA de Nitinol

(32 a 34) vástagos de los motores (1 ),(2) y (3)

(35) vástago portaherramientas

(36) brazo posicionador pasivo para soporte

(37) articulaciones del brazo soporte pasivo

EXPOSICIÓN DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

Un modo de realización de la invención BRAZO TELEROBÓTICO DE CONFIGURACIÓN PARALELA es aquel en el que el brazo posicionador pasivo está formado preferentemente por 3 ó más eslabones de aluminio extrusionado. Las articulaciones (37) se montan sobre articulaciones que podrían ser del tipo cardan (hook) modificadas, de forma que se obtenga una gran amplitud de movimiento y la posibilidad de bloquear (frenar) dichas articulaciones pasivas. La guía lineal (25) se coloca en el alojamiento previsto para ello en una pieza (21 ), de forma que se consigue el ángulo pretendido para la colocación de la guía. La guía es preferentemente una guía monocarril ligera de carrera útil 150 mm, a la que se acopla un motor DC (6) para el control del carro lineal, este carro lineal se posiciona exactamente a lo largo de la guía lineal (25) y permite el alineamiento y acercamiento de los ejes de los actuadores (4) y (5). Sobre este carro se coloca un motor lineal. Para la inserción automática de una nueva herramienta, el actuador (4) se encuentra sin ningún vástago en su interior, y por tanto no hay inicialmente herramienta en el mecanismo paralelo. El dispositivo paralelo se desplaza hasta colocar su eje principal paralelo al eje de la guía lineal, posición (16). El carro de la guía se coloca en la posición adecuada para permitir que el movimiento del vástago (35) inserte este vástago en el actuador (4). Una vez el actuador (4) controla el vástago (35) y la herramienta quirúrgica, el actuador (5) deja de actuar, de forma que cuando el carro de la guía lineal (25) se desplace hacia arriba, el vástago (35) sale del actuador (5) y queda controlado por el actuador (4).

La base inferior del dispositivo paralelo se construye con tres piezas hechas preferiblemente en Nylon u otro tipo de plástico de baja fricción, para conseguir una articulación esférica. Las juntas cardan utilizadas son estándar, mientras que los actuadores (1 ), (2) y (3) son, preferiblemente motores lineales de 80mm de carrera útil y con una capacidad mínima de 2 Newtons. La base superior se construye preferiblemente en metracrilato, y ubica otro actuador (4) de características similares a los actuadores (1 ), (2) y (3). Los vástagos (32 a 35) son los vástagos de los actuadores LM 1247, y al vástago (35) se le añade en un extremo la interfaz electrónica y la herramienta quirúrgica para cirugía mínima invasiva.

Los músculos de alambre utilizados para actuar el extremo final de la herramienta quirúrgica son deseablemente alambres de aleaciones con memoria de forma (27), estos alambres se colocan en el interior del tubo de la herramienta quirúrgica y funcionan con esquemas de músculos antagonistas para poder accionar el extremo de la herramienta.