Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 495, № 1, стр. 84-88

В настоящее время большое внимание уделяется развитию робототехники и внедрению ее в сферы медицины и здравоохранения [1]. На сегодняшний день развиваются различные направления использования роботизированных систем в медицине: малоинвазивная полостная хирургия (урология, проктология, гинекология, кардиохирургия, эндокринология и другие медицинские специальности), хирургические лазеры, хирургия в области позвоночника [2]. В большинстве случаев использование роботоассистирующих 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.

Роботизированная хирургия активно развивается с 90-х годов прошлого века. В 1996 г. успешно выполнили телехирургическую лапароскопическую холецистэктомию свиньи с помощью системы ARTEMIS, разработанной с открытой консолью и тремя одиночными руками-манипуляторами [3]. Наибольшее распространение и признание в профессиональном сообществе получила платформа daVinci Intuitive Surgical System, применяемая в урологии, проктологии, гинекологии, кардиохирургии, эндокринологии и других медицинских специальностях [4]. Следует отметить, что руки-манипуляторы этого робота, расположенные на общем основании, имеют последовательную структуру. С момента выхода первого поколения daVinci прошло более 20 лет, сроки действия патентов на эту платформу истекли в 2019 г.

Динамичное развитие роботизированной хирургии приводит к созданию новых роботизированных ассистирующих систем. Среди них стоит отметить Telelap ALF-X (Италия) [5], Medtronic (немецкий аэрокосмический центр, Германия) [6], Avatera (Германия, Швейцария), REVO-I (Южная Корея) [7], Medicaroid (Япония) [8], SurgiBot [9] и др. При этом, несмотря на имеющиеся существенные различия и особенности перечисленных систем, схемы механизмов большинства манипуляторов имеют подобную daVinci последовательную структуру и внешне сильно похожи.

Например, конструкция альтернативной роботизированной системы Telelap ALF-X включает три руки-манипулятора последовательной структуры, установленные на трех отдельных основаниях. Задающее устройство представляет собой две ручки, похожие на рукоятки лапароскопических манипуляторов, с их помощью осуществляется управление инструментами с четырьмя и шестью степенями свободы.

Использование последовательной схемы робота daVinci повлекло добавление двух дополнительных кинематических пар с приводами, увеличение общей длины манипулятора и веса компонентов одной “руки” до ~ 80 кг (при весе самого инструмента, равном ~20 г), что приводит к снижению позиционной точности [10, 11]. При этом применение механизмов параллельной или параллельно-последовательной структуры может значительно снизить данные недостатки [12].

Различные варианты открытых и закрытых кинематических цепей устройств управления у предлагаемых на рынке и разрабатываемых роботизированных систем имеют, как правило, конструкции, отличные от стандартных лапароскопических инструментов. Это приводит к необходимости длительного процесса обучения персонала, может вызвать сложности переучивания при использовании различных роботоассистирующих систем.

В Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН разработан ряд устройств, эффективно решающих указанную задачу [10, 13, 14].

Манипулятор (рис. 1) содержит основание и расположенный на нем вращательный двигатель, вал которого связан с подвижной платформой. Второй вращательный двигатель размещен на подвижной платформе, причем оси этих двигателей перпендикулярны. Далее размещена рабочая площадка, на которой закреплено выходное звено. Рабочий орган-инструмент установлен на выходном звене с возможностью поступательного и вращательного движения относительно собственной оси. Подвижная платформа дополнительно связана с рабочей площадкой второй кинематической цепью, состоящей из двух последовательно установленных ременных передач, каждая из которых содержит по два шкива, связанных посредством ремня.

Механизм характеризуется тем, что имеет небольшую массу (порядка 10 кг), достаточно большую рабочую область, постоянство точки ввода, четыре степени свободы. Повышение эффективности устройства манипулирования достигается за счет использования паралелльно-последовательной структуры.

Механизм (рис. 2) имеет основание, на котором располагаются два пересекающихся дугообразных звена. В изменяемой точке пересечения этих звеньев расположена подвижная платформа, на которой последовательно расположены поступательный и вращательный приводы, которые перемещают выходное звено поступательно и вращают его вокруг своей оси.

Необходимый размер рабочей области обеспечивается параметрами механизма. Манипулятор конструктивно обеспечивает постоянство точки ввода, имеет высокую точность и жесткость при сравнительно небольшом весе (~6 кг) и размере.

Манипулятор (рис. 3) включает в себя три параллельно соединенные кинематические цепи. Эти кинематические цепи содержат приводные каретки, расположенные на круговом основании-направляющей. Далее расположена подвижная платформа с установленным на ней поступательным двигателем, перемещающим центральную штангу, ось которой проходит через точку пересечения всех кинематических пар. Указанная точка является неподвижной точкой ввода инструмента.

Данный робот может использоваться не только с ручным управлением, но и с автоматическим. Для этого разработана динамическая модель с использованием закона управления, который позволяет минимизировать ошибку по положению, скорости и ускорению [15].

Получены выражения для требуемых моментов в приводах M₁, M₂, M₃, расположенных на круговом основании, которые позволяют обеспечить движение выходного звена по заданному закону с требуемой точностью:

где α_mp, …, ${{\ddot {\gamma }}_{{mp}}}$ – функции, описывающие требуемые значения координат, скоростей и ускорений выходного звена; Hg, Hg₁ – коэффициенты, определяющие вид и скорость переходного процесса по ошибке; A₁, A₂, …, C₃, ${{Z}_{n}}$ – выражения, зависящие от частных производных, связывающих обобщенную скорость во входной паре с проекциями вектора угловой скорости на оси системы координат, связанной с выходным звеном. Для М₂ и М₃ можно составить аналогичные выражения.

Проведено моделирование движения рассматриваемого механизма. С помощью разработанного алгоритма получены фактические изменения координат, скоростей и ускорений при заданных параметрах. На рис. 4 представлено требуемое движение, выделенное сплошной линией, и фактическое движение, обозначенное пунктирной линией. Оказалось, что при соответствующих коэффициентах, обеспечивающих заданный переходный процесс по ошибке, можно получить приемлемое и устойчивое решение задачи.

Во всех перечисленных механизмах отличительными особенностями является то, что для обеспечения требуемого размера рабочей зоны, числа степеней свободы, обеспечения постоянства точки ввода инструмента не используются дополнительные приводы. При этом часть приводов можно расположить на основании, сделав таким образом остальную часть манипулятора менее массивной. Это обеспечивает снижение массы всего механизма, облегчает управление им, уменьшает габариты. Разработанные прототипы механизмов обладают высокой жесткостью конструкции.

Представленные механизмы способны обеспечить движения выходного звена и инструмента, расположенного на нем, а также задающего устройства управления, максимально похожие на движения стандартного хирургического лапароскопа.

Таким образом, разработанные механизмы и изготовленные прототипы (рис. 1–3) обладают важными для малоинвазивных хирургических систем достоинствами по сравнению с уже признанными в мире, а также создаваемыми в различных странах роботоассистирующими комплексами: невысокими массогабаритными характеристиками при сохранении жесткости конструкции и точности перемещений. Проведенные исследования будут продолжены для развития отечественной роботизированной малоинвазивной хирургии.