DE102011011497A1

DE102011011497A1 - Chirurgisches Instrument

Info

Publication number: DE102011011497A1
Application number: DE102011011497A
Authority: DE
Inventors: Dr. Brudniok Sven
Original assignee: KUKA Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2012-08-23
Also published as: EP2675386A2; US9730757B2; WO2012110254A3; WO2012110254A2; US20140222019A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßes, insbesondere robotergeführtes, chirurgisches Instrument, weist ein Schaftende (1), einen Werkzeughalter (2), der um eine Gierachse (G) drehbar an dem Schaftende gelagert ist, und ein Werkzeug (3) mit einem Grundhebel (3A), insbesondere einer Klinge und/oder Backe, das um eine Nickachse (N) drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, sowie ein Rädergetriebe mit einem Antriebsrad (31), das durch ein Antriebsmittel (200) um eine Eingangsgetriebeachse (G) drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und einem dieses kraft- und/oder formschlüssig kontaktierenden Abtriebsrad (30), das um eine Ausgangsgetriebeachse (N) drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das das Werkzeug um die Nickachse drehbar ist, oder ein Umschlingungsgetriebe mit einem Antriebsrad, das durch ein Antriebsmittel um eine Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, einem Abtriebsrad, das um eine Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das das Werkzeug um die Nickachse drehbar ist, und zwei von dem Antriebsmittel verschiedenen, insbesondere verbundenen, Zugmitteltrummen, welche An- und Abtriebsrad koppeln, auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein, insbesondere robotergeführtes, chirurgisches Instrument, vorzugsweise für die minimalinvasive Chirurgie, mit einem Schaftende, einem Werkzeughalter, der um eine Gierachse drehbar an dem Schaftende gelagert ist, und einem Werkzeug mit wenigstens einem Hebel, insbesondere einer Klinge und/oder Backe, das um eine Nickachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist.
Seit einigen Jahren werden insbesondere minimalinvasive chirurgische Eingriffe, bei denen ein oder mehrere am distalen Ende chirurgischer Instrumente angeordnete Werkzeuge, vorzugsweise durch Trokare, in den Patienten eingeführt werden, robotergestützt durchgeführt, indem durch Operateure telegesteuerte Roboter die Instrumente bewegen.
Die US 6,371,952 und US 7,169,141 schlagen hierzu chirurgische Instrumente vor, bei denen ein Werkzeughalter und zwei Hebel eines darin gelagerten Werkzeugs mittels seilumschlungenen Scheiben um eine Gier- bzw. Nickachse gedreht werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein chirurgisches Instrument mit einer alternativen Aktuierung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Instrument mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 4 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein erfindungsgemäßes chirurgisches Instrument weist einen Schaft mit einem Schaftende sowie einen, vorzugsweise käfigartigen, i. e. im Wesentlichen durch stabförmige Teile definierten, Werkzeughalter auf, der um eine Gierachse drehbar an dem Schaftende gelagert ist. Der Schwenkbereich des Werkzeughalters beträgt in einer bevorzugten Ausführung wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens 230°. Das Schaftende kann fest mit dem, vorzugsweise robotergeführten, Schaft verbunden, insbesondere integral ausgebildet sein. Gleichermaßen kann es, etwa zur Darstellung eines Rollfreiheitsgrades um eine Schaftlängsachse, gelenkig mit dem Schaft verbunden und mittels eines Antriebsmittels bewegbar sein.
An dem Werkzeughalter ist ein Werkzeug mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr Hebeln, um eine Nickachse drehbar gelagert. Der Schwenkbereich des Werkzeugs beträgt in einer bevorzugten Ausführung wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens 200°. Gier- und Nickachse kreuzen sich vorzugsweise – wenigstens im Wesentlichen – rechtwinkelig. Gier- und Nickachse können dabei einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, i. e. einander schneiden, oder windschief, i. e. ohne Schnittpunkt mit Achsabstand aneinander vorbeilaufen, so dass vorliegend verallgemeinernd insbesondere zwei nicht parallele Achsen als kreuzende Achsen bezeichnet werden. Vorzugsweise ist ein Antriebsrad mit dem Werkzeughalter fest oder wirkverbunden, das durch ein Antriebsmittel um die Gierachse drehbar ist. Durch Drehung dieses Antriebsrades, das nachfolgend auch als Werkzeughalterrad bezeichnet wird, mittels des Antriebsmittels kann der Werkzeughalter um die Gierachse gedreht werden.
Ein oder mehrere Hebel können fest mit dem Werkzeug verbunden, insbesondere integral ausgebildet sein, und beispielsweise eine Klinge eines Skalpells aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Hebel relativ zu dem Werkzeug beweglich, insbesondere drehbar, sein, und zum Beispiel die Klingen einer Schere oder die Backen einer Zange aufweisen. Der Schwenkbereich eines oder mehrerer Hebel beträgt in einer bevorzugten Ausführung wenigstens 180°, vorzugsweise wenigstens 200°.
Insbesondere können zwei an dem Werkzeug drehbeweglich gelagerte Hebel oder ein an dem Werkzeug drehbeweglich gelagerter sowie ein mit diesem oder dem Werkzeughalter fest verbundener Hebel scheren- bzw. zangenartig zusammenwirken. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Hebel translatorisch an dem Werkzeug gelagert sein, um zum Beispiel einen verfahrbaren Stift darzustellen. Der Begriff Hebel bezeichnet daher unabhängig von seiner Geometrie vorliegend insbesondere einen Teil des Werkzeugs mit einer Wirkfläche.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das chirurgische Instrument ein Rädergetriebe mit einem Antriebsrad, das durch ein Antriebsmittel um eine Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und mit einem dieses kraft- und/oder formschlüssig kontaktierenden Abtriebsrad auf, das um eine Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das das Werkzeug um die Nickachse drehbar ist. Für eine kompakte, einheitliche Darstellung wird dieses Rädergetriebe nachfolgend auch als Werkzeug-Rädergetriebe bezeichnet.
Insbesondere, um einen weiteren Freiheitsgrad zu aktuieren, weist in einer bevorzugten Weiterbildung das Instrument wenigstens ein weiteres Rädergetriebe mit einem weiteren Antriebsrad, das durch ein weiteres Antriebsmittel um eine weitere Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und einem dieses kraft- und/oder formschlüssig kontaktierenden weiteren Abtriebsrad auf, das um eine weitere Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das ein weiterer Hebel des Werkzeugs um eine weitere Werkzeugachse drehbar ist.
Das Werkzeug-Rädergetriebe und/oder das weitere Rädergetriebe können jeweils insbesondere als Schnecken-, Schraub-, Kegel-, Hypoid-, Kronen- oder Reibradgetriebe ausgebildet sein, so dass seine Ein- und Ausgangsgetriebeachse einander, insbesondere – wenigstens im Wesentlichen – rechtwinklig, mit bzw. ohne Schnittpunkt kreuzen. Bei einem Schnecken-, Schraub-, Kegel-, Hypoid- oder Kronenradgetriebe kontaktieren An- und Abtriebsrad einander formschlüssig mit kämmenden Verzahnungen, bei einem Reibradgetriebe reib-, i. e. kraftschlüssig. Zur kompakten, einheitlichen Darstellung werden auch eine Schnecke, ein Kegelrad und dergleichen, allgemein ein Rotationskörper mit einer Stirn- und/oder Umfangsverzahnung bzw. Reibfläche, als An- bzw. Abtriebsrad im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Unter einer Achse wird vorliegend insbesondere eine kinematische Drehachse verstanden, diese kann konstruktiv insbesondere durch eine fliegend oder beidseitig gelagerte Welle oder durch eine Nabe definiert sein, die sich auf einem konstruktionstechnisch auch als Achse bezeichneten Zylinder dreht.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das chirurgische Instrument ein Umschlingungsgetriebe mit einem Antriebsrad, das durch ein Antriebsmittel um eine Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, einem Abtriebsrad, das um eine Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das das Werkzeug um die Nickachse drehbar ist, und mit zwei von dem Antriebsmittel verschiedenen, insbesondere verbundenen, Zugmitteltrummen auf, welche dieses An- und Abtriebsrad koppeln. Für eine kompakte, einheitliche Darstellung wird dieses Umschlingungsgetriebe nachfolgend auch als Werkzeug-Umschlingungsgetriebe bezeichnet.
Insbesondere, um einen weiteren Freiheitsgrad zu aktuieren, weist in einer bevorzugten Weiterbildung das Instrument wenigstens ein weiteres Umschlingungsgetriebe mit einem weiteren Antriebsrad, das durch ein weiteres Antriebsmittel um eine weitere Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und einem weiteren Abtriebsrad, das um eine weitere Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das ein weiterer Hebel, insbesondere eine Klinge und/oder Backe, des Werkzeugs um eine weitere Werkzeugachse drehbar ist, und mit zwei von dem Antriebsmittel verschiedenen, insbesondere verbundenen, weiteren Zugmitteltrummen auf, welche das weitere An- und Abtriebsrad koppeln.
An- und Abtriebsrad des Werkzeug-Umschlingungsgetriebes und/oder des weiteren Umschlingungsgetriebes werden in einer bevorzugten Weiterbildung jeweils wenigstens über einem Teil ihres Umfangs von den beiden zu einem geschlossenen Zugmittel verbundenen, insbesondere integral miteinander ausgebildeten Zugmitteltrummen reibschlüssig, insbesondere durch ein Zugseil, einen Reibriemen oder dergleichen, oder formschlüssig, insbesondere durch einen Zahnriemen oder dergleichen, umschlungen. Zwei miteinander verbundene Zugmitteltrumme können insbesondere durch ein durchgehendes Zugmittel, beispielsweise ein Seil, Kabel oder einen Riemen, gebildet sein, dessen beiden Enden fest oder lösbar miteinander verbunden sind, so dass das Zugmittel bzw. die beiden verbundenen Zugmitteltrumme eine oder mehrere geschlossene Schlaufen bilden. Zur einheitlichen Darstellung werden auch eine Rolle oder Scheibe, allgemein ein Rotationskörper mit einer Kontaktfläche zur reib- oder formschlüssigen Kraftübertragung mit den Zugmitteltrummen, als An- bzw. Abtriebsrad im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausführung bildet ein Zugmitteltrumm mit der Gier- und/oder der Nickachse einen Winkel, der größer als 0°, insbesondere größer als 15°, und kleiner als 90°, insbesondere kleiner als 75° ist. Das andere Zugmitteltrumm eines Umschlingungsgetriebes bildet vorzugsweise mit Gier- und/oder der Nickachse einen – wenigstens im Wesentlichen – rechten Winkel. Hierzu ist insbesondere ein Zugmittel mit kreisförmigem Querschnitt geeignet, da es mit verschiedenen Umfangsbereichen An- und Abtriebsrad kontaktieren kann, ohne verdrillt zu werden.
Insbesondere, um das vorstehend erläuterte Zugmitteltrumm, welches schief zur Gier und/oder Nickachse verläuft, zwischen An- und Abtriebsrad zu führen, wird in einer bevorzugten Ausführung ein Zugmitteltrumm durch eine, zwei oder mehr Führungsräder geführt wird. Vorzugsweise ist eine Führungsdrehachse, um die ein Führungsrad drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, um einen Winkel gegen die Nick- und/oder Gierachse geneigt, der größer als 0°, insbesondere größer als 15°, und kleiner als 90°, insbesondere kleiner als 75° ist.
Sowohl nach dem ersten als auch dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein vorteilhaftes Übertragungsverhalten realisiert werden. Insbesondere kann in einer bevorzugten Weiterbildung die Dynamik eines solchen Rädergetriebes besser modelliert werden als bei bisher bekannten Instrumenten und so eine für eine Kraftrückkopplung zum Operateur notwendige indirekte, modellbasierte Kraftmessung aufgrund der Antriebskräfte erleichtern. Entsprechend ist in einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass modellbasiert aus gemessenen Antriebskräften und/oder -momenten, insbesondere von Antrieben oder durch Antriebsmittel übertragenen Kräften bzw. Momenten, an einem oder mehreren Hebeln des Werkzeugs auftretenden Kräfte bzw. Momente ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Instrument nach dem ersten oder zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung größere Schwenkbereiche in einem oder mehreren Freiheitsgraden und/oder eine präzisere Aktuierung ermöglichen.
Die nachfolgend erläuterten vorteilhaften Ausführungen können den ersten und/oder zweiten Aspekt weiterbilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Eingangsgetriebeachse des Werkzeug-Räder- bzw. -Umschlingungsgetriebes und/oder des weiteren Räder- bzw. Umschlingungsgetriebes – wenigstens im Wesentlichen – parallel zu der Gierachse des Werkzeughalters, insbesondere mit dieser fluchtend oder auch mit einem Achsabstand. Zusätzlich oder alternativ können die Ausgangsgetriebeachse des Werkzeug-Räder- bzw. -Umschlingungsgetriebes und/oder des weiteren Räder- bzw. Umschlingungsgetriebes – wenigstens im Wesentlichen – parallel zu der Nickachse sein, insbesondere mit dieser fluchten.
In einer bevorzugten Ausführung weist das Werkzeug einen Werkzeuggrundkörper auf, der um die Nickachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und mit dem Abtriebsrad des Werkzeug-Räder- bzw. -Umschlingungsgetriebes wirk- oder fest verbunden, insbesondere integral ausgebildet ist. Unter einer Wirkverbindung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird allgemein insbesondere eine form- oder kraft-, insbesondere reibschlüssige Koppelung derart verstanden, dass eine Bewegung eines Körpers eine zwangsgeführte Bewegung des mit diesem wirkverbundenen Körpers bewirkt. Insbesondere kann eine Wirkverbindung ein ein- oder mehrstufiges zwischengeschaltetes Zahn-, Reibrad- und/oder Umschlingungsgetriebe aufweisen.
Ein nachfolgend auch als Grundhebel bezeichneter Hebel des Werkzeugs kann fest mit diesem Werkzeuggrundkörper verbunden, insbesondere integral ausgebildet sein, so dass dieser Hebel mit dem Werkzeuggrundkörper durch das Abtriebsrad des Werkzeug-Räder- bzw. -Umschlingungsgetriebes um die Nickachse gedreht wird.
Um zwei gegeneinander bewegliche Hebel zu aktuieren, kann der weitere Hebel, der durch das weitere Räder- bzw. Umschlingungsgetriebe bewegt wird, drehbar an dem Werkzeuggrundkörper gelagert und mit dem Abtriebsrad des weiteren Räder- bzw. Umschlingungsgetriebes wirk- oder fest verbunden, insbesondere integral ausgebildet, sein, wobei in einer bevorzugten Weiterbildung die weitere Werkzeugachse – wenigstens im Wesentlichen – parallel zu der Nickachse ist, insbesondere mit dieser fluchtet. Auf diese Weise kann insbesondere eine Schere bzw. Zange dargestellt werden, deren Scherenklingen bzw. Zangenbacken durch den Grundhebel und den Werkzeuggrundkörper einerseits und den hierzu vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen spiegelsymmetrischen – weiteren Hebel andererseits gebildet werden.
Gleichermaßen kann in einer bevorzugten Ausführung der Grundhebel um eine Werkzeugachse, die nachfolgend auch als Grundwerkzeugachse bezeichnet wird, drehbar an dem Werkzeuggrundkörper gelagert sein. In einer bevorzugten Weiterbildung ist der weitere Hebel des Werkzeugs, der durch das weitere Abtriebsrad drehbar ist, um die weitere Werkzeugachse ebenfalls drehbar an dem Werkzeuggrundkörper gelagert, wobei in einer bevorzugten Weiterbildung die Grund- sowie die weitere Werkzeugachse – wenigstens im Wesentlichen – parallel sind, insbesondere fluchten.
In einer bevorzugten Weiterbildung spreizt eine Drehung des weiteren Abtriebsrades Haupt- und weiteren Hebel gegeneinander. Hierzu ist eine bevorzugte Weiterbildung ein Umsetzungsgetriebe zur Umsetzung einer rotatorischen und einer translatorischen Bewegung ineinander zwischen dem weiteren Abtriebsrad und den Hebeln des Werkzeugs angeordnet. Das Umsetzungsgetriebe weist in einer bevorzugten Ausführung eine mit dem weiteren Abtriebsrad wirk- oder fest verbundene spiralförmige Kulisse auf, an der ein translatorisch geführter Gleitkörper formschlüssig geführt ist. Unter einer spiralförmigen Kulisse wird insbesondere eine Kulisse verstanden, deren einen Vorsprung des Gleitkörpers führende Nut oder deren eine Nut des Gleitkörpers führender Vorsprung einen mit dem Drehwinkel, vorzugsweise linear, variierenden radialen Abstand aufweist, so dass eine Drehung der Kulisse den Gleitkörper translatorisch verschiebt. Haupt- und weiterer Hebel weisen vorzugsweise eine gegenläufige Kulissenführung auf, an der der Gleitkörper formschlüssig geführt ist, und die eine translatorische Bewegung des Gleitkörpers in eine Spreizung von Haupt- und weiterem Hebel gegeneinander bewirkt.
Ein Antriebsmittel kann allgemein zwei gegenläufige Zugmitteltrumme aufweisen. Zwei gegenläufige Zugmitteltrumme eines Antriebsmittels oder eines Umschlingungsgetriebes, insbesondere Seile, Kabel, Reib-, insbesondere Keil-, oder Zahnriemen, können miteinander zu einem geschlossen Zugmittel verbunden, insbesondere integral ausgebildet sein. Die Zugmitteltrumme können ein getriebenes Rad reibschlüssig teilweise oder mehrfach umschlingen, so dass eine Zugbewegung eines Zugmitteltrummes eine gegenläufige Bewegung des anderen Zugmitteltrummes und eine Drehung des getriebenen Rades bewirkt. Die Zugmitteltrumme können mit einem getriebenen Rad auch formschlüssig verbunden sein, indem etwa jeweils ein Ende eines Zugmitteltrummes an dem getriebenen Rad befestigt ist und die beiden Zugmitteltrumme auf gegenüberliegenden Seiten des Rades auf- bzw. ablaufen, so dass wiederum eine Zugbewegung des einen Zugmitteltrummes eine gegenläufige Bewegung des anderen Zugmitteltrummes und eine Drehung des getriebenen Rades bewirkt. Vorzugsweise beträgt in einer Null- bzw. Neutralstellung des getriebenen Rades eine Umschlingung zwischen der Befestigung und dem Ablauf eines Zugmitteltrummes mehr als 90°, so dass das Rad aus der Nullstellung durch ein Zugmitteltrumm um mehr als 90° gedreht werden kann, bis es vollständig abgelaufen ist. Gleichermaßen können auch miteinander verbundene Zugmitteltrumme mit einem getriebenen Rad formschlüssig verbunden sein, indem beispielsweise ein Auge im Zugmittel ausgebildet und in einer Aufnahme eines getriebenen Rades angeordnet ist.
Antriebsseitig können zwei Zugmitteltrumme ebenfalls miteinander verbunden sein und beispielsweise ein Abtriebsrad eines Antriebs, vorzugsweise eines Elektromotors, form- oder reibschlüssig teilweise oder mehrfach umschlingen. Gleichermaßen können die beiden Zugmitteltrumme antriebsseitig auch separat, vorzugsweise gegenläufig synchronisiert, gezogen werden. Beispielsweise können zwei Zugmitteltrummenden an zwei gegenüberliegenden Hebeln gelenkig befestigt sein, die durch eine Abtriebswelle eines Elektromotors verdreht werden, so dass ein Hebel das mit ihm gelenkig verbundene Zugmitteltrumm zieht, während der andere Hebel dem anderen Zugmitteltrumm gegenläufig synchron nachgibt. Auf diese Weise kann eine ähnliche Aktuierung realisiert werden wie bei einem Abtriebsrad, das durch zwei antriebsseitig miteinander verbundene Zugmitteltrumme umschlungen ist und diese so ebenfalls gegenläufig aktuiert.
Ein getriebenes Rad kann auch durch ein daran gelenkig befestigtes Schubmittel insbesondere eine Schubstange, die gelenkig mit einem im getriebenen Rad translatorisch verschieblich geführten Gleitkörper verbunden ist, aktuiert werden.
Das durch ein Antriebsmittel getriebene Rad kann insbesondere ein Antriebsrad eines Räder- oder Umschlingungsgetriebes oder ein Werkzeughalterrad sein. Gleichermaßen kann es als Zwischenrad mit einem solchen auch wirkverbunden sein, insbesondere durch ein weiteres Zugmittel oder eine Verzahnung.
Ein erfindungsgemäßes Instrument ist insbesondere für die minimalinvasive Chirurgie geeignet, bei der das Schaftende teilweise, vorzugsweise durch einen Trokar, in den Körper eines Patienten eingeführt und das Werkzeug im Inneren des Patienten von außen aktuiert wird, geeignet. In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Instrument robotergeführt, i. e. wird von einem Roboter aktuiert und/oder als Ganzes, insbesondere mit zwei rotatorischen und einem translatorischen Freiheitsgrad um einen Trokarpunkt, bewegt. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, vielmehr kann ein erfindungsgemäßes Instrument auch für nicht-minimalinvasive, offene chirurgische Eingriffe verwendet und/oder von einem Operateur manuell geführt und aktuiert werden. In der bevorzugten Anwendung wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung jedoch ein System aus einem Roboter, einem damit fest oder lösbar verbundenen erfindungsgemäßen chirurgischen Instrument, sowie Antrieben zur Aktuierung der Antriebsmittel des Instrumentes vorgeschlagen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
2: eine Abwandlung des chirurgischen Instruments nach 1;
3: das chirurgische Instrument nach 2 in einer anderen perspektivischen Ansicht;
4: eine Abwandlung des chirurgischen Instruments nach 2 in einer 3 entsprechenden Ansicht;
5: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
6: das chirurgische Instrument nach 5 ohne Werkzeughalter;
7: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
8: das chirurgische Instrument nach 7 mit durchsichtigem Werkzeughalter;
9: eine Baugruppe des chirurgischen Instruments nach 7 in perspektivischer Ansicht;
10: ein Umsetzungsgetriebe der Baugruppe nach 9;
11: einen Werkzeuggrundkörper der Baugruppe nach 9;
12A/12B: zwei Hebel der Baugruppe nach 9 in geschlossener/gespreizter Stellung;
13: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
14: das chirurgische Instrument nach 13 von einer gegenüberliegenden Seite;
15: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
16: zwei Umschlingungsgetriebe des chirurgischen Instruments nach 15;
17: ein formschlüssig mit einem Rad zusammenwirkendes Zugmittel in einem chirurgischen Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht;
18: eine Abwandlung der Ausführung der 17 in perspektivischer Ansicht;
19: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
20: ein formschlüssig mit einem Rad zusammenwirkendes Schubmittel des chirurgischen Instruments nach 19.
1 zeigt den distalen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht mit einem Schaftende 1. Dieses kann fest mit dem weiteren, nicht dargestellten, hohlzylindrischen Schaft verbunden oder an diesem gelenkig, insbesondere um eine Schaftlängsachse drehbar, gelagert sein, um einen nachfolgend nicht weiter erläuterten Freiheitsgrad, insbesondere ein Rollen des Werkzeugs um eine Rollachse (horizontal in 1), darzustellen. Der Schaft kann, ebenfalls nicht dargestellt, fest oder lösbar mit einem Roboter verbunden sein, der das Instrument als Ganzes im Raum positionieren kann.
In dem Schaftende 1 ist ein Werkzeughalter 2 drehbar gelagert, so dass er sich um eine Gierachse G drehen kann. Ein in 1 nicht sichtbares Antriebsrad (vgl. hierzu 2: 110), das nachfolgend auch als Werkzeughalterrad bezeichnet wird, ist drehfest mit dem Werkzeughalter 2 verbunden, insbesondere integral mit diesem ausgebildet, beispielsweise urgeformt, und wird durch einen Zahn- oder Reibriemen mit zwei Trumme 100A', 100B' form- bzw. reibschlüssig umschlungen. Dieser Riemen 100' bildet ein Antriebs-, insbesondere Zugmittel, durch das der Werkzeughalter 2 um die Gierachse G drehbar ist, indem ein Zugmitteltrumm vom Werkzeughalter weg gezogen und das damit integral verbundene gegenüberliegende Zugmitteltrumm entsprechend nachgeführt wird.
In dem Werkzeughalter 2 ist ein Werkzeug 3, das einen Grundhebel 3A und ein damit fest verbundenes Schneckenrad 30 aufweist, um eine Nickachse N drehbar gelagert. Mit dem Schneckenrad 30 kämmt eine Schnecke 31, die drehbar um die Gierachse G in dem Werkzeughalter 2 gelagert ist. Die Schnecke 31 ist fest mit einem in 1 nicht sichtbaren Zwischenrad (vgl. hierzu 2: 210) verbunden, welches wie das Werkzeughalterrad von einem Zahn- oder Reibriemen 200' form- bzw. reibschlüssig aktuiert und hierzu von diesem teilweise umschlungen wird. Dieser Riemen 200' bildet ein Antriebs-, insbesondere Zugmittel, durch das die Schnecke 31 um die Gierachse G drehbar ist, indem ein Zugmitteltrumm vom Werkzeughalter 2 weg gezogen und das damit integral verbundene gegenüberliegende Zugmitteltrumm entsprechend nachgeführt wird.
Schnecke 31 und Schneckenrad 30 bilden ein Rädergetriebe, wobei die Schnecke 31 ein Antriebsrad bildet, das durch das Antriebsmittel 100A', 100B' um eine mit der Gierachse G fluchtenden bzw. identische Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter 2 gelagert ist, und wobei das Schneckenrad 30 ein Abtriebsrad bildet, das um eine mit der Nickachse N fluchtenden bzw. identische Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter 2 gelagert ist, durch das das Werkzeug 3 um die Nickachse N drehbar ist, und das das Antriebsrad 31 formschlüssig kontaktiert, indem es mit diesem kämmt. Man erkennt, dass der Schwenkbereich um Gier- und Nickachse jeweils größer als 180° bzw. ±90° ist. Zudem wird ersichtlich, dass die Bewegung um Gier- und Nickachse unabhängig voneinander sind. Die im System auftretende Reibung ergibt sich aus der Lager- und Getriebereibung und kann gut modelliert werden, was es erlaubt, basierend auf einem dynamischen Modell Kontakt- bzw Reaktionskräfte auf den Grundhebel 3A aus den Antriebskräften in den Antriebsmitteln 100A', 100B', 200' zu ermitteln.
2 zeigt den distalen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer Abwandlung der ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht. Einander entsprechende Elemente sind mit gleichen, gegebenenfalls durch Weglassen einer Apostrophierung (') individualisierten, Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten Ausführung nach 1 eingegangen wird, während die Abwandlung im Übrigen der ersten Ausführung nach 1 entspricht.
In der Abwandlung nach 2 sind die Riemen durch Antriebsmittelbildende Seile 100 bzw. 200 mit zwei integral miteinander verbundenen Seiltrumme 100A, 100B bzw. 200A, 200B (vgl. hierzu 3, 4) ersetzt, die das Werkzeughalterrad 110 bzw. Zwischenrad 210 teilweise reibschlüssig umschlingen. Zur Führung der Seile und gegebenenfalls zur Erhöhung der Reibung weisen die Räder 110, 210 entsprechende Führungsrillen über ihrem Umfang auf.
3 zeigt das chirurgische Instrument nach 2 in einer perspektivischen Ansicht von (nicht dargestellten) Antrieben aus gesehen. Diese können beispielsweise mit dem Schaft oder mit dem diesen führenden Roboter fest oder lösbar verbunden sein.
Man erkennt die beiden Zugmitteltrumme 100A, 100B des Seiles 100 zur Drehung des Werkzeughalters 2 um die Gierachse G und die beiden Zugmitteltrumme 200A, 200B des Seiles 200 zur Drehung des Werkzeugs 3 um die Nickachse N über das Zwischenrad 210 und das Schneckenradgetriebe 30, 31.
Die antriebsseitigen (vorne in 3) Enden der Zugmitteltrumme 100A, 100B, 200A bzw. 200B sind beispielsweise jeweils gelenkig an Hebeln befestigt, die ein Elektromotor gegenläufig synchron um eine zur Gierachse G parallele Drehachse verdreht, so dass jeweils ein Zugmitteltrumm vom Werkzeughalter weggezogen und das andere Zugmitteltrumm zum Werkzeughalter hin nachgeführt wird, um das Werkzeughalterrad 110 bzw. das Zwischenrad 210 und über dieses die Schnecke 31 zu verdrehen. Gleichermaßen können die beiden antriebsseitigen Enden eines Zugmitteltrummpaares auch beispielsweise durch Linearmotoren eingezogen bzw. ausgegeben werden.
4 zeigt eine Abwandlung des chirurgischen Instruments nach 2 in einer 3 entsprechenden Ansicht. Einander entsprechende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur Ausführung nach 3 eingegangen wird, während die Abwandlung im Übrigen der Ausführung nach 2 entspricht.
In der Abwandlung sind die beiden Zugmitteltrummpaare 100A und 100B bzw. 200A und 200B jeweils auch an ihren antriebsseitigen Enden (vorne in 4) miteinander verbunden, beispielsweise integral miteinander ausgebildet. Die (nicht dargestellten) Antriebe treiben diese über Zwischenräder 190 bzw. 290 an, die zusammen mit den Zugseilen 100 bzw. 200 und dem Zwischenrad 210 jeweils ein Antriebsmittel zum Drehen des Antriebsrades 110 bzw. 31 bilden. Die Zugseile 100, 200 bilden jeweils eine geschlossene Schlaufe und umschlingen die Zwischenräder 190 bzw. 290 und das Werkzeughalterrad 110 bzw. das Zwischenrad 210 jeweils um 180°.
5 zeigt einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht, 6 dessen distales Ende, wobei zur Verdeutlichung der Werkzeughalter weggelassen ist. Einander entsprechende Elemente sind mit gleichen bzw. einander entsprechenden Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten Ausführung bzw. deren Abwandlungen nach 1 bis 4 eingegangen wird, während die zweite Ausführung diesen im Übrigen entspricht.
In der zweiten Ausführung weist das Werkzeug neben dem Grundhebel 3A einen weiteren Hebel 38 auf, der spiegelsymmetrisch baugleich mit dem Grundhebel 3A eine zweite Klinge eines scheren- oder zangenartigen Werkzeugs darstellt. Entsprechend ist auch der weitere Hebel 3B mit einem weiteren Schneckenrad 30B fest verbunden, welches um die Nickachse N drehbar in dem Werkzeughalter 2 gelagert ist. Mit dem weiteren Schneckenrad 30B kämmt eine weitere Schnecke 31B, die drehbar um eine weitere Eingangsgetriebeachse in dem Werkzeughalter 2 gelagert ist. Die weitere Schnecke 31B ist fest mit einem in 6 erkennbaren weiteren Zwischenrad 320 verbunden, welches ebenso wie ein mit der Schnecke 31A fest verbundenes Zwischenrad 220 als Zahnrad ausgebildet ist.
Die weitere Schnecke 31B und das weitere Schneckenrad 30B bilden ein weiteres Rädergetriebe, wobei die weitere Schnecke 31B ein weiteres Antriebsrad bildet, das durch ein Zugmittel, insbesondere Zugseil 300 eines weiteren Antriebsmittels um eine zu der Gierachse G parallel versetzte Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und wobei das weitere Schneckenrad 30B ein weiteres Abtriebsrad bildet, das um eine mit der Nickachse N fluchtenden bzw. identische weitere Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter 2 gelagert ist, durch das der weitere Hebel 3B um die Nickachse N drehbar ist, und das das weitere Antriebsrad 31B formschlüssig kontaktiert, indem es mit diesem kämmt.
Die beiden Schnecken 31A, 31B, die um zu der Gierachse parallele und spiegelsymmetrisch angeordnete Eingangsgetriebeachsen drehbar im Werkzeughalter 2 gelagert und jeweils fest mit einem Zahnrad 220 bzw. 320 verbunden sind, werden durch die Zugmittel 200 bzw. 300 gedreht. Hierzu umschlingen diese jeweils ein Zwischenrad 210 bzw. 310 mit kleinerem Durchmesser, welches absatzförmig fest mit einem als Zahnrad ausgebildeten Zwischenrad 215 bzw. 315 mit größerem Durchmesser verbunden ist, das seinerseits mit dem Zahnrad 220 bzw. 320 kämmt. Auf diese Weise können die beiden geschlossenen Zugmittel 200, 300 parallel zum Zugmittel 100 im Hohlschaft geführt werden. Sie bilden zusammen mit den von ihnen um 180° umschlungenen Zwischenrädern 210, 310 mit kleinerem Durchmesser, den mit diesen absatzförmig integral ausgebildeten Zahnrädern 215, 315 und den mit diesen kämmenden Zwischen- bzw. Zahnrädern 220, 320 sowie gegebenenfalls Zwischenrädern 290 (vgl. 4) jeweils ein Antriebsmittel zum Antreiben der Antriebsräder bzw. Schnecken 31A, 31B des Werkzeug- bzw. weiteren Rädergetriebes. Die beiden Antriebsmittel einerseits sowie Grund- und weiterer Hebel 3A, 3B und Werkzeug- bzw. weiteren Rädergetriebe andererseits sind in um 90° gedrehten Ebenen jeweils spiegelsymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist das Werkzeughalterrad 110 mittig zwischen den beiden Zwischenrädern 210, 310 angeordnet, die ihrerseits innerhalb der beiden Zahnräder 215, 315 angeordnet sind und mit dementsprechend auf einander gegenüberliegenden Seiten des Werkzeughalters angeordneten Zwischenrädern 220 bzw. 320 kämmen.
Die zweite Ausführung kann dieselben Vorteile bieten wie die erste Ausführung, wobei in der zweiten Ausführung die symmetrische Verzweigung der mit dem Antriebsmittel 100 parallel geführten Antriebsmittel 200, 300 eine besonders günstige Kinematik darstellt.
7 zeigt einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht, 8 dessen distales Ende von der gegenüberliegenden Seite, wobei zur Verdeutlichung der Werkzeughalter durchsichtig dargestellt ist. Einander entsprechende Elemente sind mit gleichen bzw. einander entsprechenden Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten bzw. zweiten Ausführung und deren Abwandlungen nach 1 bis 6 eingegangen wird, während die dritte Ausführung diesen im Übrigen entspricht.
In der dritten Ausführung weist das Werkzeug einen Werkzeuggrundkörper 3 auf, welcher in 11 alleine dargestellt ist. In diesem Grundkörper sind zwei gegeneinander symmetrisch spreizbare Hebel 3A, 3B drehbar um eine Werkzeugachse A gelagert, wie insbesondere 9 zeigt. Die beiden Hebel 3A, 3B sind, wie aus der Figurenfolge 12A, 12B deutlich wird, scheren- bzw. zangenartig miteinander verbunden und weisen auf ihrer den Klingen gegenüberliegenden Seite (links in 12) gegenläufige Kulissenführungen auf, in denen Stifte formschlüssig verschiebbar geführt sind, die von gegenüberliegenden Seiten eines Gleitkörpers 35 abstehen. Man erkennt, dass eine translatorische Bewegung des Gleitkörpers 35 zur Werkzeugachse A hin bzw. von dieser weg die Hebel bzw. Klingen 3A, 3B spreizt bzw. schließt.
Hierzu ist der Gleitkörper 35 in einer insbesondere in 11 erkennbaren Längsnut 37 translatorisch verschiebbar geführt, die im Werkzeuggrundkörper 3 ausgebildet ist. Auf seiner von der Werkzeugachse A abgewandten Seite weist der Gleitkörper 35 einen weiteren Stift auf, der in einer Nut in Form einer archimedischen Spirale 36 formschlüssig geführt ist. In an sich bekannter Weise übersetzt diese Kulissenführung eine Drehung des mit der Spirale 36 ausgebildeten Rades 30C in eine Translation des Gleitkörpers 35, die wiederum eine Drehung der Hebel 3A, 3B um deren Werkzeugachse A zwangsführt. Somit wirken diese Elemente als Umsetzungsgetriebe zur Umsetzung einer rotatorischen und einer translatorischen Bewegung ineinander.
Das Rad 30C ist, wie insbesondere aus 9 erkennbar, als weiteres Schneckenrad ausgebildet, dass von der weiteren Schnecke 31C aktuiert wird, während der Werkzeughaltergrundkörper 3 fest mit einem Schneckenrad 30A verbunden ist, das von der Schnecke 31A aktuiert wird. Zwischen den beiden Schneckenrädern 30A, 30C der beiden Rädergetriebe und den diese aktuierenden Antrieben entspricht die dritte der zweiten Ausführung, wie insbesondere aus 8 deutlich wird. Im Gegensatz zur zweiten Ausführung drehen jedoch die Hebel 3A, 3B bei einer Aktuierung des weiteren Rädergetriebes 30C, 31C aufgrund des Umsetzungsgetriebes 35, 36 um die Werkzeugachsen A, die gegenüber der Nickachse N parallel versetzt sind. Das Werkzeug als Ganzes, insbesondere dessen Grundkörper 3, wird hingegen durch das Werkzeug-Rädergetriebe 30A, 31A um die Nickachse N gedreht. Das Öffnen bzw. Schließen der Hebel 3A, 3B ergibt sich im Ausführungsbeispiel aufgrund derselben Größen- und Übersetzungsverhältnisse in dem Werkzeug- und dem weiteren Rädergetriebe entsprechend der Differenz der Drehungen der Schnecken 31A, 31C um ihre parallelen Eingangsgetriebeachsen, die zudem parallel zur Gierachse G symmetrisch zueinander versetzt sind. Um also beispielsweise die Hebel bei einer Nickbewegung des Werkzeugs 3 in derselben Öffnungsstellung zu halten, werden die Zugmittel 200 und 300 synchron verfahren.
13 zeigt einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer vierten Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht, 14 dessen distales Ende von der gegenüberliegenden Seite. Einander entsprechende Elemente sind mit gleichen bzw. einander entsprechenden Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten, zweiten bzw. dritten Ausführung und deren Abwandlungen nach 1 bis 12 eingegangen wird, während die vierte Ausführung diesen im Übrigen entspricht.
Der Aufbau des Werkzeugs entspricht im Wesentlichen der dritten Ausführung, wobei in der vierten Ausführung die Schnecke 31A des Werkzeug-Rädergetriebes nicht parallel zur Gierachse G versetzt ist, sondern mit dieser fluchtet. Das weitere Rädergetriebe 30C, 31C ist in der vierten Ausführung als Kronenradgetriebe ausgebildet, wobei das Abtriebs- bzw. Kronenrad 30C mittels einer (in den 13, 14 nicht erkennbaren) archimedischen Spirale die Hebel 3A, 3B spreizt bzw. schließt, wie dies mit Bezug auf 9 bis 12 erläutert wurde.
Auch in der vierten Ausführung umschließt ein Zugmittel 300 ein Zwischenrad 310, welches fest mit einem Zwischenrad 315' verbunden ist, das im Ausführungsbeispiel denselben Durchmesser aufweist und mit einem Zwischenrad 320' wirkverbunden ist, welches fest mit dem Antriebs- bzw. Kronenzahnrad 31C des weiteren Rädergetriebes verbunden ist. Im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel sind die beiden wirkverbundenen Zwischenräder 315', 320' jedoch nicht als miteinander kämmende Zahnräder ausgebildet, sondern durch ein geschlossenes Zugmittel, insbesondere ein Seil 317, eines Umschlingungsgetriebes miteinander wirkverbunden. Zudem ist in der vierten Ausführung das Werkzeughalterrad 110 am Rand des Werkzeughalters 2 angeordnet, so dass die Schnecke 31 und das damit fluchtend drehfest verbundene, vom Zugmittel 200 umschlungene Zwischenrad 210 hier zwischen dem Antriebsmittel 100 zur Aktuierung des Werkzeug-Rädergetriebes und dem Antriebsmittel 300 zur Aktuierung des weiteren Rädergetriebes 30C, 31C angeordnet ist.
15 zeigt einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht, 16 zwei Umschlingungsgetriebe dieses chirurgischen Instruments. Einander entsprechende Elemente sind mit gleichen bzw. einander entsprechenden Bezugszeichen versehen, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede zur ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Ausführung und deren Abwandlungen nach 1 bis 14 eingegangen wird, während die fünfte Ausführung diesen im Übrigen entspricht.
In der fünften Ausführung sind, insbesondere im Vergleich zur zweiten Ausführung, statt der Rädergetriebe zwei symmetrisch aufgebaute Umschlingungsgetriebe zur Drehung der beiden Hebel 3A, 3B um die Nickachse N vorgesehen.
Eines dieser beiden baugleichen Umschlingungsgetriebe, welches ohne Beschränkung der Allgemeinheit nachfolgend als Werkzeug-Umschlingungsgetriebe bezeichnet wird, weist ein drehbar an dem Werkzeughalter 2 gelagertes Antriebsrad 213 auf, das durch ein Zugmittel 200 eines Antriebsmittels umschlungen wird und durch entsprechende Gegenbewegung dessen beider Zugmitteltrumme um eine Eingangsgetriebeachse, die vorliegend mit der Gierachse G fluchtet, gedreht werden kann.
Zwei von diesem Zugmittel 200 verschiedene, integral miteinander zu einer um 180° verdrillten geschlossenen Schlaufe verbundene Zugmitteltrumme 400A, 400B umschlingen sowohl das Antriebsrad 213 als auch ein Abtriebsrad 325A, das um eine Ausgangsgetriebeachse, die vorliegend mit der Nickachse N fluchtet, drehbar an dem Werkzeughalter 2 gelagert und fest mit dem Grundhebel 3A verbunden, insbesondere integral mit diesem ausgebildet ist, um An- und Abtriebsrad 213, 325A zu koppeln.
Dabei läuft das eine Zugmitteltrumm 400A (oben in 16) im rechten Winkel zur Gierachse G vom Antriebsrad 213 ab und von dort im Wesentlichen ohne Richtungsänderung im rechten Winkel zur Nickachse N auf das Abtriebsrad 325A auf, von wo aus das Zugmittel dieses Abtriebsrad 325A um 180° umschlingt und von diesem wiederum im rechten Winkel zur Nickachse N abläuft. Hier läuft das andere Zugmitteltrumm 400B über ein erstes Führungsrad 410A zu einem zweiten Führungsrad 410B, von wo aus der geschlossene Seilzug 400 wieder im rechten Winkel zur Gierachse G auf das Antriebsrad 213 aufläuft und dieses um 180° umschlingt. Dabei schließt das andere Zugmitteltrumm 400B zwischen erstem und zweitem Führungsrad 410A, 410B mit der Gier- und der Nickachse G, N jeweils einen Winkel von etwa 45° ein. Dementsprechend sind auch die Drehachsen der beiden Führungsräder 410A, 410B gegen Gier- und Nickachse G, N jeweils um ungefähr 45° geneigt.
Durch Drehung des Antriebsrades 213 mittels des Zugmittels 200 wird über das Umschlingungsgetriebe mit den Zugmitteltrummen 400A, 400B das Abtriebsrad 325A und mit ihm der Grundhebel 3A um die Nickachse N verschwenkt bzw. gedreht. In analoger Weise kann unabhängig hiervon auch der weitere Hebel 3B um die Nickachse N verschwenkt werden, wenn das weitere Antriebsrad 313 des weiteren Umschlingungsgetriebes durch das weitere Antriebsmittel 300 verdreht wird. Auch hier umschlingen zwei integral miteinander verbundene, von dem weiteren Antriebsmittel 300 verschiedene Zugmitteltrumme 500A, 500B das weitere An- und Abtriebsrad 313, 325B, wobei wiederum ein Zugmitteltrumm 500A im Wesentlichen im rechten Winkel zur Gier- und Nickachse G, N verläuft, während das andere Zugmitteltrumm 500B zwischen entsprechend geneigten Führungsrädern 510A, 510B mit der Gier- und der Nickachse G, N jeweils einen Winkel von etwa 45° einschließt. Ähnlich wie in der zweiten und dritten Ausführung ist auch bei der fünften Ausführung ein Werkzeugträgerrad 110 zwischen den beiden Antriebsrädern 213, 313 angeordnet und fest mit dem Werkzeughalter 2 verbunden. Dieses wird, wie aus 15 ersichtlich, durch einen Flachriemen 100' angetrieben, was exemplarisch zeigt, dass allgemein erfindungsgemäß Seil- und Riemenzugmittel gemeinsam in einer Ausführung eingesetzt werden können. Das Ausführungsbeispiel zeigt ebenfalls exemplarisch, dass allgemein erfindungsgemäß ein Werkzeug- und ein weiteres Umschlingungsgetriebe nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorzugsweise spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein können.
Wie mit den vorstehend erläuterten Ausführungen kann auch mit dieser fünften Ausführung eine vorteilhafte Kinematik und Dynamik erreicht werden. Insbesondere können die von den Antriebsmittel-Zugmitteln verschiedenen Zugmittel 400, 500 der Umschlingungsgetriebe, welche wiederum beispielsweise als, vorzugsweise geschlossene, Seil-, Kabel-, Zahn- oder Reibriemenzüge ausgebildet sein können, eine einfachere Modellierung der Reibung und so eine indirekte, modellbasierte Erfassung von Kräften auf die Hebel 3A, 3B auf Basis von Kräften in den Antriebsmitteln ermöglichen.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden überwiegend reibschlüssig mit An-, Abtriebs- oder Zwischenrädern zusammenwirkende Zugmittel gezeigt. In einer Abwandlung kann ein Zugmittel eines Antriebsmittels und/oder eines Umschlingungsgetriebes mit einem entsprechenden Rad zusätzlich oder alternativ auch formschlüssig zusammenwirken. 17 zeigt hierzu exemplarisch ein Rad R, welches von einem Zugmittel Z umschlungen ist. Bei dem Rad kann es sich beispielsweise um eines der Räder 110, 190, 210, 213, 290, 310, 313, 315', 320', 325A oder 325B handeln, bei dem Zugmittel entsprechend um eines der Zugmittel 100, 200, 300, 317, 400 oder 500 (A, B). In dem Zugmittel Z ist ein Auge gebildet, welches in einen entsprechenden Schlitz im Rad R eingefügt ist, so dass das Zugmittel Z formschlüssig am Rad R festgelegt ist. Dies kann vorteilhaft reibungsbedingten Abrieb und/oder ein Mikrorutschen verringern oder verhindern, welches bei chirurgischen Instrumenten gleichermaßen unerwünscht ist.
18 zeigt exemplarisch eine andere Abwandlung, bei der zwei abtriebsseitig, i. e. bei einem Rad R' nicht miteinander verbundene Zugmitteltrumme ZA, ZB mit ihren Enden jeweils an dem Rad R' befestigt sind. Die beiden Zugmitteltrumme ZA, ZB laufen auf gegenüberliegenden Seiten des Rades R' von diesem ab, so dass wiederum eine Zugbewegung eines Zugmitteltrummes eine gegenläufige Bewegung des anderen Zugmitteltrummes und eine Drehung des getriebenen Rades R' bewirkt. In der in 18 gezeigten Null- bzw. Neutralstellung des getriebenen Rades R' beträgt eine Umschlingung zwischen der Befestigung und dem Ablauf eines Zugmitteltrummes jeweils ungefähr 270°, so dass das Rad R' aus der Nullstellung durch ein Zugmitteltrumm um mehr als 90° gedreht werden kann, bis es vollständig abgelaufen ist. Bei dem Rad R' kann es sich wiederum insbesondere um eines der Räder 110, 190, 210, 213, 290, 310, 313, 315', 320', 325A oder 325B handeln, bei dem Zugmittel ZA, ZB entsprechend um eines der Zugmittel 100, 200, 300, 317, 400 oder 500 (A, B).
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wurden überwiegend Zugmittel gezeigt. In einer Abwandlung kann an Stelle eines Zugmittels mit zwei Zugtrummen auch ein Schubmittel, insbesondere eine Schubstange verwendet werden. 19 zeigt hierzu exemplarisch eine entsprechende Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels nach 6, auf dessen Beschreibung verwiesen wird. Dort werden die Zwischenräder 110, 210 und 310 der Antriebsmittel 100, 200 bzw. 300 jeweils von Zugseilen reibschlüssig umschlossen.
In der Abwandlung der 19 ist hingegen in den Zwischenrädern 110', 210' und 310', die fest mit dem Werkzeughalter 2 bzw. den Zwischenrädern 215, 315 verbunden sind, jeweils ein sich in radialer Richtung erstreckender Schlitz ausgebildet, in dem jeweils ein Gleitkörper 195 (siehe 20) formschlüssig translatorisch verschiebbar geführt ist. An diesem ist jeweils eine Schubstange 100', 200' bzw. 300' gelenkig befestigt. Wie insbesondere aus der schematischen Draufsicht der 20 erkennbar, bewirkt eine translatorische Verschiebung beispielsweise der Schubstange 100' eine entsprechende Verdrehung des Zwischenrades 110', so dass dieses statt durch zwei gegenläufige Zugmitteltrumme auch durch eine, dann vorzugsweise translatorisch in einer Richtung, insbesondere parallel zur Schaftlängsachse, verschiebbar geführten Schubstange 100' aktuiert werden kann. Auch insbesondere eines der Räder 110, 190, 210, 213, 290, 313, 310, 315', 320', 325A oder 325B kann in nicht dargestellten Abwandlungen in entsprechender Weise durch eine Schubstange aktuiert sein. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, eine Schubstange nicht an einem Gleitkörper, sondern gelenkig an dem getriebenen Rad selber zu befestigten. Dies kann dann beispielsweise am gegenüberliegenden Ende an einer Kurbelwelle eines Antriebes gelenkig befestigt sein.
Bezugszeichenliste

1: Schaftende
2: Werkzeughalter
3: Werkzeug (grundkörper)
3A/3B: Grund-/weiterer Hebel
30, 30A, 30B, 31C, 213, 313: Antriebsrad (Schnecken-, Kronenrad)
31; 31A, 31B, 31C. 325A, 325B: Abtriebsrad (Schnecken-; Kronenzahnrad)
35: Gleitkörper
36: spiralförmige Nut
37: Längsnut
100A, 100B, 200A, 200B, 400A, 400B,: Seil-/Riementrumm
500A, 500B, ZA, ZB/100A', 100B'
100, 200; 200', 300, 317, Z: Zugmittel
100': Schubmittel (Schubstange)
110, 110': Werkzeughalterrad
190, 210, 210', 215, 220, 290, 310, 310',: Zwischenrad
315, 315', 320, 320'
410A, 410B, 510A, 510B: Führungsrad
A: (weitere) Werkzeugachse
G: Gierachse
N: Nickachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6371952 [0003]
US 7169141 [0003]

Claims

Insbesondere robotergeführtes, chirurgisches Instrument, mit einem Schaftende (1); einem Werkzeughalter (2), der um eine Gierachse (G) drehbar an dem Schaftende gelagert ist; und einem Werkzeug (3) mit einem Grundhebel (3A), insbesondere einer Klinge und/oder Backe, das um eine Nickachse (N) drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, gekennzeichnet durch ein Rädergetriebe mit einem Antriebsrad (31, 31A, 31B, 31C), das durch ein Antriebsmittel um eine Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und einem dieses kraft- und/oder formschlüssig kontaktierenden Abtriebsrad (30, 30A, 30B, 30C), das um eine Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das das Werkzeug um die Nickachse drehbar ist.
Chirurgisches Instrument nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein weiteres Rädergetriebe mit einem weiteren Antriebsrad (31B, 31C), das durch ein weiteres Antriebsmittel um eine weitere Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und einem dieses kraft- und/oder formschlüssig kontaktierenden weiteren Abtriebsrad (30B, 30C), das um eine weitere Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das ein weiterer Hebel (3B), insbesondere eine Klinge und/oder Backe, des Werkzeugs um eine weitere Werkzeugachse drehbar ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rädergetriebe als Schnecken-, Schraub-, Kegel-, Hypoid-, Kronen- oder Reibradgetriebe ausgebildet ist.
Insbesondere robotergeführtes, chirurgisches Instrument, mit einem Schaftende (1); einem Werkzeughalter (2), der um eine Gierachse (G) drehbar an dem Schaftende gelagert ist; und einem Werkzeug (3) mit einem Grundhebel (3A), insbesondere einer Klinge und/oder Backe, das um eine Nickachse (N) drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, gekennzeichnet durch ein Umschlingungsgetriebe mit einem Antriebsrad (213, 313), das durch ein Antriebsmittel um eine Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, einem Abtriebsrad (325A, 325B), das um eine Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das das Werkzeug um die Nickachse drehbar ist, und zwei von dem Antriebsmittel verschiedenen, insbesondere verbundenen, Zugmitteltrummen (400A, 400B, 500A, 500B), welche An- und Abtriebsrad koppeln.
Chirurgisches Instrument nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein weiteres Umschlingungsgetriebe mit einem weiteren Antriebsrad (313), das durch ein weiteres Antriebsmittel um eine weitere Eingangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und einem weiteren Abtriebsrad (325B), das um eine weitere Ausgangsgetriebeachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert und durch das ein weiterer Hebel (3B), insbesondere eine Klinge und/oder Backe, des Werkzeugs um eine weitere Werkzeugachse drehbar ist, und mit zwei von dem Antriebsmittel verschiedenen, insbesondere verbundenen, weiteren Zugmitteltrummen (500A, 500B), welche das weitere An- und Abtriebsrad koppeln.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zugmitteltrumm (400B, 500B) mit der Gier- und/oder der Nickachse einen Winkel einschließt, der größer als 0°, insbesondere größer als 15°, und kleiner als 90°, insbesondere kleiner als 75° ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zugmitteltrumm durch wenigstens ein Führungsrad (410A, 410B, 510A, 510B) geführt wird.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ein- und Ausgangsgetriebeachse und/oder die Nick- und die Gierachse einander, insbesondere wenigstens im Wesentlichen rechtwinklig, mit oder ohne Schnittpunkt kreuzen; eine Eingangsgetriebeachse, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu der Gierachse ist, insbesondere mit dieser fluchtet; und/oder eine Ausgangsgetriebeachse, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu der Nickachse ist, insbesondere mit dieser fluchtet.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antriebsmittel zwei, insbesondere verbundene, Zugmitteltrumme (100A, 100B, 200A, 200B), ein Schubmittel (110', 200', 300'), und/oder wenigstens ein Zwischenrad (190, 210, 210', 215, 220, 290, 310, 310', 315, 315', 320, 320') aufweist, insbesondere ein Zwischenrad (210, 210', 215, 220, 290, 310, 310', 315, 315', 320, 320'), durch das ein Antriebsrad um seine Eingangsgetriebeachse drehbar ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit dem Werkzeughalter fest oder wirkverbundenes Antriebsrad (110; 110'), das durch ein Antriebsmittel um die Gierachse drehbar ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug einen Werkzeuggrundkörper (3) aufweist, der um die Nickachse drehbar an dem Werkzeughalter gelagert ist, und dass der Grundhebel (3A) des Werkzeugs fest mit dem Werkzeuggrundkörper verbunden, insbesondere integral ausgebildet, oder um eine Werkzeugachse drehbar an dem Werkzeuggrundkörper gelagert ist.
Chirurgisches Instrument nach Anspruch 2 oder 5 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Hebel (3B) des Werkzeugs um die weitere Werkzeugachse drehbar an dem Werkzeuggrundkörper (3) oder dem Werkzeughalter gelagert ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Umsetzungsgetriebe (35, 36, 37) zur Umsetzung einer rotatorischen und einer translatorischen Bewegung ineinander, das zwischen einem Abtriebsrad (30C) und einem Hebel (3A, 3B) angeordnet ist.