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Die Erfindung betrifft einen modularen Mehrgelenkmechanismus, der insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie (MIC), einschließlich robotergestützt, einsetzbar ist.
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In der Chirurgie hat sich mittlerweile ein Verfahren etabliert, das auf große Körpereröffnungen verzichten kann, die sogenannte minimal invasive Chirurgie (MIC). Hierbei wird der chirurgische Zugang mittels kleiner Schnitte durch die Körperoberfläche geschaffen. Durch diese Zugänge werden lange, schlanke Instrumente, sogenannte endoskopische Instrumente, in das Patienteninnere vorgeschoben. Dies sind u. a. dünne, stabförmige Endoskopkameras, die zur Gewinnung optischer Eindrücke aus dem Körperinneren über Video-/Monitorsysteme dienen. Vorteile dieser Technik im Vergleich zur konservativen, offenen Chirurgie liegen insbesondere in der geringeren Traumatisierung des Patienten, d. h. geringere postoperative Schmerzen, geringere Wundheilungsstörungen, geringerer Blutverlust, geringere Wundinfektionsrate etc. und der damit verbundenen schnelleren Rekonvaleszenz.
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Bekannte MIC-Instrumente haben verschiedene Nachteile in der Handhabung. Einerseits ist das Arbeiten mit den üblicherweise starren Instrumenten schwierig, da sie intrakorporal nicht abwinkelbar sind und lediglich ein funktionaler Freiheitsgrad zum Schneiden oder Greifen existiert. Andererseits ist das Führen der Instrumente unintuitiv, da der Durchtrittspunkt durch die Körperoberfläche als invariant anzusehen ist und somit eine Bewegungsumkehrung im Körperinneren stattfindet. Folglich ist das Erlernen dieser Technik langwierig und trainingsintensiv. Des Weiteren sind komplexe Eingriffe mit hohen Forderungen an Manipulabilität mit dieser Technik kaum durchführbar.
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Um diese schwierige Handhabbarkeit zu vereinfachen, kann die minimal invasive Chirurgie durch Robotersysteme unterstützt werden. Die MIC-Instrumente werden von Roboterarmen getragen, welche vom Chirurgen direkt ferngesteuert werden. Die Fernsteuerung erfolgt über eine vom Patienten abgesetzte, cockpitartige Eingabekonsole, bei der die MIC-Instrumente mittels spezieller ”Joysticks” kommandiert werden. Hauptvorteile dieser Robotersysteme sind die Möglichkeit, eine zusätzliche intrakorporale Abwinkelung der Instrumente bei einfacher Bedienung zu bieten sowie die Handhabung der Instrumente über Zwischenschaltung rechnergestützter Eingabeanpassungssysteme wesentlich zu vereinfachen (Wiederherstellung der Hand-Auge-Koordination bzw. Elimination der Bewegungsumkehrung). Hierdurch sind nach einer vergleichsweise kurzen Lernphase auch komplexe MIC-Eingriffe mit hohen Forderungen an Manipulabilität möglich.
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Nachteil dieser Technik – bedingt durch die räumliche bzw. mechanische Trennung von Chirurg und Patient – ist der völlige Verlust haptischer Rückkopplung vom Operationsfeld an den Operateur. Die Wahrnehmung haptischer Eindrücke (Interaktions- wie Manipulationskräfte und -momente) durch ein technisches System ist gebunden an Sensoren, deren Position insbesondere am äußerst distalen Instrumentenende am sinnvollsten ist, um Einflüsse auf die Messung zu vermeiden, die nicht direkt aus dem interessierenden Operationsgebiet stammen. Die für das medizinische Umfeld am geeignetsten erscheinenden Sensoren (z. B. hinsichtlich Baugröße für die MIC, Biokompatibilität, Patientenrisiko) sind im weitesten Sinne elektro- oder optomechanisch, d. h. zumeist kabel- oder fasergebundene Sensoren. Ferner sind sensorintegrierte Instrumente aufwendig und damit kostenträchtig; es ist also im Zusammenhang mit der MIC nicht von Einmal-, sondern von Mehrfachinstrumenten auszugehen. Weder Kabel noch Fasern sind jedoch dauerfest auf Knickung bei abwinkelbaren Instrumenten. Es ist also aus technischer Sicht sinnvoll, diese sensorintegrierten Instrumente nicht zu knicken (abzuwinkeln), sondern ihre Hauptrichtung bogenförmig zu verändern.
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Bekannte kinematische Realisierung einer solchen Abkrümmung im Bereich der Robotertechnik ist die sog. Spine-Kinematik, bei der ein Vielgelenkmechanismus, bestehend aus mehreren, hintereinandergeschalteten Einzelgelenken, Verwendung findet.
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Wird eine derartige Spine-Kinematik unterbestimmt angetrieben, d. h. steht für jede Abkrümmungsebene lediglich ein Steller für mehrere Gelenke zur Verfügung, so besteht der Nachteil in dieser Konfiguration darin, dass die Abkrümmung der Spine-Kinematik nicht deterministisch, d. h. die Krümmung über alle Einzelgelenke nicht zwingend gleichverteilt, ist (bedingt z. B. durch unterschiedliche Reibung in den Einzelgelenken, Stick-Slip-Effekte, Lagerspiel, Rippel bei der Aktuierung). Auch Kräfte die von innen oder außen auf die kinematische Struktur wirken (z. B. Interaktionskräfte mit der Umgebung, Steifigkeiten innenliegender Strukturen, Abstützungskräfte von Zugseilen zur Aktuierung des funktionalen Endeffektors) können Einfluss auf deren Position und Orientierung haben. Die entstehende Krümmung muss in diesem Fall folglich nicht einem Polygonzug mit gleichen Innenwinkeln entsprechen, sondern kann einem unregelmäßigen Polygonzug folgen, der sich darüber hinaus (weil nondeterministisch) bei jedem Wiederholungsversuch, dieselbe Position anzufahren, unterschiedlich ausprägen kann. Es ist anhand der Stellerposition folglich nie genau bekannt, wo der Armendpunkt der Spine-Kinematik zu liegen kommt, was speziell in der Handhabungstechnik von großem Nachteil ist.
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Selbst bei Integration einer Positionssensorik zur Bestimmung der Armendpunktposition bleibt das Problem, dass ein bekannter Soll-Ist-Fehler nur durch Zufall ausgeglichen werden kann, weil eine Veränderung des Stellers keine deterministische Armendpunktpositionsveränderung zum Ausgleich des Soll-Ist-Fehlers zur Folge hat – das System hat mehr Freiheitsgrade als Antriebe und ist daher mechanisch unterbestimmt. Lösbar wäre dieses Problem dadurch, dass für jedes Gelenk ein eigener, im besten Fall regelbarer, Steller integriert wird. Hierdurch wird allerdings die Anzahl der Antriebsseile stark erhöht, wie beispielsweise in
WO 2003/001986 beschrieben. In Größenordnungen wie der MIC (hinsichtlich erforderlicher Spine-Gelenk-Anzahl, Instrumentendurchmesser und Antriebsseildurchmesser bei anwendungszweckgegebener Seilbelastung) ist hierbei der Instrumentenquerschnitt zur Aufnahme der Antriebsseile schnell erschöpft. Diese Problematik besteht insbesondere bei dem in
WO 2003/001986 beschriebenen Gegenstand, da je Freiheitsgrad der Kinematik zwei Antriebsseile vorgesehen sind.
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Eine alternative Lösungsmöglichkeit der Unterbestimmtheitsproblematik ist die Zwangsführung: Hierbei bedingt eine mechanische Kopplung aller Folgegelenke untereinander eine deterministische Krümmung. Diese modularen Gelenkmechanismen sind beispielsweise in
DE 43 03 311 ,
DE 44 15 057 und
WO 94/17965 beschrieben. Jedes einzelne Glied dieser kettenartig aneinander gehängten Glieder kann somit bezogen auf das benachbarte Glied nur eine definierte Richtungsänderung durchführen. Die Gesamtkrümmung des Gelenkmechanismus wird somit aus einer Vielzahl kleiner Knickungen zusammengesetzt. Diese Gelenkmechanismen sind jedoch nur in einem einzigen Freiheitsgrad abwinkelbar.
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Für volle Dexterität (6 Freiheitsgrade) im Patientenkörper muss die in
DE 44 15 057 und
DE 43 03 311 beschriebene Kinematik über einen weiteren Freiheitsgrad verfügen, der z. B. über eine Rotation des äußerst distalen Endes realisiert ist. Da die Sensorik zur Vermeidung parasitärer Effekte an selber Stelle untergebracht sein sollte, entstehen zwei Nachteile: 1) Die für die Rotation erforderlichen Konstruktionselemente bei anwendungsbedingt stark begrenztem Bauraum sind störend für die Sensorintegration. 2) Kabel bzw. Fasern, mit denen die Sensoren angesteuert werden, können durch die Rotation über die Laufzeit des Instruments beschädigt, im schlimmsten Fall abgedreht, werden, mit konsekutivem Sensorausfall. Zusätzlich oder statt einem Sensor kann am äußerst distalen Instrumentenende ein funktionaler Freiheitsgrad integriert sein, dessen Kraftübertragung (z. B. Antriebsseil) ebenso beschädigt werden könnte.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen modularen Mehrgelenkmechanismus, der insbesondere zum Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie geeignet ist, zu schaffen, mit dem eine deterministische Abwinklung der einzelnen Glieder des Mehrgelenkmechanismus in zwei Ebenen, also mit zwei unabhängigen intrakorporalen Freiheitsgraden aber ohne distale Rotation, möglich ist. Betätigt man bei dem erfindungsgemäßen Mehrgelenkmechanimus beide Freiheitsgrade gleichzeitig, so ergibt sich eine deterministische Krümmung im Raum.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße modulare Mehrgelenkmechanismus ist insbesondere zum Einsatz in der MIC geeignet. Da der erfindungsgemäße Mehrgelenkmechanismus eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit aufweist, ist er insbesondere auch in der robotergestützten MIC einsetzbar. Der erfindungsgemäße modulare Mehrgelenkmechanismus weist mehrere zueinander in zwei Freiheitsgraden verschwenkbare Glieder auf. Die Glieder sind insbesondere kettenartig angeordnet, wobei zwischen benachbarten Gliedern Hauptgelenke vorgesehen sind. Die Hauptgelenke sind erfindungsgemäß derart aufgebaut, dass sie zwei sich vorzugsweise kreuzende Schwenkachsen zur Ausbildung je eines der beiden Freiheitsgrade aufweisen.
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Dabei wird vorzugsweise die eine Achse in einem Glied geführt und die zweite Achse im benachbarten Glied geführt. Erfindungsgemäß sind die jeweils an einem Glied vorgesehenen Schwenkachsen zueinander parallel. Die Schwenkachse des unmittelbar benachbarten Gliedes ist senkrecht zu diesen Schwenkachsen. Insbesondere sind die Schwenkachsen benachbarter Glieder eines kettenartigen Mehrgelenkmechanismus zyklisch jeweils um 90° gedreht bzw. zyklisch abwechselnd orientiert. Bspw. sind die Schwenkachsen jedes zweiten Gliedes horizontal ausgerichtet, während die Schwenkachsen der jeweils dazwischen angeordneten Glieder vertikal angeordnet sind. Ferner sind jeweils zwei Glieder des modularen Mehrgelenkmechanismus über Verbindungselemente miteinander verbunden. Durch Vorsehen der Verbindungselemente erfolgt eine deterministische Zwangsführung sämtlicher Glieder des modularen Mehrgelenkmechanismus. Durch ein derartiges deterministisches Abwinkeln der einzelnen Glieder ist ein sehr präzises Führen eines am distalen Ende des Mehrgelenkmechanismus angebrachten funktionalen Endes, insbesondere im Körperinneren beim Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie, möglich.
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Vorzugsweise sind die Verbindungselemente derart angeordnet, dass jeweils ein Glied mit dem übernächsten Glied verbunden ist, sodass ein dazwischen angeordnetes Glied überbrückt ist. Bevorzugt ist es ferner, dass zwei Verbindungselemente ein Verbindungselemente-Paar ausbilden. Das Verbindungselemente-Paar, das insbesondere mindestens zwei Verbindungselemente aufweist, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch die Verbindungselemente vorzugsweise zwei identische Glieder miteinander verbunden werden. Erste Enden der beiden Verbindungselemente sind somit mit ein und demselben Glied und zweite Enden mit ein und demselben anderen Glied verbunden, so dass sich die beiden Verbindungselemente zwischen zwei Gliedern erstrecken.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente-Paare derart angeordnet, dass sie ein Glied jeweils mit dem übernächsten Glied verbinden. Zwischen zwei über ein Verbindungselemente-Paar miteinander verbundenen Gliedern ist somit ein weiteres Glied angeordnet. Auch dieses dazwischenliegende Glied ist vorzugsweise über ein weiteres Verbindungselemente-Paar wiederum mit dem übernächsten Verbindungsglied verbunden. Hierdurch entsteht eine Überlappung von Verbindungselemente-Paaren, die jeweils übernächste Glieder miteinander verbinden.
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Die einzelnen Verbindungselemente sind vorzugsweise gelenkig mit den Gliedern verbunden.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist jedes Verbindungselemente-Paar ein erstes Verbindungselement und ein zweites Verbindungselement auf. Die jeweils ersten Verbindungselemente sowie die jeweils zweiten Verbindungselemente sind hierbei im Wesentlichen identisch ausgebildet, insbesondere auf gleiche Weise gelenkig mit den einzelnen Gliedern verbunden.
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Vorzugsweise ist das erste Verbindungselement an einen vorzugsweise an beiden Enden über ein Schwenkgelenk mit einem Freiheitsgrad mit dem jeweiligen Hauptgelenk verbunden, und zwar mit der Achse, die im jeweiligen Glied geführt ist. Hierdurch ist eine auf einen Freiheitsgrad beschränkte klar definierte Bewegung zwischen dem entsprechenden Hauptgelenk und dem Verbindungselement definiert. Vorzugsweise sind die Schwenkachsen der beiden jeweils an einem Ende des Verbindungselements vorgesehenen Schwenkgelenks zueinander parallel ausgerichtet. Hierdurch erfolgt zwischen zwei mit einem ersten Verbindungselement verbundenen Gliedern ein Festlegen dieser beiden Glieder auf eine gemeinsame Ebene, die senkrecht zu den Schwenkachsen ist. Bevorzugt ist, dass sämtliche erste Verbindungselemente jeweils ausschließlich über Schwenkgelenke mit einem Freiheitsgrad mit den entsprechenden Hauptgelenk verbunden sind.
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Desweiteren ist es bevorzugt, dass die Schwenkachsen des ersten Verbindungselementes parallel, jedoch nicht fluchtend, zu den Schwenkachsen der beiden Hauptgelenke desjenigen Gliedes sind, das von dem ersten Verbindungselement überbrückt ist. Grundsätzlich ist es möglich, Verbindungselemente samt Gelenkanbindung um 180° gedreht um eine gedachte Achse zwischen zwei Hauptgelenkszentren anzubringen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus greifen die zweiten Verbindungselemente an den jeweiligen Gliedern an. Das zweite Verbindungselement weist eine größere Bewegungsfreiheit als das erste Verbindungselement auf. Insbesondere weist das zweite Verbindungselement an einem der beiden oder zwischen beiden Enden eine Gelenkeinrichtung mit drei Freiheitsgraden wie ein Kugelgelenk auf.
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An dem anderen der beiden Enden weist das zweite Verbindungselement in bevorzugter Ausführungsform ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden auf.
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Durch eine derartige erfindungsgemäße Kombination, insbesondere derart, dass erste Verbindungselemente jeweils über zwei Gelenke mit jeweils einem Freiheitsgrad und zweite Verbindungselemente über ein Gelenk mit drei Freiheitsgraden und ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden mit den entsprechenden Gliedern verbunden ist, ist ein deterministischer modularer Mehrgelenkmechanismus ausgebildet. Wesentlich ist hierbei, dass insgesamt fünf Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, wobei diese bspw. auch auf drei Gelenke aufgeteilt werden können.
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Um den Bauraum möglichst gering zu halten, ist die Gelenkeinrichtung der Verbindungselemente, die drei Freiheitsgrade aufweist, über mehrere Einzelgelenke realisiert und dies bei vollständigem Erhalt der oben genannten Funktionalität. Bspw. ist ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden, bei dem es sich bspw. um ein kardanisches Gelenk handelt, mit einem Drehgelenk bei einem Freiheitsgrad kombiniert. Bei dem Drehgelenk handelt es sich um ein Gelenk, das eine Drehung um die Längsachse zulässt. Ebenso ist es möglich, eine Gelenkeinrichtung mit drei Freiheitsgraden durch ein Schwenkgelenk mit einem Freiheitsgrad und zwei Drehgelenken zu realisieren, wobei die Drehgelenke in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
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Die Verbindung der Verbindungselemente mit den Gliedern, die insbesondere gelenkig ausgestaltet ist, erfolgt vorzugsweise über Anlenkpunkte. Die Anlenkpunkte weisen hierbei vorzugsweise zu dem Gelenkelement des zugehörigen Verbindungselements einen Abstand auf. Die konkrete Anordnung der Elemente zwischen zwei Segmenten der kinematischen Kette hat Einfluss auf das gewünschte Verhalten der Kinematik (z. B. progressiven, degressiven oder neutralen Biegeverlauf, sowie Laufweite der kinematischen Kette) und kann in diesem Rahmen geeignet gewählt werden. Ein Endbereich eines Gliedes weist in dieser bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei Anlenkpunkte auf, mit denen das erste und das zweite Verbindungselement verbunden sind. Im Falle des Angreifens direkt am Glied werden zusätzliche Freiheitsgrade benötigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform greift das Verbindungselement mit nur einem Freiheitsgrad an der im jeweiligen Glied geführten Achse des Hauptgelenks an. In diesem Bereich weisen die Anlenkpunkte den erfindungsgemäß bevorzugten Abstand zur jeweils anderen Achse des Hauptgelenks auf.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des modularen Mehrgelenkmechanismus ist es möglich, mit einem letzten Glied des Mehrgelenkmechanismus einen Endeffektor zu verbinden, wobei zusätzlich ein Sensor am Endeffektor in vorteilhafter Lage vorgesehen werden kann. Bei dem Endeffektor kann es sich insbesondere um ein chirurgisches Instrument handeln. Durch das Vorsehen des Sensors, insbesondere an einem freien Ende des Endeffektors, an dem die Kräfte auftreten, können beispielsweise Interaktionskräfte bzw. Interaktionsreaktionen mit der Umgebung bzw. dem manipulierten Gewebe u. dgl. aufgenommen werden. Hierdurch kann der bei der Verwendung von robotergestützten Instrumenten hervorgerufene Verlust haptischer Rückkopplungen ausgeglichen werden. Insbesondere ist es möglich, einen elektromechanischen und/oder optomechanischen Sensor vorzusehen, der insbesondere über Kabel oder Fasern Informationen übermittelt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des modularen Mehrgelenkmechanismus ist eine bogenförmige Hauptausrichtung von Strukturen wie bspw. Kabel, Fasern und/oder Zugseilen gewährleistet.
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Insbesondere ist aufgrund der Erfindung eine Zwangsführung in zwei Ebenen realisiert. Hierbei handelt es sich um eine deterministische Zwangsführung, so dass stets sichergestellt ist, dass beispielsweise nicht aufgrund von in Gelenken auftretenden Reibungen etc. ein zu starkes Abwinkeln zwischen zwei benachbarten Gliedern und somit ein Knicken eines Kabels oder einer Faser etc. erfolgt. Krafteinwirkungen (z. B. Umgebungskräfte/-momente, Abstützungsreaktionen von Endeffektorantrieben) auf die kinematische Struktur haben keinen, insbesondere keinen wesentlichen Einfluss auf die Orientierung und Positionierung des Endeffektors. Aufgrund der deterministischen Zwangsführung in zwei Ebenen ist es nicht erforderlich, dass der Endeffektor zusätzlich einen rotatorischen Freiheitsgrad zur Erlangung voller Dexterität im Patientenkörperinneren aufweisen muss. Somit ist auch eine rotatorische Belastung von Kabeln oder Fasern vermieden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass zwei translatorische Freiheitsgrade durch den invarianten Trokarpunkt, d. h. den Einstichpunkt der Instrumente gebunden sind. Diese müssen im Patienteninneren durch das Instrument ersetzt werden. Hierbei kann es sich um einen Biege- bzw. Knick-Freiheitsgrad und einen rotatorischen Freiheitsgrad handeln. Der rotatorische Freiheitsgrad birgt jedoch die Gefahr des Abdrehens von innenliegenden Kabeln, Seilen etc. in sich. Bevorzugt ist daher das Vorsehen zweier biegender Freiheitsgrade, da hierdurch das Beschädigen von Kabeln, Seilen etc. vermieden ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus ist ein Hindurchführen von Zugseilen zur Aktuierung der Kinematik durch den abwinkelbaren Teil aufgrund der Zwangsführung der einzelnen Elemente nicht mehr erforderlich. Da die Kinematik bei dem erfindungsgemäßen Gelenkmechanismus in beiden Abwinkelungsebenen deterministisch ist, ist eine Positionsregelung, insbesondere für semiautonome Regelung, über die Steller für diese Kinematik ermöglicht sowie die Positionier- und Wiederholgenauigkeit erheblich verbessert. Bei dem erfindungsgemäßen Mehrgelenkmechanismus muss lediglich ein Glied angetrieben werden. Alle weiteren Glieder werden zwangsweise und damit deterministisch aufgrund ihrer Kopplung untereinander bewegt. Das angetriebene Glied kann direkt oder durch Seile, Steuerstangen etc. angetrieben werden.
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Der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße modulare Mehrgelenkmechanismus ist insbesondere eine Weiterentwicklung der nachveröffentlichten
DE 10 2011 107 510.4 . Aus dieser Anmeldung ist es bekannt, zwischen den Verbindungselementen und den Gliedern jeweils Kugelgelenke vorzusehen. Derartige Kugelgelenke bauen relativ groß und sind daher insbesondere beim Einsatz des modularen Mehrgelenkmechanismus in der minimal invasiven Chirurgie nachteilig. Dieser Nachteil kann durch die erfindungsgemäße Kombination der Gelenke mit unterschiedlichen Freiheitsgraden zwischen den Verbindungselementen und den Gliedern vermieden werden. Des Weiteren kann bei erfindungsgemäßer Ausprägung der Kinematik auf Freiheitsgrade verzichtet werden, dies unter vollständigem Erhalt der hier und in
DE 10 2011 107 510.4 angestrebten Funktionalität. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Verbindungselemente können auch bei einfacher Ausprägung (z. B. stabartig) der Elemente Durchdringungen vermieden werden, was die Realisierbarkeit der Kinematik vereinfacht.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten schematisch dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus,
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2 eine alternative Ausgestaltung eines Gelenks mit drei Freiheitsgraden zwischen einem Verbindungselement und einem Glied und
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3 eine vereinfacht schematisch dargestellte alternative Ausführungsform der in 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.
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In dem dargestellten schematischen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus ist ein erstes Glied 10 als ortsfest dargestellt. An einem distalen Glied 12 können nicht dargestellte Endeffektoren und/oder Sensoren angeordnet sein. Wie durch die Pfeile 14, 16 dargestellt, ist das distale Glied 12 in zwei Ebenen verschwenkbar. Ein Verschwenken kann um die y-Achse gemäß Pfeil 14 oder um die z-Achse gemäß Pfeil 16 erfolgen. Wird gleichzeitig um beide Achsen verschwenkt, so ergibt sich eine Krümmung im Raum. Zwischen den beiden Gliedern 10, 12 kann eine Vielzahl von Einzelgliedern angeordnet sein. Hierbei handelt es sich um in ihrer Ausrichtung abwechselnd angeordnete Glieder 18, 20, wobei insbesondere auch eine größere Anzahl als die dargestellte Anzahl von drei Gliedern vorgesehen sein kann. Die Glieder 18, 20 sind jeweils über Hauptgelenke 22 miteinander verbunden. Jedes der Hauptgelenke 22 weist zwei Schwenkachsen 24, 26 auf. Die Schwenkachsen 24, 26 stehen jeweils senkrecht zueinander, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die Schwenkachsen 24 jeweils in z-Richtung und die Schwenkachsen 26 in y-Richtung verlaufen. Die Schwenkachsen 24 oder 26 eines Glieds 18 oder 20 sind jeweils parallel zueinander ausgerichtet.
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Die Schenkachsen der einzelnen Glieder 18, 20 sind somit zyklisch abwechselnd um +/–90° gedreht. Dies gilt auch bzgl. des ersten Gliedes 10 bzw. des letzen Gliedes 12 der Kette, wobei es sich hierbei jeweils um halbe Glieder handelt. Die Hauptgelenke 22 weisen somit zwei durch die beiden Schwenkachsen 22, 24 definierte Freiheitsgrade auf.
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Jeweils zwei Glieder sind über erste Verbindungselemente 28 sowie zweite Verbindungselemente 30 miteinander verbunden. Die beiden Verbindungselemente bilden ein Verbindungselemente-Paar.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Verbindungselemente 28, 30 derart angeordnet, dass sie jeweils ein Glied mit einem übernächsten Glied verbinden, und zwar derart, dass das erste Verbindungselement 28 mit der im Glied 10 bzw. 20 geführten Achse 24 der Hauptgelenke 22 verbunden ist und das zweite Verbindungselement 30 direkt mit den Gliedern 10 bzw. 20 verbunden ist. So verbindet das erste in 1 linke Verbindungselemente-Paar 28, 30 das ortsfeste Glied 10 mit dem Glied 20. Das zweite bzw. mittlere Verbindungselemente-Paar 28, 30 verbindet die beiden mit 18 bezeichneten Glieder bzw. deren zugehörige Achsen 24 der Hauptgelenke 22. Bei einer längeren Kette verbinden somit die Verbindungselemente-Paare 28, 30 je zwei gleichartige Glieder 18 oder 20 bzw. deren zugehörige Achsen 24 der Hauptgelenke 22, da die Glieder 18 und 20 abwechselnd in der Kette angeordnet sind.
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Die ersten Verbindungselemente 28 sind bspw. mit den zu den beiden Gliedern 18 gehörigen Achsen 24 der Hauptgelenke 22 an ihren Enden jeweils über ein Schwenkelement 32 mit einem Freiheitsgrad verbunden. Die Schwenkgelenke 32 sind jeweils an einem Anlenkpunkt 34 mit den entsprechenden Achsen 24 der Hauptgelenke 22 verbunden. Die Anlenkpunkte 34 der ersten Verbindungselemente 28 sind bezogen auf das zugehörige Hauptgelenk 22 in einem Abstand angeordnet. Insbesondere sind die Anlenkpunkte 34 auf Höhe der Schwenkachsen 24 angeordnet, sodass die Schwenkachsen im gestreckten Zustand in einer Ebene mit den Hauptgelenken 22 liegen.
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Die zweiten Verbindungselemente 30 sind über zwei Gelenke an ihren Enden bzw. an den entsprechenden Gliedern, bspw. den beiden Gliedern 18, 10 oder 20, verbunden, wobei ein axial-rotatorischer Freiheitsgrad vorgesehen sein muss. An einem ersten in 1 linken Ende der zweiten Schwenkelemente 30 ist eine Gelenkeinrichtung 36 mit drei Freiheitsgraden vorgesehen. Diese ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Gelenk 38 mit zwei Freiheitsgraden, wie ein Kardangelenk in Verbindung mit einem um eine Längsachse drehbaren Drehgelenk 40 realisiert. Das Drehgelenk 40 ermöglicht hierbei eine Drehung des bspw. stabförmigen Verbindungselements 30 um seine Längsachse.
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Die Gelenkeinrichtung 36 mit drei Freiheitsgraden kann auch wie in 2 dargestellt, ausgebildet sein. Hierbei ist ein Schwenkgelenk 42 mit einem Freiheitsgrad, mit zwei Drehgelenken 44, 46 kombiniert, wobei die beiden Drehgelenke 44, 46 in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
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Die Gelenkeinrichtung 36 ist ebenfalls in einem Abstand zu dem entsprechenden Hauptgelenk 22 an einem Anlenkpunkt 48 mit dem entsprechenden Glied, bspw. dem Glied 10, verbunden. Der Anlenkpunkt 48 ist in einem Abstand zu dem Hauptgelenk 22 angeordnet.
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Das zweite Ende des zweiten Verbindungselements 30 ist über ein Gelenk 50 mit zwei Freiheitsgraden, wie ein Kardangelenk, mit dem nächsten Glied, bspw. dem Glied 20 verbunden.
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Auch das Gelenk 50 ist in einem Abstand zu dem Hauptgelenk 22 an einem Anlenkpunkt 52 angeordnet.
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In 3 ist schematisch eine alternative Ausgestaltung zu der in 1 dargestellten Ausführungsform dargestellt. Hierbei sind ähnliche und identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Der wesentliche Unterschied der in 3 dargestellten Ausführungsform zu der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die beiden Verbindungselemente (28, 30) nach außen verlagert sind, um Kollisionen der Verbindungselemente mit den Gliedern zu vermeiden. Derartige Kollisionen können auch durch konstruktive Maßnahmen vermieden werden, wie bspw. das Ausgestalten der Glieder als rahmenförmige Elemente, durch die die Verbindungselemente im Wesentlichen diagonal oder schräg hindurchgeführt sind. Durch die in 3 dargestellte Ausführungsform wird deutlich, dass das drei Freiheitsgrade aufweisende Gelenkelement 36 zur Erfüllung des oben ausgeführten Zwecks auch derart aufgebaut sein kann, dass das zwei Freiheitsgrade aufweisende Schwenkelement 38 zwei Schwenkachsen mit Abstand zueinander aufweist und somit durch zwei Schwenkelemente 38a, 38b ausgebildet ist. Das andere Ende des zweiten Verbindungselements ist weiterhin durch ein Gelenk mit zwei Freiheitsgraden ausgebildet, wobei auch dieses durch zwei Schwenkelemente, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, ausgebildet ist. Es handelt sich hierbei um die beiden Schwenkelemente 50a und 50b.
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Das erste Verbindungselement 28 ist weiterhin über zwei jeweils nur einen Freiheitsgrad aufweisende Schwenkelemente 32 mit den entsprechenden Gliedern verbunden. Die Schwenkelemente 32 sind hierbei jedoch auch nach außen verlagert.
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Durch eine derartige Verlagerung der beiden Verbindungselemente 28, 30 nach außen ist der zentrale Bauraum, in dem bspw. Sensorkabel, Sensorfasern, Bowdenzüge o. ä. vorgesehen sind, freigehalten. Ferner ist die konstruktive Ausgestaltung der Verbindungselemente 28, 30 freier wählbar. Auch eine Kombination der Ausführungsform aus 1 und 3 ist möglich.
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3 stellt damit einen allgemeineren Fall des Aufbaus dar, und zeigt, dass die Gelenke 38, 50 bzw. 32 nicht in kardanischer Anordnung aufgebaut sein müssen, sondern ohne Funktionseinbußen gemäß dem oben ausgeführten Zweck verschoben werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2003/001986 [0008, 0008]
- DE 4303311 [0009, 0010]
- DE 4415057 [0009, 0010]
- WO 94/17965 [0009]
- DE 102011107510 [0029, 0029]
