DE102013016769A1

DE102013016769A1 - Instrumentenanordnung

Info

Publication number: DE102013016769A1
Application number: DE102013016769.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Riedel; Sven Brudniok; Sebastian Lohmeier
Original assignee: KUKA Laboratories GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-04-09
Also published as: WO2015051870A1

Abstract

Eine erfindungsgemäße Instrumentenanordnung umfasst ein chirurgisches Instrument (10) mit wenigstens einem Schlitten (12) zum Aktuieren eines Instrumentenfreiheitsgrades, der drehfest und verschieblich gelagert ist und ein Innengewinde (13) aufweist; und eine mit dem chirurgischen Instrument lösbar verbindbare Antriebseinheit (20) mit wenigstens einer Eintriebswelle (21) und einer Formschlussanordnung (23; 40A–40C), die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar ist, um eine Drehbewegung der Eintriebswelle in eine Linearbewegung des Schlittens umzusetzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine, insbesondere robotergeführte, Instrumentenanordnung mit einem chirurgischen, insbesondere minimalinvasiven, Instrument und einer damit lösbar verbindbaren Antriebseinheit zum Aktuieren wenigstens eines Instrumentenfreiheitsgrades.
Beispielsweise aus der DE 10 2009 060 987 A1 ist ein minimalinvasives Instrument bekannt, das mit einer Antriebseinheit lösbar verbunden ist und mehrere axial verschiebbare zweite Betätigungseinrichtungen aufweist, die über eine Kupplungseinrichtung mit axial verschiebbaren ersten Betätigungseinrichtungen der Antriebseinheit lösbar verbunden sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte chirurgische Instrumentenanordnung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch eine Instrumentenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 12 bis 15 stellen ein entsprechendes Instrument und eine entsprechende Antriebseinheit, ein Verfahren zum Koppeln dieser sowie eine entsprechende robotergeführte Instrumentenanordnung unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Instrumentenanordnung ein chirurgisches Instrument und eine damit lösbar verbindbare, insbesondere verbundene, Antriebseinheit auf. In einer Ausführung ist die Instrumentenanordnung, insbesondere das Instrument und/oder die Antriebseinheit, vorzugsweise lösbar, mit einem Roboter einer Roboteranordnung verbindbar, insbesondere verbunden bzw. die Instrumentenanordnung eine robotergeführte Instrumentenanordnung.
Das chirurgische Instrument ist in einer Ausführung ein minimalinvasives Instrument mit einem Schaft, der einen intrakorporalen Schaftabschnitt aufweist, der zum teilweisen Einführen in einen Körper, insbesondere durch eine natürliche oder künstliche Öffnung, deren Umfang vorzugsweise höchstens das Vierfache, insbesondere höchstens Doppelte eines maximalen Außenumfangs des intrakorporalen Schaftabschnitts beträgt, vorgesehen bzw. eingerichtet ist. In einer Ausführung ist, insbesondere an einem antriebseinheitsfernen Ende des Schaftes, ein ein- oder mehrteiliger Endeffektor angeordnet, beispielsweise ein Skalpell, eine Schere, Klammer oder Zange, oder eine, insbesondere bewegliche und/oder verschließbare, Öffnung zum Einführen und/oder Ausbringen von Fluid und/oder elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Licht, insbesondere also eine Saug- und/oder Spritzdüse oder eine Linse eines Endoskops, Lasers oder dergleichen.
Das Instrument weist einen oder mehrere Instrumentenfreiheitsgrade auf. Dies können insbesondere Freiheitsgrade des Endeffektors sein, beispielsweise ein oder mehrere Dreh- und/oder translatorische Freiheitsgrade eines Endeffektorteils relativ zu dem Schaft und/oder einem weiteren Endeffektorteil. Der Schaft kann starr oder beweglich sein. Insbesondere bei einem beweglichen Schaft können ein oder mehrere Instrumentenfreiheitsgrade auch Dreh- und/oder translatorische Freiheitsgrade eines, insbesondere intrakorporalen, Schaftteils relativ zu einem weiteren, insbesondere intrakorporalen, Schaftteil sein.
Zum Aktuieren eines Instrumentenfreiheitsgrades weist das Instrument einen, insbesondere axial bzw. linear, verschieblich gelagerten Schlitten auf, der in einer Ausführung mit einem Schaft- und/oder Endeffektorteil wirkverbindbar, insbesondere wirkverbunden ist, insbesondere mittels wenigstens eines Zug- und/oder Druckmittels, beispielsweise eines Seils bzw. Kabels, einer Druck- oder Gewindestange oder dergleichen. In einer Weiterbildung weist das Instrument mehrere Schlitten auf, um einen oder mehrere Instrumentenfreiheitsgrade zu aktuieren. Zur kompakteren Darstellung wird nachfolgend auf einen Freiheitsgrad bzw. Schlitten Bezug genommen, die Erläuterungen gelten analog für Ausführungen mit mehreren Freiheitsgraden bzw. Schlitten. Insbesondere kann ein Freiheitsgrad durch einen Schlitten alleine aktuiert werden bzw. aktuierbar sein, der beispielsweise über eine Druck- oder Gewindestange mit einem Schaft- oder Endeffektorteil wirkverbunden sein kann, um dieses in seinem Freiheitsgrad gegensinnig zu aktuieren. Gleichermaßen kann ein Freiheitsgrad durch wenigstens zwei, insbesondere gegenläufige, Schlitten gemeinsam aktuiert werden bzw. aktuierbar sein, die beispielsweise über gegenläufige Seile oder Kabel mit einem Schaft- oder Endeffektorteil wirkverbunden sein können, um dieses in seinem Freiheitsgrad gegensinnig zu aktuieren, beispielsweise durch Zug auf ein Seil bzw. Kabel in einer Richtung zu verschwenken oder auszufahren und durch Zug auf ein gegenläufiges Seil bzw. Kabel in der Gegenrichtung zu verschwenken bzw. einzufahren.
Der Schlitten ist drehfest in einem Lager bzw. einer Führung des Instruments, vorzugsweise einer Schnittstelle zur Verbindung mit der Antriebseinheit, gelagert. In einer Ausführung weist der Schlitten eine nicht-rotationssymmetrische Außenkontur auf, die in einer hierzu komplementären Innenkontur des Lagers verschieblich und drehfest geführt ist. In einer Weiterbildung weist die Außenkontur des Schlittens einen oder mehrere Vorsprünge auf, die in entsprechenden Nuten in einer den Schlitten führenden Innenkontur des Lagers geführt sind, welche in Verschiebungsrichtung verlaufen. Zusätzlich oder alternativ kann die Innenkontur des Lagers einen oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die in entsprechenden Nuten in der Außenkontur des Schlittens geführt sind, welche in Verschiebungsrichtung verlaufen.
Der Schlitten weist eine Aussparung mit einem Innengewinde auf. Dieses ist in einer Ausführung antriebseinheitsseitig offen und kann auf der gegenüberliegenden Stirnseite offen oder geschlossen sein. In einer Weiterbildung ist das Innengewinde zwei- oder mehrgängig ausgebildet.
Um den Schlitten zu verschieben, weist die Antriebseinheit eine Eintriebswelle auf. Wie vorstehend erwähnt, wird zur kompakteren Darstellung auf einen Schlitten bzw. eine Eintriebswelle Bezug genommen, die Erläuterungen gelten analog für Ausführungen mit mehreren Eintriebswellen, wenn das Instrument in einer Weiterbildung mehrere Schlitten aufweist, um einen oder mehrere Instrumentenfreiheitsgrade zu aktuieren.
Die Eintriebswelle ist in einer Ausführung mit einem Antrieb, insbesondere einem Drehantrieb, vorzugsweise einem Elektromotor, wirkverbindbar, insbesondere wirkverbunden. Sie kann insbesondere einen Rotor eines Elektromotors bilden oder mit einem solchen, insbesondere durch ein Getriebe und/oder eine Kupplung, verbindbar, insbesondere verbunden sein.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Formschlussanordnung der Antriebseinheit mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar bzw. ist bzw. wird mit dem Innengewinde in Eingriff gebracht, um eine Drehbewegung der Eintriebswelle in eine Linearbewegung des Schlittens umzusetzen. Auf diese Weise kann eine Drehbewegung eines Antriebs der Antriebseinheit in der Schnittstelle zum chirurgischen Instrument in eine Linearbewegung des Schlittens umgesetzt werden, um hierdurch einen Instrumentenfreiheitsgrad zu aktuieren. In einer Ausführung ist die Formschlussanordnung an der Eintriebswelle mit oder ohne Spiel axial und/oder in Umfangsrichtung festleg- bzw. sicherbar oder fest bzw. sicher. Unter einem Festlegen wird vorliegend zur kompakteren Darstellung insbesondere ein, wenigstens im Wesentlichen, spielfreies Befestigen, insbesondere ein spielfrei vorgespanntes Befestigen, wie auch ein Begrenzen eines Spiels verstanden.
In einer einfachen Ausführung ist die Formschlussanordnung radial fest an der Eintriebswelle angeordnet. Insbesondere kann die Formschlussanordnung integral mit der Eintriebswelle ausgebildet sein, beispielsweise als Außenverzahnung der Eintriebswelle. Dann kann beim Verbinden des Instruments mit der Antriebseinheit die Formschlussanordnung unter Drehung in das Innengewinde eingeschraubt werden. Wird dann die Eintriebswelle bei axial an der Antriebseinheit festgelegtem Instrument verdreht, setzt das Innengewinde dies in eine Linearbewegung des Schlittens um.
In einer anderen Ausführung ist die Formschlussanordnung radial verschieblich und durch ein Verriegelungselement von einer radial inneren Entriegelungsstellung, in der die Formschlussanordnung außer Eingriff mit dem Innengewinde steht, in eine radial äußere Verriegelungsstellung verstellbar, in der die Formschlussanordnung in Eingriff mit dem Innengewinde steht. Auf diese Weise können insbesondere zunächst das Instrument mit der Antriebseinheit verbunden und anschließend, insbesondere in verschiedenen axialen Positionen des Schlittens, die Formschlussanordnung durch radiales Verstellen in Eingriff mit dem Innengewinde gebracht werden.
In einer Ausführung ist die radial verschiebliche Formschlussanordnung radial in die Ver- oder Entriegelungsstellung vorgespannt, insbesondere durch Federmittel oder eine elastisch ausgebildete oder angebundene Formschlussanordnung. Eine in die Entriegelungsstellung vorgespannte Formschlussanordnung kehrt vorteilhaft nach Deaktivierung des Verriegelungselements selbsttätig in die Entriegelungsstellung zurück. Eine in die Verriegelungsstellung vorgespannte Formschlussanordnung gelangt vorteilhaft bereits selbsttätig in Eingriff mit dem Innengewinde und kann in einer Ausführung anschließend noch, insbesondere formschlüssig, radial gesichert bzw. abgestützt werden. Sowohl ein solches vorspannungsbedingtes bzw. selbsttätiges Verstellen in die Verriegelungsstellung als auch ein, insbesondere anschließendes und/oder formschlüssiges, Sichern bzw. Abstützen wird vorliegend jeweils verallgemeinernd ebenso wie ein aktives, insbesondere manuelles Bewegen der Formschlussanordnungals Verstellen in die Verriegelungsstellung bezeichnet. Entsprechend kann das Verriegelungselement in einer Ausführung ein solches Federmittel und/oder ein Mittel zum, insbesondere formschlüssigen, Bewegen in die Verriegelungsstellung und/oder radialen Sichern bzw. Abstützen in der Verriegelungsstellung aufweisen, insbesondere sein.
Das Verriegelungselement kann in einer Ausführung die Formschlussanordnung (elektro)magentisch, hydraulisch und/oder pneumatisch radial verschieben. In einer Ausführung verschiebt es die Formschlussanordnung mechanisch. Insbesondere können das Verriegelungselement und die Eintriebswelle gegeneinander verschieblich sein, wobei das Verriegelungselement eine axial geneigte Flanke zum radialen Verstellen der Formschlussanordnung infolge einer Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander aufweist. Bei entsprechender axialer Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander läuft die Formschlussanordnung auf der geneigten Flanke auf und wird durch diese radial in die Verriegelungsstellung verstellt. In einer Ausführung ist die Eintriebswelle relativ zu einem Antrieb und/oder Gehäuse der Antriebseinheit axialfest, wobei das Verriegelungselement relativ zu Antrieb bzw. Gehäuse axial verschieblich gelagert ist. In einer anderen Ausführung ist zusätzlich oder alternativ die Eintriebswelle relativ zu Antrieb bzw. Gehäuse axial verschieblich gelagert.
Das Verriegelungselement kann drehbar oder drehfest an, insbesondere auf oder in der Eintriebswelle gelagert sein. In einer Ausführung durchgreift die Eintriebswelle das auf ihr gelagerte Verriegelungselement konzentrisch, in einer anderen Ausführung durchgreift umgekehrt das Verriegelungselement die Eintriebswelle, in der es gelagert ist, konzentrisch.
In einer Ausführung stützt sich die Formschlussanordnung an einer der geneigten Flanke gegenüberliegenden Seite formschlüssig ab, so dass sie durch diese bei einer axialen Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander auf der Flanke aufläuft. In einer anderen Ausführung ist, insbesondere an der Eintriebswelle, eine zu der Flanke des Verriegelungselements gegensinnig axial geneigte Gegenflanke zum radialen Verstellen der Formschlussanordnung infolge der Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander vorgesehen bzw. angeordnet. Auf diese Weise läuft die Formschlussanordnung bei einer Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander auf den beiden gegensinnigen Flanken auf, die in einer Ausführung eine V-förmige Nut bilden, deren Nutweite durch Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander veränderlich ist.
Das Verriegelungselement ist in einer Ausführung durch ein Stellmittel, insbesondere axial, verstell-, insbesondere fixierbar. Das Stellmittel kann insbesondere ein elektromagnetisch, pneumatisch und/oder hydraulisch aktuiertes Stellmittel sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Stellmittel manuell aktuierbar sein. Insbesondere kann es in einer Ausführung einen Handhebel aufweisen, vorzugsweise einen (Klemm)Hebel, der durch Verdrehen das Verriegelungselement, vorzugsweise reib- oder formschlüssig, fixiert. In einer Ausführung ist der Hebel schwenkbar an einem Gehäuse der Antriebseinheit gelagert und mit dem Verriegelungselement verdrehbar gekoppelt.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Federmittel das Verriegelungselement in die Ver- oder Entriegelungsstellung vorspannen bzw. verstellen. Das Federmittel kann sich in einer Ausführung an einem Gehäuse der Antriebseinheit abstützen und mit diesem und/oder dem Verriegelungselement verdrehbar oder drehfest verbindbar, insbesondere verbunden sein.
Der Handhebel kann dem Federmittel entgegenwirken und so insbesondere das Verriegelungselement in eine Stellung bewegen, vorzugsweise in einer Stellung, insbesondere reib- oder formschlüssig, fixieren, in der das Verriegelungselement die Formschlussanordnung radial in die Ver- oder Entriegelungsstellung stellt bzw. sichert und das Federmittel (stärker) vorspannt.
In einer Ausführung weist die Formschlussanordnung einen oder mehrere drehbar gelagerte Wälzkörper, insbesondere Kugeln oder Rollen, auf. Insbesondere in diesem Fall können in einer Ausführung die axial geneigte Flanke und gegebenenfalls die gegensinnig geneigte Gegenflanke als umlaufende Flanke(n) ausgebildet sein, auf denen die Wälzkörper vorzugsweise abrollen und so geführt die Eintriebswelle unbegrenzt umlaufen können. Entsprechend kann die Formschlussanordnung mit dem Innengewinde des Schlittens und der Eintriebswelle in einer Ausführung eine Kugel- oder Rollengewindespindel bilden. Vorteilhaft reduziert die Rollreibung der mit dem Innengewinde in Eingriff stehenden Wälzkörper die Reibung bei der Umsetzung der Dreh- in die Linearbewegung. Zusätzlich oder alternativ können hierdurch Spiel und/oder Haft-Reib-Übergänge („stick-slip”) reduziert, vorzugsweise eliminiert werden. Die Wälzkörper können insbesondere an der Eintriebswelle um die Drehachse der Eintriebswelle und/oder eine, insbesondere hierzu parallele, Wälzkörpersymmetrieachse drehbar gelagert sein. In einer Ausführung können somit die Wälzkörper die Eintriebswelle umlaufen, d. h. (auch) um deren Drehachse drehen, in einer anderen Ausführung sind die Wälzkörper in Umfangsrichtung verdrehsicher an der Eintriebswelle gelagert und nur um ihre Wälzkörpersymmetrieachse drehbar.
In einer Ausführung weist die Formschlussanordnung einen oder mehrere drehfest angeordnete Gleitkörper auf, die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar sind. Insbesondere solche Gleitkörper weisen in einer Weiterbildung ein Außengewinde auf, das mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar ist. Die Gleitkörper können insbesondere an der Eintriebswelle drehfestlegbar, insbesondere drehfest sein.
In einer Ausführung weist die Formschlussanordnung zwei oder mehr in Umfangsrichtung, insbesondere wenigstens im Wesentlichen äquidistant, beabstandete Körper, insbesondere Wälz- oder Gleitkörper, auf, insbesondere also zwei wenigstens im Wesentlichen um 180° versetzte Körper, drei wenigstens im Wesentlichen um 120° versetzte Körper oder vier wenigstens im Wesentlichen um 90° versetzte Körper, die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar sind. Zusätzlich oder alternativ weist die Formschlussanordnung in einer Ausführung zwei oder mehr in Axialrichtung beabstandete Körper, insbesondere Wälz- oder Gleitkörper, auf, die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar sind. Insbesondere kann die Formschlussanordnung wenigstens zwei in Axialrichtung beabstandete Paare von in Umfangsrichtung, insbesondere wenigstens im Wesentlichen äquidistant, beabstandeten Körpern aufweisen. In einer Weiterbildung sind wenigstens zwei in Axialrichtung beabstandete Körper, insbesondere Körper von zwei in Axialrichtung beabstandeten Paaren, auch in Umfangsrichtung voneinander beabstandet, vorzugsweise um wenigstens 30°, insbesondere wenigstens 60°, bevorzugt wenigstens im Wesentlichen um 90°.
Zwei oder mehr Körper der Formschlussanordnung können in einer Ausführung durch eine Kulisse in Axial- und/oder Umfangsrichtung beabstandet sein bzw. werden. Die Kulisse kann in einer Weiterbildung dreh- und/oder axialfest mit der Eintriebswelle sein, insbesondere lösbar oder dauerhaft mit dieser verbunden, insbesondere integral mit dieser ausgebildet. In einer anderen Weiterbildung ist die Kulisse, insbesondere als Hülse mit entsprechenden Durchgangsöffnungen, als freie, insbesondere von der Eintriebswelle separate und/oder gegenüber dieser (frei) bewegliche Kulisse ausgebildet.
In einer Ausführung begrenzt ein Anschlag einen, insbesondere axialen, Stellweg des Verriegelungselements, insbesondere in einer Verstellrichtung in die Verriegelungsstellung. Auf diese Weise kann in einer Weiterbildung ein (übermäßiges) radiales Ausrücken der Formschlussanordnung begrenzt bzw. vermieden werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein (weiterer) Anschlag einen, insbesondere axialen, Stellweg des Verriegelungselements in einer Verstellrichtung in die Entriegelungsstellung begrenzen. Insbesondere kann das Verriegelungselement verliersicher an der Eintriebswelle befestigt sein.
In einer Ausführung ist die Steigung des ein- oder mehrgängigen Innengewindes derart, dass die Formschlussanordnung mit diesem, wenigstens im Wesentlichen, passgenau in Eingriff gelangt bzw. bringbar ist.
In einer Ausführung ist ein Positionserfassungsmittel zum Erfassen einer axialen Position des Schlittens vorgesehen, insbesondere, um so eine Umsetzung einer Drehbewegung der Eintriebswelle in eine Linearbewegung des Schlittens und somit einer Drehbewegung eines Antriebs in eine Aktuierung eines Instrumentenfreiheitsgrades zu kalibrieren. Das Positionserfassungsmittel kann in einer Ausführung an dem Instrument oder der Antriebseinheit angeordnet und/oder berührungslos, insbesondere elektrisch oder optisch, ausgebildet sein. In einer Ausführung ist es zum Erfassen eines axialen Abstandes des Schlittens zu einer instrumenten-, insbesondere Lager-, oder antriebseinheitsfesten Referenz eingerichtet.
Gleichermaßen kann es zum Erfassen einer oder mehrerer ausgezeichneter Positionen des Schlittens eingerichtet sein, so dass es ein Überfahren dieser Position(en) durch den Schlitten erfassen kann.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das chirurgische, insbesondere minimalinvasive, Instrument einer hier beschriebenen Instrumentenanordnung, welches mit der Antriebseinheit der Instrumentenanordnung lösbar verbindbar ist und wenigstens einen Schlitten mit einem Innengewinde zum Aktuieren eines Instrumentenfreiheitsgrades aufweist, der drehfest und verschieblich gelagert ist. Ein anderer Aspekt betrifft die Antriebseinheit einer hier beschriebenen Instrumentenanordnung, welche mit dem Instrument der Instrumentenanordnung lösbar verbindbar ist und wenigstens eine Eintriebswelle und eine Formschlussanordnung mit wenigstens einem Körper aufweist, die mit dem Innengewinde in Eingriff bring bar ist, um eine Drehbewegung der Eintriebswelle in eine Linearbewegung des Schlittens umzusetzen. Entsprechend betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Koppeln des chirurgischen Instruments einer hier beschriebenen Instrumentenanordnung, wobei das Instrument lösbar mit der Antriebseinheit verbunden wird und zuvor, dabei oder anschließend die Formschlussanordnung(en) mit dem bzw. den Innengewinde(n) in Eingriff gebracht werden. Schließlich betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Instrumentenschnittstelle zwischen einem vorstehend erläuterten Instrument und einer vorstehend erläuterten Antriebseinheit, wobei die Schnittstelle dazu ausgebildet ist, eine Rotation der Eintriebswelle in eine Translationsbewegung des Schlittens umzusetzen bzw. zu übersetzen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: einen Teil eines chirurgischen Instruments und einen Teil einer Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Drahtdarstellung;
2A: den Teil der Instrumentenanordnung der 1 in einem Axialschnitt in einer Entriegelungsstellung;
2B: den Teil der Instrumentenanordnung der 1 in 2A entsprechender Darstellung in einer Verriegelungsstellung;
3A: ein Detail der Antriebseinheit der 2A;
3B: ein Detail der Antriebseinheit der 2B;
4: einen Teil eines chirurgischen Instruments und einen Teil einer Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in 2B entsprechender, perspektivischer Darstellung;
5A: einen Teil eines chirurgischen Instruments und einen Teil einer Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Explosionsdarstellung; und
5B: den Teil der Instrumentenanordnung der 5A in zusammengebautem Zustand in einer Verriegelungsstellung.
1 zeigt einen Teil eines chirurgischen Instruments 10 und einen Teil einer damit lösbar verbindbaren, in der Darstellung der 2 verbundenen, Antriebseinheit 20 einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Drahtdarstellung.
In einer Ausführung ist das Instrument und/oder die Antriebseinheit lösbar mit einem Roboter einer Roboteranordnung verbunden (nicht dargestellt).
Das chirurgische Instrument ist ein minimalinvasives Instrument mit einem in 1 nicht weiter dargestellten Schaft, in dem ein Lager 11 dargestellt ist, das in dem Schaft angeordnet, insbesondere integral mit diesem ausgebildet oder lösbar oder dauerhaft an diesem befestigt ist.
Zum Aktuieren eines Instrumentenfreiheitsgrades weist das Instrument einen Schlitten 12 auf, der in dem Lager 11 verschieblich geführt und mit einem Endeffektor beispielsweise mittels einer Stange oder eines Seils wirkverbunden ist (nicht dargestellt). Das Instrument weist weitere Schlitten auf, um weitere Instrumentenfreiheitsgrade in analoger Weise zu aktuieren, wobei diese zur Verdeutlichung nicht dargestellt sind. Wie vorstehend erläutert, kann das Instrument auch wenigstens einen weiteren, insbesondere gegenläufigen, Schlitten aufweisen, der mit dem Endeffektor mittels eines gegenläufigen Seils wirkverbunden ist, so dass der Endeffektor durch Zug auf das eine oder andere Seil gegensinnig aktuierbar ist (nicht dargestellt).
Der Schlitten ist mittels zweier Vorsprünge drehfest in dem Lager gelagert, die in einander gegenüberliegenden Nuten des Lagers geführt sind, welche in Verschiebungsrichtung verlaufen. Er weist ein zweigängiges Innengewinde 13 auf, dessen Steigung so ausgelegt ist, dass nachfolgend erläuterte Kugeln 23 mit diesen passgenau in Eingriff kommen. – Diese Aussage sollte nicht in die Bilderbeschreibung, sondern weiter nach oben Die Antriebseinheit weist für jeden Schlitten eine Eintriebswelle auf, von denen zur Verdeutlichung nur eine Eintriebswelle 21 (vgl. 2) dargestellt ist.
Die Eintriebswelle bildet einen Rotor eines Elektromotors 22 oder ist mit einem solchen verbunden.
In den Ausführungen der 1 bis 4 weist die Antriebseinheit eine Formschlussanordnung in Form von zwei in Axialrichtung beabstandeten Paaren von in Umfangsrichtung um 180° voneinander beabstandeten Kugeln 23 auf, wobei die Paare in Umfangsrichtung um 90° voneinander beabstandet sind.
Die Kugeln sind auf zwei axial voneinander beabstandeten und geneigten umlaufenden Flanken 24 (vgl. 3) der Eintriebswelle und zwei gegensinnig geneigten umlaufenden Gegenflanken 25 eines Verriegelungselements 26 drehbar gelagert, auf denen sie abrollen und die Eintriebswelle unbegrenzt umlaufen können. Sie sind durch eine freie Kulissenhülse 27 mit entsprechenden Durchgangsöffnungen in Axial- und Umfangsrichtung sowohl in einer Verriegelungsstellung (3B) als auch in einer Entriegelungsstellung (3A) beabstandet.
Das Verriegelungselement 26 ist drehfest und axial verschieblich auf der Eintriebswelle gelagert, die das auf ihr gelagerte Verriegelungselement konzentrisch durchgreift.
Wie insbesondere in der Zusammenschau der 3A, 3B erkennbar, verstellt das Verriegelungselement die Formschlussanordnung mechanisch von der radial inneren Entriegelungsstellung (3A), in der sie außer Eingriff mit dem Innengewinde steht, in die radial äußere Verriegelungsstellung (3B), in der die Formschlussanordnung in Eingriff mit dem Innengewinde steht, wenn das Verriegelungselement auf der Eintriebswelle verschoben wird. Infolge dieser axialen Verschiebung des Verriegelungselements 26 auf der Eintriebswelle 21 laufen die Kugeln 23 auf den Flanken 24 und Gegenflanken 25 auf und werden durch diese V-förmige Nut, deren Nutweite durch Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander veränderlich ist, radial in die Verriegelungsstellung verstellt.
Auf diese Weise werden die Kugeln 23 mit dem Innengewinde 13 in Eingriff gebracht, um eine Drehbewegung der Eintriebswelle 21 in eine Linearbewegung des Schlittens 12 umzusetzen.
Das Verriegelungselement ist in der Ausführung der 1 bis 3 durch ein Stellmittel in Form eines Handhebels 30 manuell in Axialrichtung verstellbar, insbesondere klemmschlüssig axial fixierbar. Der Hebel ist schwenkbar an einem nur teilweise dargestellten Gehäuse 31 der Antriebseinheit gelagert und mit dem Verriegelungselement 26 über eine Ausrückkupplung 32 verdrehbar gekoppelt.
In einer ersten Schwenkstellung (2A) beabstandet der Hebel Flanken 24 und Gegenflanken 25 in Axialrichtung weiter voneinander, so dass die Kugeln 23 in die radial innere Entriegelungsstellung gelangen können, in der sie außer Eingriff mit dem Innengewinde 13 des Schlittens 12 stehen. In diesem Zustand kann die Eintriebswelle 21 axial im Innengewinde 13 verschoben, insbesondere in dieses ein- oder aus diesem ausgeführt werden, wenn die Antriebseinheit mit dem Instrument verbunden bzw. von diesem gelöst wird.
In einer hiervon verschiedenen zweiten Schwenkstellung (2B) rückt der Hebel Flanken 24 und Gegenflanken 25 in Axialrichtung aufeinander zu, so dass die Kugeln 23 in die radial äußere Verriegelungsstellung gedrängt werden, in der sie in Eingriff mit dem Innengewinde stehen. In diesem Zustand setzen sie eine Drehbewegung der Eintriebswelle 21 in eine Linearbewegung des Schlittens 12 um. Wenigstens in der zweiten Schwenkstellung ist der Hebel 30 reibschlüssig fixiert.
4 zeigt in 2B entsprechender Darstellung einen Teil eines chirurgischen Instruments und einen Teil einer Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Ausführung der 1 bis 3 entsprechende Elemente sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 4 spannt ein Federmittel 33 das Verriegelungselement 26 in die Verriegelungsstellung vor. Der Handhebel 30 wirkt dem Federmittel entgegen, durch ihn kann das Verriegelungselement in die Entriegelungsstellung bewegt und so die Verriegelung temporär aktiv gelöst werden.
In 4 ist ein berührungsloses Positionserfassungsmittel in Form eines Abstandssenors 34 zum Erfassen eines axialen Abstandes des Schlittens 12 zu einer antriebseinheitsfesten Referenz und damit einer axialen Position des Schlittens an der Antriebseinheit angeordnet.
5B zeigt in 1 entsprechender Darstellung einen Teil einer Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, 5A diesen Teil in perspektivischer Explosionsdarstellung. Der Ausführung der 1 bis 4 entsprechende Elemente sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 5 weist die Formschlussanordnung statt der Wälz- drei in Umfangsrichtung äquidistant um jeweils 120° beabstandete Gleitkörper in Form von Gewindesegmenten 40A–40C auf, die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar sind und hierzu jeweils ein Außengewinde 41 aufweisen.
Die Gleitkörper der Formschlussanordnung sind durch eine Kulisse radial verschieblich, jedoch axial- und drehfest geführt, die integral mit der Eintriebswelle 21 ausgebildet ist. Sie können in die radial innere Entriegelungsstellung, in der sie außer Eingriff mit dem Innengewinde 13 des Schlittens 12 (vgl. 1) stehen, radial vorgespannt sein, beispielsweise, indem sie elastisch an der Kulisse bzw. Eintriebswelle angebunden sind (nicht dargestellt).
Das Verriegelungselement 26' ist axial verschieblich in der Eintriebswelle gelagert und weist wiederum eine axial geneigte, umlaufende Flanke 24' zum radialen Verstellen der Gleitkörper infolge einer axialen Verschiebung des Verriegelungselements in die radial äußere Verriegelungsstellung auf, in der diese in Eingriff mit dem Innengewinde 13 stehen.
An der der geneigten Flanke 24' axial gegenüberliegenden Seite stützen sich die Gleitkörper formschlüssig in der integral mit der Eintriebswelle ausgebildeten Kulisse ab, so dass sie durch diese bei einer axialen Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander auf der Flanke auflaufen.
Ein Anschlag (nicht dargestellt) begrenzt den axialen Stellweg des Verriegelungselements 26' in der Verstellrichtung in die Verriegelungsstellung (nach links in 5B).
Das Verriegelungselement 26' der Ausführung der 5 kann in gleicher Weise wie vorstehend mit Bezug auf die Ausführungen der 1–4 beschrieben axial verstellt und fixiert werden, insbesondere durch einen Handhebel und/oder ein axiales Federmittel. Ebenso kann ein Positionserfassungsmittel zum Erfassen einer axialen Position des Schlittens 12 vorgesehen sein, wie es vorstehend mit Bezug auf die Ausführungen der 4 beschrieben worden ist. Auch das Instrument kann wie vorstehend mit Bezug auf die Ausführungen der 1–4 beschrieben ausgebildet sein.
Zum Koppeln des chirurgischen Instruments 10 einer hier beschriebenen Instrumentenanordnung wird das Instrument lösbar mit der Antriebseinheit 20 verbunden und, insbesondere anschließend die Formschlussanordnung 23 bzw. 40A–40C mit dem Innengewinde 13 in Eingriff gebracht (vgl. 2A/3A → 2B/3B).
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
So könnte, rein exemplarisch, in den Ausführungen der 1–4 auch das mit 27 bezeichnete Element die bzw. Teil der Eintriebswelle sein. Insbesondere könnte das mit 21 bezeichnete Element dann (ebenfalls) ein Verriegelungselement bilden, das insbesondere drehbar in der Eintriebswelle angeordnet und beispielsweise drehfest mit dem Gehäuse der Antriebseinheit verbunden sein kann. Auch hierdurch wird eine Drehbewegung der Eintriebswelle, an der dann die Kugeln 23 in Umfangsrichtung festgelegt sind, in eine Linearbewegung des Schlittens 12 umgesetzt.
Bezugszeichenliste

10: Instrumentenanordnung
11: Lager
12: Schlitten
13: Innengewinde
20: Antriebseinheit
21: Eintriebswelle
22: Elektromotor
23: Kugel (Formschlussanordnung)
24; 24': Flanke
25: Gegenflanke
26; 26': Verriegelungselement
27: Kulissenhülse
30: Handhebel
31: Antriebseinheitsgehäuse
32: Ausrückkupplung
33: Federmittel
34: Abstandssensor
40A–40C: Gewindesegment (Formschlussanordnung)
41: Außengewinde

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009060987 A1 [0002]

Claims

Instrumentenanordnung mit: einem chirurgischen Instrument (10) mit wenigstens einem Schlitten (12) zum Aktuieren eines Instrumentenfreiheitsgrades, der drehfest und verschieblich gelagert ist und ein Innengewinde (13) aufweist; und einer mit dem chirurgischen Instrument lösbar verbindbaren Antriebseinheit (20) mit wenigstens einer Eintriebswelle (21) und einer Formschlussanordnung (23; 40A–40C), die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar ist, um eine Drehbewegung der Eintriebswelle in eine Linearbewegung des Schlittens umzusetzen.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch ein Verriegelungselement (26; 26') zum Verstellen der radial verschieblichen, insbesondere vorgespannten, Formschlussanordnung von einer radial inneren Entriegelungsstellung, in der die Formschlussanordnung außer Eingriff mit dem Innengewinde steht, in eine radial äußere Verriegelungsstellung, in der die Formschlussanordnung in Eingriff mit dem Innengewinde steht.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement und die Eintriebswelle gegeneinander verschieblich sind und das Verriegelungselement eine axial geneigte, insbesondere umlaufende, Flanke (24; 24') zum radialen Verstellen der Formschlussanordnung infolge einer Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander aufweist.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement drehfest an, insbesondere auf oder in der Eintriebswelle gelagert ist.
Instrumentenanordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zu der Flanke des Verriegelungselements gegensinnig axial geneigten Gegenflanke (25) zum radialen Verstellen der Formschlussanordnung infolge der Verschiebung von Verriegelungselement und Eintriebswelle gegeneinander.
Instrumentenanordnung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein, insbesondere elektromagnetisches und/oder manuelles, Stellmittel (30) und/oder ein Federmittel (33) zum Verstellen, insbesondere Verschieben, und/oder, insbesondere axialen, Fixieren des Verriegelungselements.
Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussanordnung wenigstens einen drehbar gelagerten Wälzkörper (23) oder drehfest angeordneten Gleitkörper (40A–40C) aufweist, der mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar ist.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussanordnung wenigstens zwei in Umfangsrichtung beabstandete und/oder wenigstens zwei in Axialrichtung beabstandete Körper aufweist, die mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar sind.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine, insbesondere freie, Kulisse (27) zur Beabstandung der Körper der Formschlussanordnung.
Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussanordnung ein Außengewinde (41) aufweist, das mit dem Innengewinde in Eingriff bringbar ist.
Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Positionserfassungsmittel (34) zum Erfassen einer axialen Position des Schlittens.
Chirurgisches Instrument (10) einer Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Antriebseinheit (20) einer Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Roboteranordnung mit einem Roboter und einer damit verbindbaren Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Koppeln eines chirurgischen Instruments (10) einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit deren Antriebseinheit (20), mit den Schritten: lösbares Verbinden des Instruments mit der Antriebseinheit; und In-Eingriff-Bringen der Formschlussanordnung mit dem Innengewinde.