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Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines chirurgischen Instruments zur Abwinkelung einer Werkzeugspitze mittels einer räumlich ausrichtbaren Taumelscheibe, ein chirurgisches Instrument, das ein solches Lenkgetriebe aufweist, und ein Verfahren zur Regelung der Lage eines Lenkrings des Lenkgetriebes.
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Aus dem Stand der Technik sind chirurgische Instrumente bekannt, die manuell oder von einem Roboter geführt werden können und die Werkzeuge aufweisen, deren Werkzeugspitze mittels mehrerer ineinandergreifender Schwenkglieder verschwenkt werden kann. Diese Schwenkglieder sind mit einer Vielzahl an Lenkdrähten oder -seilen verbunden, um eine feinfühlige Steuerung der Werkzeugspitze zu erreichen. Mit vielen dünnen Lenkdrähten gegenüber wenigen dickeren Lenkdrähten kann eine gleichmäßigere Kraftverteilung in alle Abwinkelungsrichtungen erzielt werden.
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Aus
US 5 454 827 A ist bekannt, solche Lenkdrähte mit einer proximalseitig in einer Betätigungseinheit angeordneten räumlich verstellbaren Scheibe zu koppeln, die über eine Stange mit einem manuell betätigbaren Steuerhebel verbunden ist, sodass eine Bewegung der räumlich verstellbaren Taumelscheibe eine entsprechende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder und somit ein Verschwenken der Werkzeugspitze verursacht.
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US 2015 / 0 321 343 A1 beschreibt ebenfalls die Verwendung einer kardanisch aufgehängten Taumelscheibe zur Betätigung daran befestigter Lenkdrähte, ohne dass ein Antrieb zur Ausrichtung der Taumelscheibe offenbart wird.
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Die Ausbildung des Antriebs für die Lenkdrähte mit der räumlich verstellbaren Taumelscheibe, an der alle vier Lenkdrähte gelagert sind, hat den Vorteil, dass dies eine räumlich kompakte Bauweise ermöglicht und nur ein Bauteil bewegt werden muss, um alle Lenkdrähte ansprechen zu können. Diese Konstruktion bringt mit sich, dass die Verwendung einer nur geringen Anzahl von Lenkdrähten möglich ist, und dass die als Antrieb für die Lenkdrähte dienende räumlich verstellbare Scheibe manuell zu betätigen ist, was beides die Feinfühligkeit und Reproduzierbarkeit der Verstellung der distalseitigen Schwenkglieder beeinflusst.
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Ferner ist aus
DE 10 2019 121 092 A1 bekannt, in einem chirurgischen Instrument mit einem kompakten Lenkgetriebe die Stellwinkel von zwei Antrieben direkt auf die Taumelscheibe zu übertragen, um diese zur Steuerung der Werkzeugspitze auszurichten. Dazu werden an der Taumelscheibe Lenkdrähte befestigt, sodass sich die Werkzeugspitze durch Ausrichtung der Taumelscheibe stufenlos und flüssig steuern lässt. Dazu weist das bekannte Lenkgetriebe zwei um 180° zueinander versetzte Antriebskegelräder auf, die auf einer gemeinsamen Drehachse, die senkrecht zu einer Instrumentenlängsachse verläuft, angeordnet und mit jeweils einem zugeordneten Motor gekoppelt sind. Die Taumelscheibe ist zwischen den Antriebskegelrädern angeordnet und in einem Lenkring gelagert, der drehfest mit einem dritten Kegelrad verbunden ist, das mit den beiden Antriebskegelrädern in Eingriff steht und um eine Drehachse drehbar ist, die senkrecht zu der Instrumentenlängsachse und senkrecht zu der gemeinsamen Drehachse der Antriebskegelräder verläuft. Die Verzahnungskette wird durch ein viertes Kegelrad ergänzt, das auf der Drehachse des dritten Kegelrads um 180° versetzt zum dritten Kegelrad angeordnet ist und mit den beiden Antriebskegelrädern in Eingriff steht, wobei der Lenkring frei drehbar im vierten Kegelrad gelagert ist. Auf diese Weise wird eine geschlossene Verzahnung gebildet, die den Eingriff aller Kegelräder miteinander sichert und eine gleichmäßig umlaufende Kraftverteilung ermöglicht.
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Die Ausbildung des Antriebs für die Lenkdrähte mit der räumlich verstellbaren Taumelscheibe, an der alle Lenkdrähte gelagert sind, hat den Vorteil, dass dies eine räumlich kompakte Bauweise ermöglicht und nur ein Bauteil bewegt werden muss, um alle Lenkdrähte ansprechen zu können.
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In der
US 7 699 855 B2 ist ein chirurgisches Instrument offenbart, das eine Schnittstelle aufweist, um das Instrument mit einem Roboter-Arm verbinden zu können. Dabei sind alle Antriebe, die das Instrument steuern, in dem Roboter-Arm angeordnet. Die Übertragung der Drehwinkel von Antrieben zum Instrument erfolgt über Kupplungsscheiben in einer gemeinsamen Trenn-Ebene. Die
WO 2014/004242 A1 beschreibt ebenfalls eine solche Schnittstelle, wobei die Antriebe in dem Roboter-Arm verbaut sind. Die vorstehenden Konstruktionen sind mit einem komplexen Aufbau und einer indirekten Ansteuerung verbunden. Die Antriebe sind nicht in dem chirurgischen Instrument direkt angeordnet, womit die Ansteuerung der Taumelscheibe nicht linear erfolgt.
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Auch
US 10 105 128 B2 offenbart eine Ansteuerung einer solchen Werkzeugspitze; dort erfolgt dies über eine Mechanik, die Zahnscheiben-Segmente und Gelenkstangen umfasst, um die Bewegung der Antriebe auf die Taumelscheibe zu übertragen.
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Durch den konstruktiv komplexen Aufbau sind Steuerung und Regelung der Antriebe ebenfalls komplex.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein steuer- und regelbares Lenkgetriebe bereitzustellen, dass eine exakte Führung des Lenkrings ermöglicht und weniger komplex ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe der Bereitstellung eines chirurgischen Instruments, das eine exakte Führung des Lenkrings erlaubt, wird durch das chirurgische Instrument mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, die Führung des Lenkrings eines Lenkgetriebes exakt zu regeln, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst.
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Weiterbildungen des Lenkgetriebes, des chirurgischen Instruments und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform des Lenkgetriebes ist dieses für die Betätigung eines chirurgischen Instruments ausgebildet. Dieses ist am proximalen Ende eines Schafts anordenbar, der eine Längsachse B definiert und am distalen Ende eine Abwinkelungsmechanik aufweist. Dabei hat das Lenkgetriebe zwei steuer- und regelbare motorisierte Antriebe und ist dazu ausgebildet, die Stellwinkel der zwei Antriebe auf eine räumliche Ausrichtung einer Taumelscheibe zu übertragen. Die Taumelscheibe ist ferner dazu ausgestaltet, dass es die distale Abwinkelungsmechanik des chirurgischen Instruments steuert. Erfindungsgemäß ist die Taumelscheibe in einem Lenkring angeordnet. Der erste der zwei steuer- und regelbaren motorisierten Antriebe weist eine von einem ersten Motor angetriebene erste Antriebswelle auf, die mit dem Lenkring über einen ersten Kraftübertrager direkt in Wirkverbindung steht, indem der erste Kraftübertrager unmittelbar den Lenkring an einem Wirkabschnitt kontaktiert. Hierzu ist der erste Kraftübertrager auf der ersten Antriebswelle angeordnet, die eine erste Antriebsachse C definiert. Ferner hat der zweite der zwei steuer- und regelbaren motorisierten Antriebe eine von einem zweiten Motor angetriebene zweite Antriebswelle, die mit dem Lenkring über einen zweiten Kraftübertrager direkt in Wirkverbindung steht, indem der zweite Kraftübertrager unmittelbar den Lenkring an dem Wirkabschnitt kontaktiert. Dabei ist der zweite Kraftübertrager auf der zweiten Antriebswelle angeordnet, die eine zweite Antriebsachse C' definiert.
Der Lenkring ist an einer Befestigungsvorrichtung kardanisch aufgehängt, die an ihren kardanischen Achsen Lagesensoren zur Erfassung von Raumwinkelwerten des Lenkrings aufweist.
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„Kraftübertrager“ meint hierbei jedes Bauteil, das die von Motoren initiierte Bewegung, egal ob rotatorisch oder linear, direkt aufnimmt und auf den Wirkabschnitt des Lenkrings weitergeben kann. Es sind reibschlüssige Lösungen möglich, wobei mittels eines Reibelements, wie bspw. eines Gummirings, die Drehung der jeweiligen Antriebswelle auf den Lenkring übertragen werden kann. Ferner sind Lösungen mit Zahnrädern, gezahnten Antriebskegelköpfen, die in Eingriff stehen mit Zahnungen im Wirkabschnitt des Lenkrings, möglich. Es ist jede Art direkter Kraftübertragung denkbar.
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„Kardanische Achsen“ bedeutet hierin lotrecht aufeinander stehende Achsen, die durch die Dreh- und Kippachsen der kardanischen Aufhängung des Lenkrings, genauer, der Befestigungsvorrichtung des Lenkrings definiert werden. Diese Achsen kreuzen sich an einem Punkt, dem sogenannten „kardanischen Zentrum“, der dem Symmetriezentrum des Lenkrings entspricht. Um diese Achsen wird der Lenkring in seiner Aufhängung um bestimmte Raumdrehwinkelwerte gedreht, sodass sich bei überlagerten Drehungen der Lenkring im Raum verkippt. Über die Taumelscheibe wird die Verkippung des Lenkrings direkt auf die Lenkdrähte übertragen.
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„Wirkabschnitt“ ist hierbei der Bereich des Lenkrings, der mit dem Kraftübertrager eine kraftübertragende Wirkverbindung eingehen kann, also direkt in Kontakt mit dem Kraftübertrager ist, bspw. durch eine Reibschluss-Wirkverbindung mittels Reibelemente, oder in Eingriff steht, bspw. durch eine Verzahnung oder andere geeignete kraftübertragende Wirkverbindungen.
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Die Lagesensoren ermöglichen es hierbei, die Raumdrehwinkelwerte, d. h. die Winkelstellung des Lenkrings in Bezug auf die kardanischen Achsen direkt an der Dreh- oder Kippachse der kardanischen Aufhängung des Lenkrings zu erfassen und somit die Lage des Lenkrings im Raum exakt zu bestimmten. Auch möglicher Schlupf kann festgestellt werden, so insbesondere, wenn eine erfasste Verkippung des Lenkrings von einer vorbestimmten Verkippung abweicht. Dies kann mittels der Lagesensoren erfasst werden.
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Vorteilhaft kann der Lenkring, der die Taumelscheibe umfasst, mittels der Antriebsmotoren direkt angesteuert werden. Dies erfolgt über die Kraftübertrager, die direkt auf den Antriebswellen der Motoren sitzen. Es sind keine weiteren Umlenkmechanismen oder Getriebeübersetzungen notwendig, sodass die kürzest mögliche Übertragungskette ermöglicht wird. Eine solche direkte Kraftübertragung, die ein lineares Übertragungsverhalten zeigt, ermöglicht eine einfache softwaretechnische Steuerung, sodass eine präzise Steuerung des zu steuernden Bauteils erreicht wird. Mittels der über die Lagesensoren erfassbaren Raumdrehwinkelwerte kann dann die Steuerung durch direktes Regeln der Antriebsmotoren noch verfeinert werden.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sieht vor, dass die Befestigungsvorrichtung ein Gehäuse und einen Bügel aufweist, wobei der Bügel an der Seite des Lagerrings angeordnet ist, die von dem Wirkabschnitt abgewandt ist. Der Bügel ist beidenends an dem Gehäuse mittels Lagerstiften gelagert und hat mittig eine Aufnahmeöffnung, wobei der Lenkring um die Drehachse drehbar in der Aufnahmeöffnung gelagert ist. Die Taumelscheibe kann dabei fest mit dem Lenkring verbunden sein, drehbar in dem Lenkring gelagert sein oder auch einteilig mit dem Lenkring sein, sodass ein kombiniertes Bauteil aus Lenkring und Taumelscheibe entsteht.
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Der Lenkring kann sich durch die Halterung in dem Bügel ausschließlich um seine Quer- und Hochachse inklusive Überlagerungen drehen. Damit wird die jeweils räumliche Position des Lenkrings definiert und eine Drehung um die Hauptachse unterbunden. Durch die genannte Aufhängung mittels Bügel kann der Lenkring konstruktiv einfach kardanisch aufgehängt werden und kann präzise gesteuert werden. Zudem ist der Lenkring, weil der Bügel diesen überspannt, auch zusätzlich gehaust und geschützt.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sieht vor, dass die Lagesensoren Winkelsensoren oder 3D-Hallsensoren sind. Als Winkelsensoren sind Drehsensoren, wie bspw. Potentiometer oder andere Widerstandsmesssensoren geeignet. Bei Verwendung von zwei Winkelsensoren ist für jede kardanische Achse, in diesem Falle die Drehachse D des Lenkrings und die Drehachse A des Bügels, ein eigener Sensor zu verbauen. In Summe können diese beiden Sensoren zusammen die räumliche Auslenkung des Lenkrings vollständig erfassen. Es ist auch die Anordnung weiterer Sensoren an anderen Stellen des Lenkgetriebes möglich.
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Ferner sieht noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes vor, dass das Gehäuse eine Basis mit Durchtrittsöffnungen für die Antriebswellen aufweist. Dabei hat das Lenkgetriebe einen mehrteiligen Magnetsensor, dessen einer Teil zwischen den Durchtrittsöffnungen in der Basis des Gehäuses angeordnet ist und dessen zweiter Teil über dem ersten Teil schwebend in dem Lenkring vorliegt. „Schwebend“ bedeutet hier, dass der erste Teil und der zweite Teil des mehrteiligen Magnetsensors nicht direkt miteinander verbunden sind, sondern eine Lücke zwischen beiden Teilen vorliegt, d. h. der zweite Teil ist oberhalb des ersten Teils beabstandet angeordnet. Der mehrteilige Magnetsensor besteht daher aus einem Teil, der fest in dem Gehäuse angeordnet ist, und einem anderen Teil, der die Bewegung des Lenkrings mitmacht. Der erste Teil des Magnetsensors kann hierbei die Veränderung des zweiten Teils des Magnetsensors als Lageänderung erfassen. Hier sind verschiedene Sensoren möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform des Lenkgetriebes ist der erste Teil des mehrteiligen Magnetsensors ein 3D-Hall-Sensor, und der zweite Teil ein Stabmagnet, der in einer Ausnehmung des Lenkrings angeordnet ist. Mittels dieser Anordnung kann eine Winkelstellung des Lenkrings (und somit seine Lage im Raum) durch einen einzelnen Lagesensor erfasst werden: Bewegt sich der Stabmagnet, wird in dem Hallsensor eine Magnetfeldänderung bewirkt, die direkt in Relation mit einem Drehwinkel des Stabmagneten und damit dem Drehwinkel des Lenkring steht. Die Orientierung des Stabmagneten kann geeignet gewählt werden, wobei bevorzugt der Stabmagnet parallel zu der Hauptachse B ausgerichtet ist. Diese Orientierung ist optimal für die zu erfassende Winkel der Auslenkung des Lenkrings.
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Eine noch weitere Ausführungsform des Lenkgetriebes kann vorsehen, dass die Motoren je eine Motorregel- und -steuereinheit, ein Motorgetriebe, einen mit der jeweiligen Antriebswelle verbundenen Drehgeber und bevorzugt eine Rutschkupplung aufweisen. Das Lenkgetriebe kann damit direkt angesteuert und geregelt werden.
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Nach der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments, das einen Schaft, eine am proximalen Ende des Schaftes angeordnete Betätigungseinheit und ein am distalen Ende des Schaftes angeordnetes Werkzeug mit einer mittels einer distalen Abwinkelungsmechanik abwinkelbaren Werkzeugspitze hat, die durch eine mittels zweier steuer- und regelbarer Antriebe räumlich ausrichtbare Taumelscheibe steuerbar ist, weist das chirurgische Instrument ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe zur räumlichen Ausrichtung der Taumelscheibe auf.
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Durch das erfindungsgemäße kompakte Lenkgetriebe kann das chirurgische Instrument konstruktiv einfach und platzsparend aufgebaut werden, sodass eine einfache Verbindung zu einem Roboter-Arm ermöglicht werden kann, bei der die Bewegung der Antriebe direkt auf die Werkzeugspitze übertragen werden kann. Die Folge ist, dass das chirurgische Instrument exakt gesteuert werden kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform des chirurgischen Instruments ist dieses mit einer Regel- und Steuerungseinheit oder alternativ einer externen Datenverarbeitungseinheit operativ gekoppelt. Die Regel- und Steuerungseinheit kann in dem chirurgischen Instrument verbaut sein oder sich außerhalb, bspw. in einem Roboter-Arm, mit dem das chirurgische Instrument verbunden werden soll, befinden. Damit lässt sich eine steuerbare Verwendung realisieren, je nach konstruktiver Anordnung und Aufbau des chirurgischen Instruments.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Lage eines Lenkrings eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes an sich und des Lenkgetriebes, wenn es Teil eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments ist,
umfasst die Schritte:
- - Übertragen vorbestimmter Sollwerte von Antriebswinkeln in Bezug auf eine Winkelstellung bzw. Rotation der Antriebswellen der steuer- und regelbaren motorisierten Antriebe an die Motorregel- und -steuereinheit jedes Motors und in Drehung Versetzen der Antriebswelle,
- - in Gang Setzen des Lenkgetriebes und Bewegen des Lenkrings in dem Lenkgetriebe durch das Drehen der Antriebswelle,
- - dabei Erfassen der Auslenkung des Lenkgetriebes durch Erfassen der Raumwinkelwerte des Lenkrings mittels der Lagesensoren und Übertragen der erfassten Raumwinkelwerte an die Motorregel- und -steuereinheit,
- - mittels der Motorregel- und -steuereinheit Umrechnen der erfassten Raumwinkelwerte des Lenkrings in Istwerte der Antriebswinkel in Bezug auf eine Winkelstellung bzw. Rotation der Antriebswellen,
- - mittels der Motorregel- und -steuereinheit Vergleichen von Soll- und Istwerten der Antriebswinkel in Bezug auf eine Winkelstellung bzw. Rotation der Antriebswellen und bei Abweichung der Werte voneinander abhängig von der Abweichung der Soll- und Istwerte der Antriebswinkel Korrigieren der Winkelstellung bzw. der Rotation der Antriebswellen.
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Vorteilhaft kann das Verfahren einen möglichen Schlupf der Kraftübertragung von den Antriebswellen auf den Lenkring erfassen und so Diskrepanzen in der Ansteuerung vermeiden. Die Steuerung des Lenkgetriebes und des chirurgischen Instruments wird dadurch korrigierbar, exakt und reproduzierbar, gerade bei der Verwendung mit einer direkten Kraftübertragung, wie es das erfindungsgemäße Lenkgetriebe beschreibt.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens sieht den weiteren Schritt vor: Gleichzeitig durch das Drehen der Antriebswellen Erzeugen eines Signals in dem Drehgeber, wobei das Signal des Drehgebers an die Motorregel- und -steuereinheit zurückgegeben wird. Der Drehgeber gibt die zusätzliche Information an die Motorsteuer- und -regeleinheit zurück, sodass überprüft werden kann, ob die Sollwerte korrekt übernommen wurden und die Antriebswellen die korrekten Drehwinkelwerte vorgeben. Es bietet einen zusätzlichen Parameterabgriff, um die Regelung der Bewegung des Lenkrings noch weiter zu verbessern.
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Weitere Ausführungsformen des Lenkgetriebes, des chirurgischen Instruments und des Verfahrens sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht des chirurgischen Instruments mit schematisch dargestellter Betätigungseinheit,
- 2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes,
- 3 eine Detailansicht des Lenkgetriebes aus 2 mit Gehäuse und Bügel im Halbschnitt,
- 4 eine Detailansicht weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit Taumelscheibe und Lenkring im Halbschnitt, und
- 5 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung der Lage des Lenkrings.
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1 zeigt schematisch ein chirurgisches Instrument 1 mit einem hohlen Schaft 2, einer am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 angeordneten, nur schematisch dargestellten Betätigungseinheit 4 und einer am distalen Ende 5 des Schaftes 2 angeordneten Werkzeugspitze 6 mit einem Werkzeug 7. Das Werkzeug 7 ist über ein axial verschiebbar im Schaft 2 gelagertes Betätigungselement 8 betätigbar, das proximalseitig mit der Betätigungseinheit 4 in Wirkverbindung steht. Bei der Betätigungseinheit 4 kann es sich um eine manuell betätigbare Handhabe oder aber um eine für den robotischen Einsatz ausgelegte, also auch ohne manuelles Zutun betätigbare Baueinheit handeln - was vorteilhaft für die Reproduzierbarkeit der Betätigung ist. Bei dem Werkzeug 7 der Werkzeugspitze 6 kann es sich beispielsweise um ein mit Maulteilen versehenes Werkzeug, wie in 1 dargestellt, oder aber um ein Endoskop, einen Applikator oder dergleichen handeln. Die Werkzeugspitze 6 ist über einen Gelenkmechanismus 9 relativ zur Längsachse B des Schaftes 2 verschwenkbar, wobei der Gelenkmechanismus 9 aus am distalen Ende 5 des Schaftes 5 angeordneten Schwenkgliedern 11 besteht, die über in Längsrichtung des Schaftes 2 verlaufende Lenkdrähte 12 so mit einem am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 angeordneten Antrieb 13 verbunden sind, dass eine Bewegung des proximalseitigen Antriebs 13 eine entsprechende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder 11 und somit ein Verschwenken der Werkzeugspitze 6 verursacht. Auch wenn voranstehend und nachfolgend nur der Begriff Lenkdrähte 12 verwendet wird, können funktional auch Lenkseile verwendet werden, weshalb der verwendete Begriff Lenkdrähte 12 synonym auch als Lenkseil zu lesen und zu verstehen ist.
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Das axialverschiebbar im Schaft 2 gelagerte Betätigungselement 8 zum Betätigen des beispielsweise aus zwei Maulteilen bestehenden Werkzeugs 7 ist bei der dargestellten Ausführungsform als Zug-/Schubstange ausgebildet.
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Der Antrieb 13 für die Lenkdrähte 12 kann bei dem erfindungsgemäßen chirurgisches Instrument 1 als motorisierter Antrieb 13 ausgebildet sein, der eine räumlich verstellbare Taumelscheibe 14 aufweist, die kardanisch über Bauteile wie Bügel oder Lenkringe gelagert ist, um die Taumelscheibe 14 dreidimensional relativ zur Längsachse B des Schaftes 2 zu verlagern. Dabei sind die Lenkdrähte 12 derart an der Taumelscheibe 14 gelagert bzw. befestigt, dass eine über den motorisierten Antrieb 13 bewirkte Verlagerung der Taumelscheibe 14 über die Lenkdrähte 12 ein Verschwenken der Werkzeugspitze 6 bewirkt. Die Anzahl der zu verwendenden Lenkdrähte 12 für einen motorisierten Antrieb 13 ist frei wählbar. Die parallel zur Längsachse B des Schaftes 2 verlaufenden Lenkdrähte 12 der Taumelscheibe 14 können über Fächerscheiben (nicht dargestellt) oder ein die Lenkdrähte 12 aufweitendes Führungselement (nicht dargestellt) in den Schaft 2 zu geführt werden.
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Das chirurgische Instrument 1 bzw. wesentliche bewegliche Teile davon sind elektronisch mit einer Steuer- und Regeleinheit verbunden. Diese kann in einem Gehäuse des chirurgischen Instruments 1 oder einem mit dem chirurgischen Instrument 1 zu verbindenden Roboter-Arm angeordnet sein.
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Das in 2, 3 und 4 gezeigte erfindungsgemäße Lenkgetriebe 13 hat ein Gehäuse 20, das im Wesentlichen aus zwei sich gegenüberliegender seitlichen Gehäuseteilen 20a, 20b und einer Gehäusebasis 20c gebildet ist. Die seitlichen Gehäuseteile 20a, 20b bilden eine Lagerung für einen Bügel 15, der über Lagerstifte 18a, 18b drehbar in entsprechenden Bohrungen in den seitlichen Gehäuseteilen 20a, 20b, hier Durchtrittsbohrungen, gelagert ist. Zwischen den seitlichen Gehäuseteilen 20a, 20b ist die Taumelscheibe 14 angeordnet, die von einem Lenkring 19 entlang ihres Umfangs umgeben ist.
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Der Lenkring 19 wird von dem Bügel 15 überspannt und ist in einer Durchgangsöffnung 22 in dem Bügel 15 mittels eines Lagerrings 21 drehbar um eine Drehachse D gehalten. Dazu weist der Lenkring 19 einen Haltestutzen 29 auf, der in dem Lagerring 21 gehalten ist.
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Unterhalb der Gehäusebasis 20c des Gehäuses 20 sind zwei Motoren 17, 17' angeordnet, deren Antriebsachsen C, C' parallel zueinander sind und in der dargestellten neutralen Stellung des Lenkrings 19 parallel zu der Drehachse D des Lenkringes 19. Die Motoren 17, 17' weisen Antriebswellen 17a, 17b auf, die sich durch Durchgangsöffnungen 28 in der Gehäusebasis 20c erstrecken.
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2, 3 und 4 zeigen, dass auf den Antriebswellen 17a, 17b Kraftübertrager 16, 16' angeordnet sind, die die Rotationsbewegung der Antriebswellen 17a, 17b in eine Dreh-/Kippbewegung auf den Lenkring 19 übertragen. Jeder Kraftübertrager 16, 16' ist mit dem Lenkring 19 gekoppelt, vorzugsweise in einem in den Figuren gezeigten unteren Bereich des Lenkrings 19, der dort einen Wirkabschnitt W bildet. In dem Wirkabschnitt W findet die direkte Kraftübertragung zwischen Kraftübertrager 16, 16' und Lenkring 19 statt. Der Lenkring 19 ist dabei eine Teilkugelschale und hat damit insbesondere in dem Wirkabschnitt W eine teilsphärische Form, um seine Bewegungen zu koordinieren. Die Bewegungen werden durch die Kraftübertrager 16, 16' initiiert, die in Bezug auf die Drehachse D des Lenkrings 19 achsparallel angeordnet sind. Die Drehachse D und die Drehachse A des Bügels 15 kreuzen einander in einem Kreuzungspunkt K, der das kardanische Zentrum der kardanischen Aufhängung bildet.
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Das in 2 und 3 gezeigte Lenkgetriebe 13 weist an jeder seiner kardanischen Achsen A, D, Lagesensoren 23, 24 auf. Der Lagesensor 23, der mit dem Haltestutzen 29 des Lenkrings 19 verbunden ist, misst die Winkelstellung des Lenkrings 19 in dem Bügel 15 um die Achse D. Der Lagesensor 24, der an der Drehachse A mit dem Lagerstift 18b eingreift, erfasst die Winkelstellung des Bügels 15 um die Achse A. Hierfür eignen sich insbesondere Winkelsensoren, bspw. Potentiometer. Nimmt man beide erfassten Winkelstellungen zusammen, erhält man die Lage des Lenkrings 19 im Raum.
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Mittels elektrischer Verbindungselemente 26, wie z. B. Steckern oder Lötfahnen können die Lagesensoren 23, 24 mit der Steuer- und Regeleinheit des chirurgischen Instruments 1 (1) verbunden werden.
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In 4 ist das Lenkgetriebe 13 mit einem mehrteiligen Magnetsensor 25 ausgestattet. Der mehrteilige Magnetsensor 25 weist einen ersten Teil 25a auf, der zwischen den Durchtrittsöffnungen 28 in der Basis 20c angeordnet ist. Ein zweiter Teil 25b des mehrteiligen Magnetsensors 25 ist über dem ersten Teil 25a in einer Ausnehmung 27 in dem Mantelteil des Lenkrings 19 eingesetzt. Der erste Teil 25a besteht aus einer Elektronik mit einer Platine, die den Basisteil eines 3D-Hallsensor bildet. Der zweite Teil 25b ist ein Stabmagnet, der in der Ausnehmung 27 des Lenkrings 19 ganz aufgenommen ist. Die beiden Teile 25a, 25b sind dabei nicht verbunden, sondern von einander beabstandet, sodass der zweite Teil 25b über dem ersten Teil 25a schwebt. Bewegt sich der Stabmagnet 25b, wird in dem Hallsensor 25a eine Magnetfeldänderung bewirkt, die direkt in Relation mit einem Drehwinkel des Stabmagneten 25b und damit dem Drehwinkel des Lenkrings 19 steht. Die Orientierung des Stabmagneten 25b ist in 4 parallel zu der Hauptachse B ausgerichtet.
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Ferner weist jeder der Motoren 17, 1 7'je eine Motorregel- und -steuereinheit 30, ein Motorgetriebe 31, einen mit jeder Antriebswelle 17a, 17b verbundenen Drehgeber 32 und eine Rutschkupplung 33 auf.
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In 5 ist ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer Lage des Lenkrings schematisiert. Der besseren Übersicht wegen wird nur der für das Verfahren wesentliche Teil erläutert, auf eine vollständige Darstellung eines konventionellen Motor-Regelkreises wurde verzichtet, der Regelkreis ist dem Fachmann bekannt. In einem ersten Schritt werden vorbestimmte Sollwerte von Antriebswinkeln in Bezug auf eine Winkelstellung der Antriebswellen 17a, 17b der Motoren 17, 17' an die Motorregel- und -Steuereinheit 30 jedes Motors 17, 17' übertragen und eine oder beide der Antriebswellen 17a, 17b wird/werden in Drehung versetzt.
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Gleichzeitig wird durch das Drehen der Antriebswelle 17a, 17b durch das Motorgetriebe 31 ein Signal in dem Drehgeber 32 erzeugt, das an die Motorregel- und -steuereinheit 30 zurückgegeben wird.
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Durch Drehen der Antriebswelle 17a, 17b wird das Lenkgetriebe 19 in Gang gesetzt und der Lenkring 19 in dem Lenkgetriebe 13 bewegt.
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Die Drehung des Lenkrings 19 bzw. dessen Drehwinkel oder auch Raumwinkelwerte wird durch die Lagesensoren 23, 24, 25 erfasst und somit die Auslenkung des Lenkgetriebes 13. Diese erfassten Raumwinkelwerte werden an die Motorregel- und -steuereinheit 30 übertragen.
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In der Motorregel- und -steuereinheit 30 wird mittels eines mathematischen Konstrukts, im inversen kinematischen Problem, die erfassten Raumwinkelwerte des Lenkrings 19 in Istwerte der Antriebswinkel der Antriebswellen 17a, 17b rück gerechnet.
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In der Motorregel- und -steuereinheit 30 werden hiernach die Soll- und Istwerte der Antriebswinkel verglichen und bei Abweichung der Werte voneinander, abhängig von der Abweichung der Soll- und Istwerte der Antriebswinkel der Antriebswellen 17a, 17b, die Winkelstellung der Antriebswellen 17a, 17b korrigiert.
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Die korrigierte Winkelstellung wirkt auf den Lenkring 19 und wird damit auf das Lenkgetriebe 13 übertragen, sodass bspw. Schlupf zwischen den Kraftübertragern 16, 16' und dem Lenkring 19 erfasst und verhindert werden kann.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Chirurgisches Instrument
- 2
- Schaft
- 3
- proximales Ende des Schafts
- 4
- Betätigungseinheit
- 5
- distales Ende des Schafts
- 6
- Werkzeugspitze
- 7
- Werkzeug
- 8
- Betätigungselement
- 9
- Gelenkmechanismus
- 10
- Gehäuse
- 11
- Schwenkglieder
- 12
- Lenkdrähte
- 13
- Lenkgetriebe
- 14
- Taumelscheibe
- 15
- Bügel
- 16, 16'
- Kraftübertrager
- 17, 17'
- Motoren
- 17a, 17b
- Antriebswelle Motoren
- 18a, 18b
- Lagerstifte Bügel
- 19
- Lenkring
- 20
- Gehäuse
- 20a, 20b
- seitliche Gehäuseteile
- 20c
- Gehäusebasis
- 21
- Lagerring
- 22
- Öffnung
- 23
- Lagesensor
- 24
- Lagesensor
- 25
- Lagesensor/mehrteiliger Magnetsensor
- 25a
- erster Teil des mehrteiligen Magnetsensors
- 25b
- zweiter Teil mehrteiligen Magnetsensors
- 26
- elektrisches Verbindungselement
- 27
- Ausnehmung
- 28
- Durchgangsöffnung
- 29
- Haltestutzen
- 30
- Motorregel- und -steuereinheit
- 31
- Motorgetriebe
- 32
- Drehgeber
- 33
- Rutschkupplung
- A
- Drehachse Bügel
- B
- Hauptachse Instrument
- C, C'
- Antriebsachsen
- D
- Drehachse Lenkring
- W
- Wirkabschnitt
