DE102022134208B4

DE102022134208B4 - Lenkgetriebe für ein chirurgisches Instrument und damit ausgestattetes chirurgisches Instrument

Info

Publication number: DE102022134208B4
Application number: DE102022134208.5A
Authority: DE
Inventors: Sven Grüner
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-08-14
Anticipated expiration: 2042-12-21
Also published as: DE102022134208A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Lenkgetriebe (10) für ein chirurgisches Instrument (1) bereit, wobei das Lenkgetriebe (10) eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe (8) aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle (19) verbunden ist, die eine Hauptachse (A) definiert, wobei die Taumelscheibe (8) um ein Schwenkzentrum (ZT), das auf der Hauptachse (A) liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse (A) verschwenkbar ist. Die Taumelscheibe (8) ist dabei durch einen Hebelabschnitt (8b) mit einem kugelfömigen Abschnitt (8a) verbunden, wobei ein Zentrum (ZK) des kugelförmigen Abschnitts (8a) von dem Schwenkzentrum (ZT) der Taumelscheibe (8) beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe (8) orthogonale Taumelscheibenachse (T) durch das Schwenkzentrum (ZT) und das Kugelzentrum (ZK) verläuft. Das Lenkgetriebe (10) weist dabei ein zylindrisches Hülsenelement (9), in dem der kugelförmige Abschnitt (8a) aufgenommen ist, und eine parallelkinematische Gelenkarmkette mit vier Armsegmenten (11a, 11b, 12a, 12b) auf, mit der das Hülsenelement (9), dessen Hülsenachse (H) parallel zur Hauptachse (A) orientiert ist, in einer Ebene bewegbar ist, die sich orthogonal zur Hülsenachse (H) erstreckt. Ferner wird ein mit dem Lenkgetriebe (10) ausgestattetes chirurgisches Instrument (1) offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines chirurgischen Instruments sowie ein chirurgisches Instrument, das ein solches Lenkgetriebe aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind chirurgische Instrumente bekannt, die mittels einer Handhabe manuell oder von einem Roboter geführt werden können und am distalen Ende eines länglichen Schafts ein Werkzeug aufweisen, das durch eine Abwinkelungsmechanik aus mehreren, ähnlich einer Wirbelsäule ineinandergreifenden Schwenkgliedern gegenüber dem Schaft, der eine Hauptachse definiert, verschwenkt werden kann. Diese Schwenkglieder sind mit einer Vielzahl Lenkdrähte oder -seile verbunden, um eine feinfühlige Steuerung der Werkzeugspitze zu erreichen. Zur Betätigung können die Lenkdrähte an einer kardanisch gelagerten Taumelscheibe befestigt sein, die sich durch ein Lenkgetriebe räumlich ausrichten lässt.
Aus der US 10 105 128 B2 ist bekannt, eine über Lenkdrähte mit einer Abwinkelungsmechanik verbundene, kardanisch gelagerte Taumelscheibe mit zwei parallelen Stangen zu betätigen. Dazu weisen die Stangen an einem Ende eine Kugelpfanne zur Aufnahme eines mit der Taumelscheibe gekoppelten Kugelelements auf. An ihrem anderen Ende sind diese Kugelgelenkstangen über Drehgelenke mit jeweils einem durch ein Antriebszahnrad betätigten Zahnradquadranten verbunden, um die Kugelgelenkstangen zur Ausrichtung der Taumelscheibe linear vor und zurück zu bewegen. Die beiden Antriebszahnräder werden jeweils von einem Antrieb angesteuert, dessen Achse windschief zur Hauptachse verläuft.
Ein Lenkgetriebe mit einer Taumelscheibe, die nicht nur räumlich ausgerichtet, sondern auch um die Schaftachse rotieren kann, wird in DE 10 2019 121 092 A1 offenbart. Die Taumelscheibe ist mittels einer Kreuzgelenkscheibe und zweier orthogonaler Achspaare kardanisch mit einer drehbaren Hauptwelle verbunden und kann daher mit der Hauptwelle um die Schaftachse rotiert werden. Zur räumlichen Ausrichtung der Taumelscheibe wird ein Differentialgetriebe mit zwei gegenüberliegenden Antriebskegelrädern und einem Abtriebskegelrad einsetzt, das mit den Antriebskegelrädern in Eingriff steht und mit der Taumelscheibe gekoppelt ist. Dazu ist die Taumelscheibe drehbar in einem Lenkring gelagert, der mit dem Abtriebskegelrad drehfest verbunden ist. Auf diese Weise werden die Stellwinkel der Antriebe, die mit den Antriebskegelrädern verbunden sind, direkt auf die Taumelscheibe übertragen, um die Werkzeugspitze entsprechend auszurichten bzw. abzuwinkeln.
Die hierbei eingesetzte gegenüberliegende Anordnung der Antriebe auf der Antriebsachse der Antriebskegelräder orthogonal zur Hauptachse ist allerdings ungeeignet zur Verwendung in einem kompakten Chirurgie-Roboter mit trennbarer Schnittstelle. Mit zusätzlichen Getriebeelementen können zwar die Antriebe abweichend zu der Antriebsachse der Antriebsräder orientiert werden, allerdings liegen die Antriebe dann auch entweder windschief oder orthogonal zur Hauptachse.
Es hat sich nun nach vielen Jahren Roboter-Chirurgie eine Anordnung der Antriebe parallel zur Hauptachse als besonders vorteilhaft und günstig in der Anwendung herausgestellt, wie in der US 10 806 530 B2 beschrieben wird. Bei dem dort offenbarten Getriebekonzept sind alle fünf Antriebe achsparallel zum Instrumentenschaft, der die Hauptachse definiert, angeordnet, und deren Bewegung wird durch Seilzüge oder Stirnverzahnungen in den Schaft übertragen. Allerdings ist dieses Getriebekonzept ungeeignet zur Ansteuerung einer Taumelscheibe, um über Lenkdrähte die Schwenkglieder einer distalen Abwinkelungsmechanik zu bewegen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Lenkgetriebe mit einer ausrichtbaren Taumelscheibe für ein chirurgisches Instrument bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe, ein chirurgisches Instrument mit einem verbesserten Lenkgetriebe bereitzustellen, wird durch das chirurgische Instrument mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst.
Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes, das für ein chirurgisches Instrument ausgebildet ist, weist das Lenkgetriebe eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe auf, die gelenkig mit einer Hauptwelle verbunden ist. Die Hauptwelle definiert eine Hauptachse A, wobei die Taumelscheibe um ein Schwenkzentrum Z_T, das auf der Hauptachse A liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse A verschwenkbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei die Taumelscheibe durch einen Hebelabschnitt mit einem kugelförmigen Abschnitt verbunden, wobei ein Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts von dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe orthogonale Taumelscheibenachse T durch das Schwenkzentrum Z_T und das Kugelzentrum Z_K verläuft. Ferner weist das Lenkgetriebe ein zylindrisches Hülsenelement, in dem der kugelförmige Abschnitt aufgenommen ist, und eine parallelkinematische Gelenkarmkette mit vier Armsegmenten auf, mit der das Hülsenelement, dessen Hülsenachse H parallel zur Hauptachse A orientiert ist, in einer Ebene bewegbar ist, die sich orthogonal zur Hülsenachse H erstreckt. Der in dem Hülsenelement aufgenommene kugelförmige Abschnitt folgt der Bewegung des Hülsenelements, wodurch die mit dem kugelförmigen Abschnitt verbundene Taumelscheibe verschwenkt wird.
Die parallelkinematische Gelenkarmkette weist vorteilhaft wenige, sehr einfache Bauteile auf, die kostengünstig auch in hoher Genauigkeit herstellbar sind. Die durch die parallelkinematische Gelenkarmkette ermöglichte achsparallele Anordnung von Antriebsmotoren ist platzsparend und eignet sich für viele Anwendungsfälle. Dabei kann mit der parallelkinematischen Gelenkarmkette eine hohe Dynamik und Präzision erreicht werden.
Ferner können die Probleme vermieden werden, die im Stand der Technik durch Einsatz eines Differentialgetriebes zur Ausrichtung der Taumelscheibe entstehen, wobei es zu einem fertigungsbedingten Versatz zwischen dem Schwenkzentrum der Taumelscheibe und einem Schwenkzentrum des Differentialgetriebes kommen kann, was zum Verkanten oder Blockieren von Antriebsbauteilen bis hin zu deren Verformungen oder Beschädigungen führen kann.
Als „kugelförmig“ werden vorliegend sämtliche Formen verstanden, deren Oberfläche zumindest teilweise Kugelform aufweist. D. h., dass der kugelförmige Abschnitt, der über den zur Taumelscheibenachse T koaxialen Hebelabschnitt mit der Taumelscheibe verbunden, beispielsweise einstückig gefertigt ist, die Form einer Kugel, eines Kugelabschnitts oder einer Kugelscheibe haben kann. Das Zentrum des kugelförmigen Abschnitts, der die Form einer Kugel hat, entspricht dem Mittelpunkt der Kugel. Bei einem kugelförmigen Abschnitt in Form eines Kugelabschnitts oder einer Kugelscheibe entspricht das Zentrum des kugelförmigen Abschnitts dem Mittelpunkt einer Kugel, die aus dem Kugelabschnitt bzw. der Kugelscheibe ergänzt werden kann. Sofern es der Bauraum gestattet, ist ein möglichst langer Hebelabschnitt bzw. ein möglichst großer Abstand zwischen dem Schwenkzentrum der Taumelscheibe und dem Zentrum des kugelförmigen Abschnitts vorteilhaft, um hohe Lenkmomente und Präzision zu erreichen. Als Hülsenelement wird ein röhrenförmiges, hohlzylindrisches Bauteil verstanden, das einen kreiszylindrischen Aufnahmeraum begrenzt, der zumindest an einem Ende (an einer Grundseite des Zylinders) zur beweglichen Aufnahme des kugelförmigen Abschnitts geöffnet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes weist die parallelkinematische Gelenkarmkette zwei erste Armsegmente und zwei zweite Armsegmente auf. Die ersten Armsegmente sind einerseits mit jeweils einem Motor verbunden, dessen Antriebsachse B1, B2 parallel zur Hauptachse A liegt. Andererseits sind die ersten Armsegmente unter Bildung jeweils eines Zwischengelenks mit den zweiten Armsegmenten verbunden. Die zweiten Armsegmente wiederum sind unter Bildung eines Zentralgelenks gelenkig miteinander verbunden, wobei das Hülsenelement in dem Zentralgelenk quasi als Gelenkzapfen drehbar aufgenommen ist.
Zur Verbindung mit den Motoren sind die ersten Armsegmente direkt an den Motorwellen befestigt, die die Antriebsachsen B1, B2 definieren, sodass die ersten Armsegmente um die Antriebsachsen B 1, B2 gedreht werden können. Die beiden Motoren, bei denen es sich vorzugsweise um Getriebemotoren handelt, sind ortsfest in Bezug auf ein Gehäuse des Lenkgetriebes angeordnet, sodass die Gelenkarmkette mit den vier Armsegmenten durch eine Gehäusekomponente geschlossen wird und eine Fünfgelenkkinematik bildet. Sämtliche Drehgelenke, d. h. Zentralgelenk, Zwischengelenke und die Verbindungen zu den Motoren, können in einer bevorzugten Weiterbildung als einwertiges Lager ausgebildet sein, das bis auf die Rotation um die jeweilige zur Hauptachse A parallele Drehachse (Antriebsachse, Zwischengelenkachse, Hülsenachse) alle weiteren fünf Freiheitsgrade bindet. Es versteht sich, dass sich die Gelenke an den Enden der Armsegmente befinden, bzw. die Armsegmente einen vorbestimmten Abstand (Hebelarm) zwischen den Gelenken bzw. den jeweiligen Drehachsen bereitstellen. Vorteilhaft und kosteneffektiv können sowohl die ersten Armsegmente als auch die zweiten Armsegmente jeweils baugleich sein, sodass die Gelenkarmkette symmetrisch zum Zentralgelenk ist. Es ist aber auch möglich, dass die ersten Armsegmente und/oder die zweiten Armsegmente nicht als Gleichbauteile ausgeführt sind, sodass sich eine unsymmetrische Gelenkarmkette ergeben kann.
Ferner kann das erfindungsgemäße Lenkgetriebe gemäß einer weiteren Ausführungsform vorsehen, dass das Hülsenelement entweder drehbar in beiden zweiten Armsegmenten gelagert ist, oder mit einem der beiden zweiten Armsegmente fest verbunden und in dem anderen der beiden zweiten Armsegmente drehbar gelagert ist. Zur drehbaren Lagerung können Wälzlager, vorzugsweise Kugellager, eingesetzt werden, wobei vorteilhaft auf Lagerinnenringe verzichtet werden kann, wenn die Außenfläche des Hülsenelements als Lauffläche für die Wälzkörper ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann auch auf Lageraußenringe verzichtet werden, wenn die Innenfläche einer Lageröffnung den zweiten Armsegmenten bzw. in dem zweiten Armsegment ohne Hülsenelement, ebenfalls als Lauffläche für die Wälzkörper ausgebildet ist.
Die zweiten Armsegmente können nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes als Pleuelstangen ausgebildet sein, die mit den Pleuelaugen an beiden Enden entsprechende Lageröffnungen für das Zentralgelenk und die Zwischengelenke bereitstellten. Die ersten Armsegmente können, je nach Ausführung des mit der Taumelscheibe verbundenen Hebel- und Kugelabschnitts, ebenfalls als Pleuelstangen oder als Exzenterscheiben ausgebildet sein. Sind die ersten Armsegmente ebenfalls als Pleuelstangen ausgeführt, dienen die endständigen Pleuelaugen als Lageröffnungen zur Aufnahme der Motorwelle und zur Aufnahme eines Gelenkzapfens, der das Zwischengelenk mit dem zweiten Armsegment bereitstellt. Exzenterscheiben, die exzentrisch mit der Motorwelle verbunden werden, können als erste Armsegmente vorzugsweise dann eingesetzt werden, wenn der Hebelabschnitt zwischen Taumelscheibe und kugelförmigem Abschnitt relativ kurz ist, was mit höheren Kräften am kugelförmigen Abschnitt verbunden ist. Zur Ausbildung des Zwischengelenks kann die Exzenterscheibe dann direkt in einem der Pleuelaugen der Pleuelstange aufgenommen werden, die als zweites Armsegment eingesetzt wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe kann einerseits ein kreisförmiger Arbeitsraum D des Hülsenelements in seiner Bewegungsebene definiert werden, innerhalb dessen der Eingriff mit dem kugelförmigen Abschnitt besteht, der sich auf einer Kreisbahn bzw. auf einer Kugeloberfläche um das Schwenkzentrum der Taumelscheibe bewegt. Andererseits kann ein Arbeitsraum G der parallelkinematischen Gelenkarmkette definiert werden, innerhalb dessen die im Zentralgelenk befindliche Hülse von der Gelenkarmkette bewegt werden kann. Dabei ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes vorgesehen, dass der kreisförmige Arbeitsraum D des Hülsenelements vollständig innerhalb des Arbeitsraum G der parallelkinematischen Gelenkarmkette liegt. Zur Vermeidung von Singularitäten können dabei die Außengrenzen des Arbeitsraumes G der parallelkinematischen Gelenkarmkette geringfügig außerhalb des kreisförmigen Arbeitsraum D des Hülsenelements liegen und nirgends deckungsgleich sein. Dies wird erreicht, indem ein Abstand der Antriebsachsen B1, B2 und eine Länge L1 der ersten Armsegmente und eine Länge L2 der zweiten Armsegmente in Abhängigkeit eines Radius R zwischen dem Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts und dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe aufeinander abgestimmt bemessen werden. Denn der kreisförmige Arbeitsraum D des mit dem kugelförmigen Abschnitt in Eingriff stehenden Hülsenelements hängt von dem Radius R ab, mit dem sich der kugelförmige Abschnitt um das Taumelscheibenzentrum bewegt. Der Arbeitsraums G der parallelkinematischen Gelenkarmkette ergibt sich aus dem Abstand der Antriebsachsen B1, B2 und den Längen L1, L2 der ersten und zweiten Armsegmente.
Die gelenkige Verbindung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle sorgt für eine eindeutige Positionierung des Schwenkzentrums Z_T der Taumelscheibe auf der Hauptachse A. In Neutralstellung der Taumelscheibe, in der die Scheibenebene orthogonal zu der Hauptachse A steht, sind die Taumelscheibenachse T und die Hauptachse A deckungsgleich. Die Anzahl der Freiheitsgrade der in zwei Richtungen bzw. um zwei Drehachsen orthogonal zu der Hauptachse A verschwenkbaren Taumelscheibe richtet sich nach der Art der gelenkigen Verbindung mit der Hauptwelle: Stellt die gelenkige Verbindung auch eine rotative Kopplung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle bereit, sodass die Taumelscheibe mit der um die Hauptachse A rotierende Hauptwelle drehen kann, hat die Taumelscheibe drei rotative Freiheiten, und ohne rotative Kopplung demnach zwei.
Daher bezieht sich eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes darauf, dass die Hauptwelle drehbar angetrieben ist, und die gelenkig verbundene Taumelscheibe rotativ mit der Hauptwelle gekoppelt ist, sodass die Taumelscheibe mit der Hauptwelle rotiert werden kann.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes bezieht sich darauf, dass die Taumelscheibe eine Aufnahmeöffnung aufweist, in der ein Kopplungsabschnitt der Hauptwelle angeordnet ist, an dem die Taumelscheibe gelenkig mit der Hauptwelle verbunden wird. Dabei ist zur Bildung eines Kreuzgelenks eine Kreuzgelenkscheibe vorgesehen, die in der Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe angeordnet ist und eine Scheibenöffnung aufweist, in der der Kopplungsabschnitt der Hauptwelle angeordnet ist. Die Kreuzgelenkscheibe ist über zwei orthogonale Achspaare mit der Taumelscheibe und der Hauptwelle schwenkbar verbunden, wobei der Schnittpunkt der beiden Achspaare das Schwenkzentrum Z_T der so kardanisch gelagerten Taumelscheibe definiert. Vorteilhaft stellt das Kreuzgelenk auch eine rotative Kopplung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle bereit.
Alternativ zum Kreuzgelenk kann die gelenkige Verbindung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle auch durch eine Art Kugelgelenk oder ein anderes Gelenk bereitgestellt werden, das eine kardanische Lagerung der Taumelscheibe, d. h. ein Verschwenken der Taumelscheibe gegenüber der Hauptwelle um zwei zur Hautachse A orthogonale Drehachsen ermöglicht. So kann nach einer weiteren Ausführungsform die gelenkige Verbindung als Kugelgelenk ausgeführt sein, wobei der Kopplungsabschnitt der Hauptwelle eine Kugelform aufweist und die Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe eine an den kugelförmigen Kopplungsabschnitt zumindest teilweise angepasste Kugelinnenkontur aufweist, und quasi als eine umfängliche Kugelscheibenpfanne ausgebildet ist. Das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe wird hier durch den Mittelpunkt der Kugelform des Kopplungsabschnitts definiert.
Eine weitere alternative gelenkige Verbindung kann in einer weiteren Ausführungsform vorsehen, dass die Hauptwelle an dem Kopplungsabschnitt, der Kugelform aufweist, zwei diametrale, sich in Längsrichtung erstreckende Führungsnuten aufweist. In jede Führungsnut greift ein radial in der Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe nach innen weisender Stift ein, wobei die Stifte gleichlang und die Führungsnuten gleich tief sind. Die Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe weist eine zumindest teilweise an die Kugelform des Kopplungsabschnitts angepasste Kugelinnenkontur auf, sodass die in der Aufnahmeöffnung radial nach innen weisenden Stifte in den Führungsnuten beim Verschwenken um die Achse quer zur Hauptachse A einer Kreisbahn folgen. Somit kann sich die Taumelscheibe um die Stiftachse und um eine zu den Führungsnuten orthogonale Achse quer zur Hauptachse A drehen, da die Stifte in die Führungsnuten gekippt werden können. Das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe wir durch den Schnittpunkt der Stiftachse mit der Hauptachse A definiert. Außerdem wird durch den Eingriff der Stifte in die Führungsnuten eine rotative Kopplung bereitgestellt.
Ferner kann nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes die Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe unabhängig von der Ausführung der gelenkigen Verbindung als Durchtrittsöffnung ausgebildet sein, die sich durch die Taumelscheibe, den Hebelabschnitt und den kugelförmigen Abschnitt erstreckt, sodass die Hauptwelle auch durch den Hebelabschnitt und den kugelförmigen Abschnitt geführt werden kann. Auf diese Weise kann die Hauptwelle beidseitig der Taumelscheibe im Gehäuse des Lenkgetriebes gelagert werden. Ferner kann sich dann eine Betätigungsstange zur Betätigung eines Werkzeugs an der distalen Spitze des chirurgischen Instruments durch eine hohl ausgeführte Hauptwelle erstrecken, um mit einem weiteren Betätigungsantrieb verbunden zu werden.
Nach noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes ist eine Passung zwischen dem Hülsenelement und dem kugelförmigen Abschnitt so gewählt, dass der kugelförmige Abschnitt innerhalb des Hülsenelements drehbar und/oder verkippbar ist und/oder dass der kugelförmige Abschnitt in dem Hülsenelement entlang dessen Hülsenachse H bewegbar ist. Der kugelförmige Abschnitt dabei ist vorzugsweise möglichst spielfrei in dem Hülsenelement gleitgelagert. Die Passung von Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts und Innendurchmesser des Hülsenelements kann abhängig von der Werkstoffpaarung an den Kontaktflächen von kugelförmigem Abschnitt und Hülsenelement und der Anwendung als Spielpassung oder Übergangspassung ausgeführt sein, da der theoretische Idealfall mit identischen Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts und Innendurchmesser des Hülsenelements in der Praxis kaum umsetzbar ist. Dabei kann durch entsprechende Wahl der Werkstoffe von kugelförmigem Abschnitt und Hülsenelement, bzw. von Beschichtungen an der Außenfläche des kugelförmigen Abschnitts und an der Innenfläche des Hülsenelements, für eine reibungsarme Werkstoffpaarung der Kontaktflächen gesorgt werden, die die Gleitlagerung bilden. Eine reibungsarme Werkstoffpaarung, ggf. mit Schmierung, gestattet eine Übergangspassung, ansonsten sorgt eine Spielpassung für die Bewegbarkeit des kugelförmigen Abschnitts in dem Hülsenelement.
Ein erfindungsgemäßes chirurgisches Instrument weist gemäß einer ersten Ausführungsform einen Schaft, ein Werkzeug an einem distalen Schaftende und eine Handhabe an einem proximalen Schaftende auf. Die Handhabe umfasst vorteilhaft ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe mit einer Taumelscheibe, die gelenkig mit einer Hauptwelle verbunden ist, die eine Hauptachse A definiert. Die Taumelscheibe ist um ein Schwenkzentrum Z_T, das auf der Hauptachse A liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse A verschwenkbar und mit einer Mehrzahl Lenkdrähte verbunden, die sich entlang der Hauptachse A durch den Schaft zu einer Abwinkelungsmechanik des Werkzeugs erstrecken, die auf diese Weise durch die räumlich ausrichtbare Taumelscheibe ansteuerbar ist. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes werden ein Verkanten oder lokale Blockade von Antriebsbauteilen verhindert, die durch einen fertigungsbedingten Versatz zwischen den Schwenkzentren von Taumelscheibe und deren Antrieb hervorgerufen werden könnten. Belastungen, Verformungen oder Beschädigungen von solchen Bauteilen können vermieden werden, die Präzision der Ansteuerung sowie Bewegungsausmaß bleiben erhalten.
Weitere Ausführungsformen 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. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments mit schematisch dargestellter Handhabe,
2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes ohne Hülsenelement und dessen Antriebsvorrichtung,
3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit verschwenkter Taumelscheibe und einem bewegten Hülsenelement,
4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit der durch die parallelkinematische Gelenkarmkette aus der Neutralstellung bewegten Taumelscheibe,
5 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes aus 4 mit der Taumelscheibe in einer anderen Schwenkstellung,
6 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes aus 5,
7 eine Ansicht von proximaler Seite auf das erfindungsgemäße Lenkgetriebe mit markiertem Arbeitsraum des Kugelzentrums bzw. der Hülse und dem Arbeitsraum der Gelenkarmkette,
8 eine Detailschnittansicht einer durch ein Hülsenelement verschwenkten Taumelscheibe eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes,
9 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit Exzenterscheiben als erste Armsegmente und mit einer durch die Taumelscheibe, den Hebelabschnitt und den kugelförmigen Abschnitt durchgeführten Hauptwelle,
10 eine Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes entlang Schnittlinie J-J aus 9,
11 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes aus 9,
12 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes aus 9 mit der Taumelscheibe in einer anderen Schwenkstellung.

In 1 ist ein chirurgisches Instrument 1 mit einem hohlen Schaft 2 gezeigt, wobei eine am proximalen Ende 2b des Schaftes 2 angeordnete Handhabe 5 nur schematisch dargestellt ist. Am distalen Ende 2a des Schaftes 2 ist ein Werkzeug 3 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um ein mit Maulteilen versehenes Werkzeug 3, wie in 1 dargestellt, oder aber um ein Endoskop, einen Applikator oder dergleichen handeln kann. Zur Betätigung des Werkzeugs 3, z. B. zum Öffnen und Schließen der Maulteile, weist das chirurgische Instrument 1 ein axial verschiebbar im Schaft 2 gelagertes Betätigungselement 18 auf, das proximalseitig mit einer (nicht dargestellten) Betätigungseinheit der Handhabe 5 in Wirkverbindung steht. Bei der Betätigungseinheit kann es sich um ein manuell betätigbares Griffteil oder um eine für den robotischen Einsatz ausgelegte, also auch ohne manuelles Zutun betätigbare Baueinheit handeln, die mit einem entsprechenden Antrieb gekoppelt ist.
Des Weiteren ist das Werkzeug 3 des chirurgischen Instruments 1, wie in 1 zu sehen, über eine Abwinkelungsmechanik 4 an dem distalen Schaftende 2a relativ zur Hauptachse A des Schaftes 2 verschwenkbar. Die Abwinkelungsmechanik 4 besteht aus Schwenkgliedern, die über Lenkdrähte 6, die sich durch den Schaft 2 erstrecken, mit dem Lenkgetriebe 10 in der Handhabe 5 am proximalen Ende 2b des Schaftes 2 verbunden sind. Eine Bewegung des proximalseitigen Lenkgetriebes 10 verursacht so eine durch die Lenkdrähte 6 übertragene entsprechende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder der Abwinkelungsmechanik 4 und somit ein Verschwenken des Werkzeugs 3. Auch wenn vorliegend der Begriff Lenkdrähte 6 verwendet wird, können funktional auch Lenkseile verwendet werden, weshalb der verwendete Begriff Lenkdrähte 6 synonym auch als Lenkseil zu lesen und zu verstehen ist.
Das Lenkgetriebe 10, für das in 2 bis 8, 10 und 11 Beispiele und Details gezeigt sind, weist eine Taumelscheibe 8 auf, an der die aus dem proximalen Schaftende 2b aus dem Schaft 2 austretenden Lenkdrähte 6 befestigt sind. Durch Bewegung der räumlich ausrichtbaren Taumelscheibe 8 wird die Abwinkelungsmechanik 4 über die Lenkdrähte 6 angesteuert und das Werkzeug 3 entsprechend verschwenkt. Zudem ist die Taumelscheibe 8 zur Rotation mit einer Hauptwelle 19 gekoppelt, die sich entlang der Hauptachse A an das proximale Ende 2b des Schafts 2 anschließt. Im Beispiel von 10 und 11 ist die Hauptwelle 19 wie der Schaft 2 hohl ausgeführt, um das axial verschiebbare Betätigungselement 18 aufzunehmen. Die Hauptwelle 19 ist an dem proximalen Ende 2b des Schafts 2 in einer distalseitigen Gehäusekomponente 25 der Handhabe 5 mittels eines vorderen Lagers 20 drehbar gelagert. Auf einer von dem vorderen Lager 20 abgewandten Seite der Taumelscheibe 8 ist in einer weiteren Gehäusekomponente 25 der Handhabe 5 ein hinteres Lager 21 zur drehbaren Lagerung der Hauptwelle 19 vorgesehen, die die Hauptachse A definiert, deren Lage damit eindeutig festgelegt ist.
Nicht dargestellt ist, dass die Hauptwelle 19 zur Rotation um die Hauptachse A mit einer Antriebsvorrichtung verbunden werden kann, z. B. an einem Abschnitt der Hauptwelle 19 benachbart zum hinteren Schaftlager 21. Durch die rotative Kopplung der Hauptwelle 19 mit der Taumelscheibe 8 kann das Werkzeug 3 am distalen Schaftende 2a um die Hauptachse A des Schaftes 2 rotiert werden, ohne dass die Lenkdrähte 6 verdrillt werden.
In dem in den Figuren 2 bis 8 gezeigten Beispielen hat die Taumelscheibe 8 eine zentrale, zum Taumelscheibenumfang konzentrische Aufnahmeöffnung 8c und im Beispiel von 9 bis 12 eine Durchtrittsöffnung 8c, in der eine Kreuzgelenkscheibe 7 angeordnet ist, die in der Darstellung von 2, 8 und 10 zu sehen ist. Auch die Kreuzgelenkscheibe 7 weist eine Scheibenöffnung (unbezeichnet) auf, in der die Hauptwelle 19 mit einem Kopplungsabschnitt 19a angeordnet ist (2 bis 8) oder durch die sich die Hauptwelle 19 mit einem Kopplungsabschnitt 19a erstreckt (9 bis 12). Die Kreuzgelenkscheibe 7 ist mit der Taumelscheibe 8 über ein erstes Paar Achsstifte 7a schwenkbar verbunden. Über ein zweites Paar Achsstifte 7b, das orthogonal zu dem ersten Achsstiftepaar 7a angeordnet ist, ist die Kreuzgelenkscheibe 7 schwenkbar mit der Hauptwelle 19 verbunden. Der Schnittpunkt der beiden Achspaare definiert das Schwenkzentrum Z_T der so kardanisch gelagerten Taumelscheibe 8. Darüber hinaus sorgt die Kreuzgelenkscheibe 7 über die beiden Achspaare 7a, 7b für die rotative Kopplung der Taumelscheibe 8 mit der Hauptwelle 19.
Nicht figurativ dargestellt sind zu einem solchen Kreuzgelenk alternative Lagerungsanordnungen der Taumelscheibe auf der Hauptwelle, die ein Verschwenken der Taumelscheibe um zwei zur Hauptachse orthogonale Raumachsen und gegebenenfalls auch eine rotative Kopplung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle ermöglichen. Diese können beispielsweise eine modifizierte Hauptwelle aufweisen, bei der der Kopplungsabschnitt kugelförmig ausgebildet ist. Die Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung der Taumelscheibe weist dann eine Kugelscheibenkontur bzw. Kugelzone auf, die zumindest teilweise an den kugelförmigen Kopplungsabschnitt der Hauptwelle angepasst ist. Die Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung bildet somit eine Kugelzonenpfanne, die den kugelförmigen Kopplungsabschnitt umgibt, sodass eine Art Kugelgelenk gebildet wird. Je nachdem, welche Breite die Kugelscheibenkontur der Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung aufweist, kann die Taumelscheibe zur Erleichterung oder Ermöglichung der Montage auf dem kugelförmigen Kopplungsabschnitt zwei oder mehrteilig ausgebildet sein. Um eine so kugelgelenkig gelagerte Taumelscheibe auch rotativ mit der Hauptwelle zur Drehmomentübertragung zu koppeln, kann die Hauptwelle an dem Kopplungsabschnitt eine vorzugsweise zwei diametrale Führungsnuten aufweisen, die sich in Längsrichtung der Hauptwelle erstrecken. In der Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung der Taumelscheibe wird entsprechend ein radial nach innen weisender Stift oder werden zwei diametrale, radial nach innen weisende Stifte zum Eingriff in die Führungsnut(en) vorgesehen. Der Eingriff der Stifte in den Längsnuten gestattet sowohl ein Verschwenken der Taumelscheibe um die Stiftachse, als auch orthogonal dazu, da die Führungsnuten ein Verschwenken der Stifte in einer zur Scheibenebene orthogonalen Längsebene entlang der Führungsnuten gestatten.
In allen Fällen ist die Lage das Schwenkzentrums Z_T der Taumelscheibe 8 auf der Hauptachse A eindeutig definiert. Die Taumelscheibe 8, die eine zylindrische Form aufweist, definiert eine Scheibenebene E, die parallel zu einer Grundfläche der zylindrischen Form durch das Schwenkzentrum Z_T verläuft, wie in 3, 8 und 10 mit gestrichelter Linie angedeutet ist.
Die Taumelscheibe 8 ist mit einem kugelförmigen Abschnitt 8a verbunden, dessen Oberfläche in den Beispielen von 2 bis 8 Kugelform und in 9 bis 12 Kugelscheibenform hat. Das Kugelzentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a, das dem Mittelpunkt einer mit der Kugelform bzw. der Kugelscheibenform korrespondierenden Kugel entspricht, ist von dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 beabstandet. Die Lage des Kugelzentrums Z_K und damit die Lage des kugelförmigen Abschnitts 8a in Bezug zu der Taumelscheibe 8 ist so gewählt, dass eine zur Taumelscheibenebene E orthogonale Taumelscheibenachse T durch das Schwenkzentrum Z_T und das Kugelzentrum Z_K verläuft. In der Neutralstellung der Taumelscheibe 8, in der die Scheibenebene E orthogonal zu der Hauptachse A steht, entspricht daher die Taumelscheibenachse T der Hauptachse A, wie in 2 und 10 zu sehen. Die Taumelscheibe 8 ist über einen mit der Taumelscheibenachse T koaxialen Hebelabschnitt 8b mit dem kugelförmigen Abschnitt 8a verbunden. Der Abstand zwischen dem Kugelzentrum Z_K und dem Schwenkzentrum Z_T hängt von der Länge des Hebelabschnitts 8b und dem Durchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a ab.
Das Verschwenken der Taumelscheibe 8 wird nun durch Bewegung des kugelförmigen Abschnitts 8a bewerkstelligt. Jede Bewegung des kugelförmigen Abschnitts 8a nach oben, unten sowie nach vorne oder hinten (in Bezug auf die Zeichenebene in 3) bewirkt direkt eine Verschwenkung der Taumelscheibe 8 um deren Schwenkzentrum Z_T. Dabei bewegt sich das Kugelzentrum Z_K durch den festen Abstand zum Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 auf einer sphärischen Bahn im Raum mit Radius R (vgl. 6 und 8) und kann daher nicht direkt von einem kartesischen Antrieb betätigt werden. Daher weist das Lenkgetriebe 10 ein zylindrisches Hülsenelement 9 auf, in dessen zylindrischer Aufnahme der kugelförmige Abschnitt 8a aufgenommen ist, wobei das Hülsenelement 9 mit einer Antriebsvorrichtung zur räumlichen Ausrichtung verbunden ist.
Die Passung zwischen dem Innendurchmesser des Hülsenelements 9 und dem Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a wird hierbei abhängig vom Anwendungsfall und der jeweiligen Werkstoffpaarung an der zylindrischen Aufnahme des Hülsenelements 9 und der Außenfläche des kugelförmigen Abschnitts 8a so gewählt, dass der kugelförmige Abschnitt 8a sowohl innerhalb des Hülsenelements 9 sich drehen und/oder verkippen kann als auch in dem Hülsenelement 9 entlang der Hülsenachse H bewegen kann. Bei entsprechender Werkstoffpaarung wären identische Nennmaße von Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a und Innendurchmesser des Hülsenelements 9 optimal, praktisch wird die Passung je nach Werkstoffpaarung als Spielpassung oder Übergangspassung ausgeführt sein, um die gewünschte Beweglichkeit des kugelförmigen Abschnitts 8a in dem Hülsenelement 9 zu gestatten.
Wie in 3 angedeutet, kann das Hülsenelement 9 dann in einer zur Hauptachse A orthogonalen Ebene in zwei Raumrichtungen X, Y (vor und hinter die Zeichenebene, nach oben und unten in der Zeichenebene) von einer Antriebsvorrichtung bewegt werden, die erfindungsgemäß als parallelkinetische Gelenkarmkette ausgebildet ist, für die Beispiele in 4 bis 7, und 9 bis 12 zu sehen sind. Dabei bleiben der einer sphärischen Bahn folgenden kugelförmige Abschnitt 8a und das in der X, Y-Ebene bewegte Hülsenelement 9 ständig miteinander im Kontakt bzw. Eingriff, da der kugelförmige Abschnitt 8a einerseits innerhalb des Hülsenelements 9 sich drehen und/oder verkippen und andererseits in dem Hülsenelement 9 entlanggleiten kann. Die Hülsenachse H bleibt dabei stets parallel zur Hauptachse A.
Anders als im Stand der Technik, in dem ein Differentialgetriebe direkt zur Ansteuerung einer Taumelscheibe eingesetzt wird, werden durch die erfindungsgemäße Kopplung von kugelförmigem Abschnitt und Hülsenelement die Probleme vermieden, die aufgrund der Überdefinition des bekannten Lenkgetriebes bei Fertigungsabweichungen auftreten, wenn sich das Zentrum des Differentialgetriebes vom Schwenkzentrum der Taumelscheibe unterscheidet, das durch das Kreuzgelenk definiert wird. In der Praxis führt das je nach Größe des Versatzes zwischen den beiden Schwenkzentren zum Verkanten oder zu lokalen Blockaden. Die Antriebe (Lenkung und Rotation) müssen in Folge hohe Momente aufbringen, welche das gesamte System verbiegen, belasten und möglicherweise beschädigen, um es trotz der Blockaden und Verkantungen zu bewegen. Die Schwenkbewegungen von Lenkring und Taumelscheibe überlagern sich dann undefiniert, sodass das tatsächliche Schwenkzentrum zwischen den beiden Zentren liegt, wobei die Präzision leidet und manche Schwenkwinkel nicht mehr erreicht werden. Diese Probleme werden durch das erfindungsgemäße Lenkgetriebe 10 vermieden, sodass unvermeidbare Fertigungsabweichungen keine Probleme durch Überdefinition verursachen.
Die parallelkinematische Gelenkarmkette als Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes 10 bewegt das Hülsenelement 9 in einer Ebene senkrecht zur Hauptachse A, um die Taumelscheibe 8 um ihr Zentrum Z_T über den damit verbundenen kugelfömigen Abschnitt 8a zu verschwenken. Dazu weist die parallelkinematische Gelenkarmkette vier Armsegmente 11a, 11b, 12a, 12b auf, die über die Gehäusekomponente 25 in einer geschlossenen Kette gelenkig miteinander verbunden sind, wie in 4 bis 7, und 9 bis 12 zu sehen ist. Das Lenkgetriebe 10 weist zwei Motoren 17a, 17b auf, die achsparallel zum Schaft 2 angeordnet sind. D. h., dass die Antriebsachsen B1, B2, die durch die (unbezeichneten) Motorwellen der beiden Motoren 17a, 17b definiert werden, parallel zur Hauptachse A liegen. An jeder Motorwelle ist jeweils ein erstes Armsegment 11a, 11b befestigt, das über ein Zwischengelenk 15a, 15b schwenkbar mit jeweils einem zweiten Armsegment 12a, 12b verbunden ist. Die beiden zweiten Armsegmente 12a, 12b sind unter Ausbildung eines Zentralgelenks 14 jeweils drehbar auf dem Hülsenelement 9 und damit auch drehbar zueinander mittels Wälzlager 13 (in 7, 9 und 10 gut zu sehen) gelagert. Das Hülsenelement 9 fungiert somit als Gelenkzapfen des Zentralgelenks 14. Dabei können die Wälzlager 13 auf Innenring und/oder Außenring verzichten, wenn die Außenfläche des Hülsenelements 9 bzw. die Innenflächen der Lageraugen in den zweiten Armsegmenten 12a, 12b als Laufflächen für die Wälzkörper ausgebildet sind. Dann bildet das Hülsenelement 9 einen (gemeinsamen) Innenring der Wälzlager 13, wie in 10 dargestellt. Vorteilhaft weisen die ersten Armsegmente 11a, 11b und die zweiten Armsegmente 12a, 12b jeweils gleiche Bauart und Abmessungen auf, sodass die Gelenkarmkette nicht nur symmetrisch aufgebaut, sondern durch die Verwendung von Gleichteilen auch kostengünstig ist.
Alternativ kann das Hülsenelement 9 in einer nicht dargestellten Ausführungsform fest mit einem der beiden zweiten Armsegmente 12a, 12b verbunden oder einstückig gefertigt sein. Das andere zweite Armsegment 12a, 12b ist dann auf diesem Hülsenelement 9 drehbar gelagert. Vorteilhaft kann dabei eines der Wälzlager 13 eingespart werden, und die ganze Parallel-Kinematik wird etwas steifer und spielfreier. Allerdings sind die beiden zweiten Armsegmente 12a, 12b dann keine Gleichteile mehr, und das Hülsenelement 9 kann sich dann nicht mehr frei drehen.
Die Gehäusekomponente 25 gibt einen festen Abstand zwischen den beiden Antriebsachsen B1, B2 vor. Die somit ortsfesten Motorwellen der Motoren 17a, 17b sind fest mit den ersten Armsegmenten 11a, 11b verbunden, die sich radial zur Antriebsachse B1, B2 erstrecken. So können die ersten Armsegmente 11a, 11b unabhängig voneinander mit der Motorwelle um die jeweilige Antriebsachse B1, B2 drehen und damit die Zwischengelenke 15a, 15b jeweils auf einer Kreisbahn bewegen, deren Radius der Länge L1 des ersten Armsegmentes 11a, 11b entspricht. Genauer gesagt, bezeichnet die Länge L1 den Abstand zwischen einer Antriebsachse B1, B2 und der durch das entsprechende Zwischengelenk 15a, 15b definierten Gelenkachse C1, C2. Die Position des Zentralgelenks 14 und damit die Position des Hülsenelements 9 resultiert dann in dem Punkt, der von beiden Zwischengelenken 15a, 15b jeweils um die Länge L2 der zweiten Armsegmente 12a, 12b entfernt ist. D. h., dass die Position des Zentralgelenks 14 dem Schnittpunkt von Kreisbahnen um die Zwischengelenke 15a, 15b mit der Radius der Länge L2 der zweiten Armsegmente 12a, 12b entspricht. Als Länge L2 des zweiten Armsegments 12a, 12b wird der Abstand zwischen einer Gelenkachse C1, C2 und der Hülsenachse H verstanden.
Bei bekannten Längen L1, L2 der ersten und zweiten Armsegmente 11a, 11b, 12a, 12b lässt sich aus jeder Motorstellung die Position des Zentralgelenkes 14 berechnen, bzw. lassen sich umgekehrt die erforderlichen Antriebswinkel errechnen, um das Zentralgelenk 14 in eine vorgegebene Position zu bringen. Durch entsprechende Positionierung der von den beiden Motoren 17a, 17b angesteuerten ersten Armsegmente 11a, 11b kann das Hülsenelement 9 frei positioniert werden. 7 zeigt in schraffierter Fläche den Arbeitsraum G der Gelenkarmkette, innerhalb dessen die Hülsenmitte, die dem Zentrum Z_K des dort aufgenommenen kugelförmigen Abschnitts 8a entspricht, mittels der Gelenkarmkette positioniert werden kann. Dieser Arbeitsraum G der Gelenkarmkette ist durch die Länge L1, L2 der Armsegmente 11a, 11b, 12a, 12b und Platzierung der Motoren (Abstand der Antriebsachsen B1, B2 voneinander und von der Hauptachse A) so zu gestalten, dass der kariert dargestellte, kreisförmige Arbeitsbereich D vollständig abgedeckt wird, in dem das Zentrum Z_K des mit der Taumelscheibe 8 verbundenen kugelförmigen Abschnitts 8a bewegt werden muss bzw. kann.
In den Beispielen von 4 bis 7 sind die Armsegmente 11a, 11b, 12a, 12b als Pleuelstangen mit Pleuelaugen an beiden Enden geformt. Das größere Pleuelauge wird am ersten Armsegment 11a, 11b zur Verbindung mit der Motorwelle und am zweiten Armsegment 12a, 12b zur Bildung des Zentralgelenks 14 verwendet. Die jeweils kleineren Pleuelaugen nehmen einen Gelenkzapfen (unbezeichnet) auf, der die Gelenkachse C1, C2 definiert, und bilden das Zwischengelenk 15a, 15b zwischen dem ersten und zweiten Armsegment 11a, 11b, 12a, 12b.
Vorteilhaft ist an dieser Antriebsvorrichtung, dass nur wenige, sehr einfache Bauteile benötigt werden. Die verwendeten Drehgelenke für Zwischengelenke 15a, 15b und Zentralgelenk 14 lassen sich kostengünstig auch in hoher Genauigkeit herstellen. Und trotz einer gewissen grundsätzlichen Steifheit der parallelkinematischen Gelenkarmkette kann durch die geringen Massen der bewegten Bauteile eine hohe Dynamik erreicht werden. Die achsparallele Anordnung der Motoren ist platzsparend und für viele Anwendungsfälle vorteilhaft.
Der lange Hebelabschnitt 8b im Beispiel von 4 bis 8, der vorteilhaft zur Reduktion der erforderlichen Steuerkräfte an dem kugelförmigen Abschnitt 8a sorgt, erschwert die Durchleitung der Hauptwelle 19 durch die Taumelscheibe 8, um die Hauptwelle 19 stabil auf beiden Seiten der Taumelscheibe 8 zu lagern. Ferner ist dort auch keine durch die Hauptwelle 19 geführte Betätigungsstange 18 gezeigt, mit der ein distales Werkzeug 3 betätigt werden kann.
Daher erstreckt sich bei dem in 9 bis 12 dargestellten Beispiel die Durchtrittsöffnung 8c der Taumelscheibe 8 durch den integral damit verbundenen Kugel- und Hebelabschnitt 8a, 8b. So kann sich nicht nur die Hauptwelle 19 durch die Taumelscheibe 8 mit dem Kugel- und Hebelabschnitt 8a, 8b erstrecken, sondern auch die Betätigungsstange 18, die in der Handhabe 5 aus dem proximalen Ende der hohlen Hauptwelle 19 zur Verbindung mit einem Antrieb austritt. Da sich die Hauptwelle 19 und Betätigungsstange 18 immer entlang der Hauptachse A erstrecken, ist die Durchtrittsöffnung 8c der verschwenkbaren Taumelscheibe 8 konisch ausgeführt. D. h., dass sich der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 8c ausgehend vom Schwenkzentrum Z_T, das nahe der distalen Taumelscheibenseite liegt und an dem der Durchmesser zur Aufnahme der Kreuzgelenkscheibe 7 dimensioniert ist, in proximale Richtung, d. h. entlang des Hebelabschnitts 8b und des kugelförmigen Abschnitts 8a, vergrößert. Aufgrund der konischen Form der Durchtrittsöffnung 8c ist der Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a in diesem Beispiel entsprechend groß und der Abstand zwischen dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 und dem Kugelzentrum Z_K vergleichsweise klein dimensioniert, um ausreichende Kippwinkel der Taumelscheibe 8 um die Hauptwelle 19 erzielen zu können. Der durch einen kurzen Hebelabschnitt 8b abgesetzte kugelförmige Abschnitt 8a hat dann eine kugelscheibenförmige Außenoberfläche, deren Breite ausreichend ist, ständig mit dem Hülsenelement 9 in Eingriff zu bleiben, das auch hier als Lagerinnenring im Zentralgelenk 14 fungiert.
Wegen des kurzen Hebelabschnitts 8b sind die ersten Armsegmente 11a, 11b hierbei als Exzenterscheiben ausgebildet, die exzentrisch auf den Motorwellen der Motoren 17a, 17b mit der Antriebsachse B 1, B2 angeordnet sind, wie insbesondere in 9 erkennbar ist. Die zweiten Armsegmente 12a, 12b sind als Pleuelstangen ausgebildet, deren größeres Pleuelauge das Hülsenelement 9 zur Bildung des Zentralgelenks 14 aufnimmt. Die Zwischengelenke 15a, 15b zwischen den ersten und zweiten Armsegmenten 11a, 11b, 12a, 12b werden gebildet, indem jede Exzenterscheibe 11a, 11b drehbar in dem kleineren Pleuelauge eines zweiten Armsegments 12a, 12b angeordnet wird. Die Gelenkachse C1, C2 des Zwischengelenks 15a, 15b verläuft folglich durch den Mittelpunkt der Exzenterscheibe 11a, 11b, der von der jeweiligen Antriebsachse B1, B2 beabstandet ist, sodass die Länge L1 des ersten Armsegments 11a, 11b dem Abstand der durch den Mittelpunkt der Exzenterscheibe 11a, 11b verlaufenden Gelenkachse C1, C2 von der jeweiligen Antriebsachse B1, B2 entspricht. Die Länge L2 des zweiten Armsegments 12a, 12b entspricht auch hier dem Abstand zwischen der Gelenkachse C1, C2 und der Hülsenachse H, die in der unausgelenkten Neutralstellung der Taumelscheibe 8 in 9 und 10 der Hauptachse A und der Taumelscheibenachse T entspricht.
Grundsätzlich besteht bei Parallel-Kinematiken das Problem der sogenannten Singularitäten: Sobald drei aufeinanderfolgende Drehpunkte (die beiden mit zwei Motoren verbunden Zwischengelenke und das Zentralgelenk) in einer Linie stehen, gibt es für den mittleren Punkt (Zentralgelenk) zwei Richtungen, aus der Linie auszubrechen. Allerdings gibt es aus dem Stillstand heraus keine Möglichkeit, durch die Ansteuerung der Motoren zu beeinflussen, welche der beiden Richtungen das mittlere Gelenk einschlägt, so das unkontrollierte Betriebszustände entstehen. Praktisch werden Singularitäten vermieden, indem Gelenke zusätzlich mit Federn oder Anschlägen versehen werden, die nur den Ausbruch in eine der beiden Richtungen erlauben. Alternativ bewegt die Steuerung die Gelenkarmkette nur in einem kleineren als dem geometrisch möglichen Arbeitsraum, um nicht in die Nähe von Singularitäten zu kommen.
Bei dem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe 10 können Singularitäten vermieden werden, indem erstens der in 7 dargestellte kreisförmige Arbeitsraum D, innerhalb dessen sich das Hülsenelement 9 im Eingriff mit dem kugelförmigen Abschnitt 8a bewegen kann, nicht die Grenzen des geometrischen Arbeitsraumes G der Parallelkinematik berührt. Zweitens werden die Abmessungen der parallelkinematischen Gelenkarmkette so in Bezug auf den Arbeitsraum D abgestimmt, dass dessen unterster Punkt oberhalb des oberen Totpunkts der Zwischengelenke 15a, 15b liegt. Der Durchmesser des Arbeitsraums D hängt dabei von dem Abstand des Zentrums Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a vom Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 ab, wobei der Abstand zwischen den Zentren den Radius Reiner Kreisbahn bzw. Kugeloberfläche definiert, auf der sich der in dem Hülsenelement 9 aufgenommene kugelförmige Abschnitt 8a bewegen kann. Die Längen L1, L2 der Armsegmente 11a, 11b, 12a, 12b können nahezu beliebig angepasst werden und müssen nicht symmetrisch sein, solange keine Kollisionen innerhalb der Gelenkarmkette auftreten und der Arbeitsraum G der Gelenkarmkette den kompletten kreisförmigen Arbeitsraum D des Hülsenelements 9 abdeckt. Dazu werden die den Arbeitsraum G bestimmenden Abmessungen der Gelenkarmkette, die den Abstand der Antriebsachsen B1, B2, die Länge(n) L1 der ersten Armsegmente 11a, 11b und die Länge(n) L2 der zweiten Armsegmente 12a, 12b umfassen, und der durch den Abstand zwischen dem Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a und dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 definierte Radius R so aufeinander abgestimmt, dass der von dem Kreisbahnradius R, der abhängige kreisförmige Arbeitsraum D innerhalb des Arbeitsraums G der parallelkinematischen Gelenkarmkette liegt.
Gegenüber Varianten, bei denen die Armsegmente unsymmetrisch sind und/oder die Antriebsmotoren beliebig um die Hauptachse A herum angeordnet werden, wobei die Motoren nicht exakt parallel zur Hauptachse stehen müssen, und eins der Zwischengelenke oder beide und/oder das Zentralgelenk als Kugelgelenk ausgeführt sind, sind wird die einfachere und kostengünstigere Ausführung mit parallelen Achsen, symmetrischen Armsegmenten und einfachen Drehgelenken als besonders vorteilhaft angesehen.
Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Lenkgetriebe 10 für ein chirurgisches Instrument 1 bereit, wobei das Lenkgetriebe 10 eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe 8 aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle 19 verbunden ist, die eine Hauptachse A definiert, wobei die Taumelscheibe 8 um ein Schwenkzentrum Z_T, das auf der Hauptachse A liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse A verschwenkbar ist. Die Taumelscheibe 8 ist dabei durch einen Hebelabschnitt 8b mit einem kugelfömigen Abschnitt 8a verbunden, wobei ein Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a von dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe 8 orthogonale Taumelscheibenachse T durch das Schwenkzentrum Z_T und das Kugelzentrum Z_K verläuft. Das Lenkgetriebe 10 weist dabei ein zylindrisches Hülsenelement 9, in dem der kugelförmige Abschnitt 8a aufgenommen ist, und eine parallelkinematische Gelenkarmkette mit vier Armsegmenten 11a, 11b, 12a, 12b auf, mit der das Hülsenelement 9, dessen Hülsenachse H parallel zur Hauptachse A orientiert ist, in einer Ebene bewegbar ist, die sich orthogonal zur Hülsenachse H erstreckt. Ferner wird ein mit dem Lenkgetriebe 10 ausgestattetes chirurgisches Instrument 1 offenbart.
Bezugszeichenliste

1: Chirurgisches Instrument
2: Schaft
2a, 2b: Distales, proximales Schaftende
3: Werkzeug Abwinkelungsmechanik
4 5: Handhabe
6: Lenkdraht
7: Kreuzgelenkscheibe
7a, 7b: Kreuzgelenkstift
8: Taumelscheibe
8a: kugelförmiger Abschnitt
8b: Hebelabschnitt
8c: Durchtrittsöffnung
9: Hülsenelement
10: Lenkgetriebe
11a, 11b: Erstes Armsegment
12a, 12b: Zweites Armsegment
13: Wälzlager
14: Zentralgelenk
15a, 15b: Zwischengelenk
17a, 17b: Antrieb
18: Betätigungsstange
19: Hauptwelle
19a: Kopplungsabschnitt
20: vorderes Schaftlager
21: Hinteres Schaftlager
25: Gehäusekomponente
A: Hauptachse
B1, B2: Antriebsachse
C1, C2: Gelenkachse
E: Scheibenebene
H: Hülsenachse
T: Taumelscheibenachse
ZK: Kugelzentrum
ZT: Schwenkzentrum Taumelscheibe
D: Kreisförmiger Arbeitsraum Kugelzentrum
R: Radius der Kreisbahn des Kugelzentrums um das Schwenkzentrum
L1: Länge erstes Armsegment
L2: Länge zweites Armsegment
G: Arbeitsraum der Gelenkarmkette

Claims

Lenkgetriebe (10) für ein chirurgisches Instrument (1), wobei das Lenkgetriebe (10) eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe (8) aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle (19) verbunden ist, die eine Hauptachse (A) definiert, wobei die Taumelscheibe (8) um ein Schwenkzentrum (Z_T), das auf der Hauptachse (A) liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse (A) verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (8) durch einen Hebelabschnitt (8b) mit einem kugelfömigen Abschnitt (8a) verbunden ist, wobei ein Zentrum (Z_K) des kugelförmigen Abschnitts (8a) von dem Schwenkzentrum (Z_T) der Taumelscheibe (8) beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe (8) orthogonale Taumelscheibenachse (T) durch das Schwenkzentrum (Z_T) und das Kugelzentrum (Z_K) verläuft, und wobei das Lenkgetriebe (10) - ein zylindrisches Hülsenelement (9), in dem der kugelförmige Abschnitt (8a) aufgenommen ist, und - eine parallelkinematische Gelenkarmkette mit vier Armsegmenten (11a, 11b, 12a, 12b) aufweist, mit der das Hülsenelement (9), dessen Hülsenachse (H) parallel zur Hauptachse (A) orientiert ist, in einer Ebene bewegbar ist, die sich orthogonal zur Hülsenachse (H) erstreckt.
Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parallelkinematische Gelenkarmkette zwei erste Armsegmente (11a, 11b) und zwei zweite Armsegmenten (12a, 12b) aufweist, wobei die ersten Armsegmente (11a, 11b) einerseits mit jeweils einem Motor (17a, 17b) verbunden sind, dessen Antriebsachse (B1, B2) parallel zur Hauptachse (A) liegt, und andererseits unter Bildung jeweils eines Zwischengelenks (15a, 15b) mit den zweiten Armsegmenten (12a, 12b) verbunden sind, und wobei die zweiten Armsegmente (12a, 12b) unter Bildung eines Zentralgelenks (14) gelenkig miteinander verbunden sind, wobei das Hülsenelement (9) in dem Zentralgelenk (14) drehbar aufgenommen ist.
Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hülsenelement (9) drehbar in beiden zweiten Armsegmenten (12a, 12b) gelagert ist, oder mit einem der beiden zweiten Armsegmente (12a, 12b) fest verbunden und in dem anderen der beiden zweiten Armsegmente (12a, 12b) drehbar gelagert ist.
Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Armsegmente (11a, 11b) als Pleuelstangen oder als Exzenterscheiben ausgebildet sind, und die zweiten Armsegmente (12a, 12b) als Pleuelstangen ausgebildet sind.
Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der Antriebsachsen (B1, B2) und eine Länge (L1) der ersten Armsegmente (11a, 11b) und eine Länge (L2) der zweiten Armsegmente (12a, 12b) in Abhängigkeit eines Radius (R) zwischen dem Zentrum (Z_K) des kugelförmigen Abschnitts (8a) und dem Schwenkzentrum (Z_T) der Taumelscheibe (8) so abgestimmt bemessen werden, dass ein von dem Radius (R) abhängiger kreisförmiger Arbeitsraum (D) für das Hülsenelement (9) innerhalb eines Arbeitsraums (G) der parallelkinematischen Gelenkarmkette liegt, der sich aus dem Abstand der Antriebsachsen (B1, B2) und der Länge (L1) der ersten Armsegmente (11a, 11b) und der Länge (L2) der zweiten Armsegmente (12a, 12b) ergibt.
Lenkgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwelle (19) drehbar angetrieben ist, und die gelenkig verbundene Taumelscheibe (8) rotativ mit der Hauptwelle (19) gekoppelt ist, sodass die Taumelscheibe (8) mit der Hauptwelle (19) rotierbar ist.
Lenkgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (8) eine Aufnahmeöffnung (8c) aufweist, in der ein Kopplungsabschnitt (19a) der Hauptwelle (19) angeordnet ist, wobei zur gelenkigen Verbindung der Taumelscheibe (8) und der Hauptwelle (19) eine Kreuzgelenkscheibe (7) vorgesehen ist, die in der Aufnahmeöffnung (8c) der Taumelscheibe (8) angeordnet ist und eine Scheibenöffnung aufweist, in der der Kopplungsabschnitt (19a) der Hauptwelle (19) angeordnet ist, wobei die Kreuzgelenkscheibe (7) über zwei orthogonale Achsstiftpaare (7a, 7b) mit der Taumelscheibe (8) und der Hauptwelle (19) schwenkbar verbunden ist.
Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (8c) eine Durchtrittsöffnung (8c) ist, die sich entlang der Taumelscheibenachse (T) durch die Taumelscheibe (8), den Hebelabschnitt (8b) und den kugelförmigen Abschnitt (8a) erstreckt.
Lenkgetriebe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passung zwischen dem Hülsenelement (9) und dem kugelförmigen Abschnitt (8a) so gewählt ist, dass der kugelförmige Abschnitt (8a) innerhalb des Hülsenelements (9) drehbar und/oder verkippbar ist und/oder dass der kugelförmige Abschnitt (8a) in dem Hülsenelement (9) entlang dessen Hülsenachse (H) bewegbar ist.
Chirurgisches Instrument (1), das einen Schaft (2), ein Werkzeug (3) an einem distalen Schaftende (2a) und eine Handhabe (5) an einem proximalen Schaftende (2b) aufweist, wobei die Handhabe (5) ein Lenkgetriebe (10) mit einer Taumelscheibe (8) aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle (19) verbunden ist, die eine Hauptachse (A) definiert, und um ein Schwenkzentrum (Z_T), das auf der Hauptachse (A) liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse (A) verschwenkbar ist, wobei die Taumelscheibe (8) mit einer Mehrzahl Lenkdrähte (6) verbunden ist, die sich entlang der Hauptachse (A) durch den Schaft (2) zu einer Abwinkelungsmechanik (4) des Werkzeugs (3) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (10) ein Lenkgetriebe (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.