Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Positionieren und/oder
Bewegen eines chirurgischen Instrumentes in einem Operationsraum
innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers gemäß dem Oberbegriff Patentanspruch
1.The
The invention relates to a device for positioning and / or
Moving a surgical instrument in an operating room
within a human or animal body according to the preamble of claim
1.
Zur Überwachung
des Operationsfeldes oder -raumes bei einer minimal-invasiven Operation,
beispielsweise im Bauchraum eines Patienten, ist es u.a. notwendig,
dem operierenden Arzt eine exakte Information über die Position des für die Operation
verwendeten chirurgischen Instrumentes zur Verfügung zu stellen, beispielsweise
in Form eines Videobildes an einem Bildschirm. Hierfür ist es üblich, zusätzlich zum
eigentlichen chirurgischen Arbeitsinstrument eine weitere Sonde
oder ein weiteres Instrument, das Teil einer Videokamera ist und
auch mit einer Beleuchtungseinrichtung versehen ist, ebenfalls von
außen
her in den Operationsraum einzuführen.
Die Bewegung dieser Sonde wird dann von Hand durch einen assistierenden
Arzt so durchgeführt,
daß der
interessierende Operationsbereich auf dem Bildschirm optimal dargestellt
wird.For monitoring
the surgical field or space during a minimally invasive surgery,
For example, in the abdomen of a patient, it is u.a. necessary,
The surgeon has precise information about the position of the operation
used to provide surgical instrument, for example
in the form of a video image on a screen. For this it is common, in addition to
actual surgical tool another probe
or another instrument that is part of a video camera and
Also provided with a lighting device, also from
Outside
to introduce her into the operating room.
The movement of this probe is then assisted by hand
Doctor so performed
that the
Interesting surgical area displayed optimally on the screen
becomes.
Um
einen zusätzlichen
assistierenden Arzt einzusparen, wurden bereits roboterartige Vorrichtungen zum
motorischen Positionieren und Bewegen von chirurgischen Instrumenten
in einem Operationsraum vorgeschlagen, insbesondere auch zum Positionieren
und Bewegen eines Endoskops bei Gallenblasenoperationen ( EP 0 653 922 B1 ).In order to save an additional assisting physician, robotic devices have already been proposed for the motorized positioning and movement of surgical instruments in an operating room, in particular also for positioning and moving an endoscope in gall bladder operations ( EP 0 653 922 B1 ).
Ferner
ist aus der DE 696
20 521 T1 eine goniometrische Roboteranordnung zur Verwendung
in einer medizinischen Umgebung bekannt, die zum Einführen eines
Teleskops in einen Baucheinschnitt eines Patienten ausgebildet ist
und die eine Halteanordnung bestehend aus einer vertikalen Haltesäule, einen
sich horizontal erstreckenden Halteträger und einem länglichen
Halteelement aufweist. An dem sich horizontal erstreckenden Halteträger ist
ein Motorgehäuse
befestigt, welches mit einem Antriebsarm, der über eine Verbindung mit dem
Teleskop in Verbindung steht, verbunden ist. Ein weiteres System
zur Verbesserung von endoskopischen chirurgischen Eingriffen ist
aus der gattungsbildenden EP
0 571 827 B1 bekannt, bei dem mindestens ein erstes chirurgisches
Instrument im Körper
des Patienten positioniert wird und anhand eines Robotermanipulators
mit mindestens einem gesteuerten Freiheitsgrad das Instrument im
Körper
des Patienten bewegt wird. Zum Steuern der Bewegung des Robotermanipulators
sind Steuermittel bzw. zur Bewegung des Instrumentes sind rotierende
Manipulatoren vorgesehen, die eine Bewegung in fünf Freiheitsgraden ermöglichen.
Hierzu werden unterschiedliche Führungen
aufweisende Antriebe zur Realisierung der Freiheitsgrade verwendet.Furthermore, from the DE 696 20 521 T1 a goniometric robotic assembly for use in a medical environment, adapted to insert a telescope into a patient's abdominal incision, and having a support assembly consisting of a vertical support column, a horizontally extending support bracket, and an elongate support member. On the horizontally extending support bracket, a motor housing is fixed, which is connected to a drive arm, which communicates via a connection with the telescope. Another system for improving endoscopic surgical procedures is from the generic EP 0 571 827 B1 in which at least one first surgical instrument is positioned in the body of the patient and the instrument is moved in the body of the patient by means of a robot manipulator having at least one controlled degree of freedom. For controlling the movement of the robot manipulator control means or for the movement of the instrument rotating manipulators are provided which allow a movement in five degrees of freedom. For this purpose, different guides having drives are used to realize the degrees of freedom.
Nachteilig
bei den bekannten Vorrichtungen und Systemen dieser Art ist, daß ein und
dieselbe Kinematik die Zustellbewegung, mit der das an der Vorrichtung
gehaltene Instrument bzw. dessen aktiver Instrumentenbereich an
den Operationsraum herangeführt
wird, und die eigentliche Arbeitsbewegung durchführt, mit der das Instrument
bzw. der in den Operationsraum eingeführte Bereich dieses Instruments
in der für
die Durchführung
der Operation notwendigen Weise bewegt wird.adversely
in the known devices and systems of this type is that a and
the same kinematics the feed motion, with which at the device
held instrument or its active instrument range
introduced the operating room
is, and the actual work movement is performed with the instrument
or the area of this instrument introduced into the operating room
in the for
the implementation
the operation necessary way is moved.
Um
eine sichere und zuverlässige
Positionierung des Instrumentes, insbesondere auch eine schwingungsfreie
Positionierung im Operationsraum zu erreichen, ist eine hohe Steifigkeit
für die
Kinematik und insbesondere für
deren Gelenke, Arme oder Glieder erforderlich. Dies bedeutet, daß die u.a.
die Gelenke und Glieder der Kinematik relativ massiv ausgebildet
sind, so daß bei
der jeweiligen Bewegung relativ große Massen beschleunigt und
abgebremst werden müssen.Around
a safe and reliable
Positioning of the instrument, especially a vibration-free
Positioning in the operating room is a high rigidity
for the
Kinematics and in particular for
their joints, arms or limbs required. This means that the u.a.
the joints and limbs of the kinematics relatively solid
are so that at
the respective movement accelerates relatively large masses and
have to be slowed down.
Nach
einer der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis ist dies weniger
nachteilig bei der Zustellbewegung, da diese in der Regel jeweils
nur einmal am Beginn und am Ende einer Operation erfolgt. Nachteilig sind
die große
Massen aber bei der Arbeitsbewegung, die der jeweiligen augenblicklichen
Situation folgend sehr schnell und auch präzise durchgeführt werden
muß.To
this is less of an underlying recognition of the invention
disadvantageous in the delivery movement, since these usually in each case
only once at the beginning and at the end of an operation. Disadvantages are
the size
But masses at the labor movement, those of the momentary ones
Situation following very fast and also precise to be carried out
got to.
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung aufzuzeigen, die die Nachteile
bekannter Vorrichtungen vermeidet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine
Vorrichtung entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.task
The invention is to show a device which has the disadvantages
avoids known devices. To solve this problem is a
Device designed according to claim 1.
Bei
der Erfindung bilden die Zustellkinematik und die Arbeitskinematik
eine „Kinematik-Kette", bei der die Zustellkinematik
zwischen einem Fix- oder Lagerpunkt und der Arbeitskinematik bzw.
einem Übergang
zu der Arbeitskinematik und die Arbeitskinematik zwischen der Zustellkinematik
bzw. dem genannten Übergang und
dem Instrument oder dessen Halter wirken.In the invention, the feed kinematics and the work kinematics form a "kinematic chain", in which the feed kinematics between a fixed or bearing point and the working kinematics or a transition to the working kinematics and the working kinematics between the Zustellkinematik or said transition and the instrument or its holder.
„Kinematik" und dabei speziell „Arbeitskinematik" bzw. „Zustellkinematik" bedeuten im Sinne
der Erfindung jeweils eine mechanische Konstruktion, die die notwendigen
Bewegungen ermöglicht,
und zwar zumindest bei der Arbeitskinematik motorisch gesteuert
durch ein Computerprogramm bzw. einen entsprechenden Ansteueralgorithmus."Kinematics" and specifically "work kinematics" or "feed kinematics" mean in the sense
The invention, respectively, a mechanical construction, the necessary
Allows movements,
and at least at the working kinematics controlled by a motor
by a computer program or a corresponding control algorithm.
„Durchdringungsachse" bedeutet im Sinne
der Erfindung die Achse, die das Instrument oder der Instrumententräger an dem
invarianten Punkt aufweist, an dem das Instrument durch Punktieren
in den Operationsraum eingeführt
ist, wobei diese Durchdringungsachse zwar nicht zwingend, aber vielfach
achsgleich mit der Instrumentenachse ist."Penetration axis" means in the sense
the invention, the axis of the instrument or the instrument carrier on the
invariant point at which the instrument is punctured
introduced to the operating room
is, although this penetration axis is not mandatory, but many times
is coextensive with the instrument axis.
„Instrumentenachse" im Sinne der Erfindung
bedeutet die Achse, die durch den invarianten Punkt sowie durch
den in den Patientenkörper
oder Operationsraum eingeführten
Instrumentenbereich definiert ist."Instrument axis" in the sense of the invention
means the axis passing through the invariant point as well as through
into the patient's body
or operating room introduced
Instrument area is defined.
„Instrumentenbereich" bedeutet im Sinne
der Erfindung den aktiven Bereich oder Kopf des Instrumentes, beispielsweise
die Öffnung
der Optik eines als Kamera oder Teil einer Kamera ausgebildeten
Instrumentes, die Lichtquelle eines als Beleuchtungseinrichtung
ausgebildeten Instrumentes, die Optik eines Endoskops usw."Instrument range" means in the sense
invention, the active area or head of the instrument, for example
the opening
the optics of a trained as a camera or part of a camera
Instrument, the light source of a lighting device
trained instrument, the optics of an endoscope, etc.
Weiterhin
werden mit der Erfindung die von der Arbeitsgruppe MITI (minimal
invasive Therapie und Intervention) an der TU München in einem internen Papier
aufgestellten Erfordernisse hinsichtlich der Bewegung des Instrumentes
voll erfüllt.Farther
be with the invention of the working group MITI (minimal
invasive therapy and intervention) at the TU Munich in an internal paper
requirements for movement of the instrument
fully fulfilled.
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:The
Invention will be described below with reference to the figures of embodiments
explained in more detail. Show it:
1 in
sehr vereinfachter schematischer Darstellung die Kinematik einer
roboterartigen Vorrichtung zur Positionierung und Bewegung eines
chirurgischen Instrumentes gemäß Stand
der Technik; 1 in a very simplified schematic representation of the kinematics of a robot-like device for positioning and movement of a surgical instrument according to the prior art;
2 in
vereinfachter Darstellung eine roboterartige Vorrichtung zur Positionierung
und Bewegung eines chirurgischen Instrumentes bzw. deren Kinematik
entsprechend der Erfindung; 2 in a simplified representation of a robot-like device for positioning and movement of a surgical instrument or its kinematics according to the invention;
3 in
schematischer Darstellung die Ausbildung der Arbeitskinematik für den Endeffektor
oder das Instrument bei der Ausführung
der 2; 3 in a schematic representation of the training of the working kinematics for the end effector or the instrument in the execution of 2 ;
4–10 in
Darstellungen ähnlich
den 2 und 3 weitere mögliche Ausführungen der Erfindung; 4 - 10 in representations similar to the 2 and 3 other possible embodiments of the invention;
11 in
vereinfachter Darstellung zwei axial relativ zueinander verstellbare
Elemente der Kinematik der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 11 in a simplified representation of two axially relative to each other adjustable elements of the kinematics of the device according to the invention;
12 einen
Schnitt durch die beiden verstellbaren Elemente sowie durch eine
zwischen diesen Elementen angeordnete Führung; und 12 a section through the two adjustable elements and by a guide arranged between these elements; and
13–14 zwei
Führungselemente
der Führung
der 12. 13 - 14 two guiding elements of the leadership of 12 ,
In
den Figuren ist 1 ein Patient, in dessen Körper 2,
beispielsweise Bauchraum, im Rahmen einer minimal-invasiven Operation
durch Punktieren an einem invarianten Punkt 3 ein sondenartiges
medizinisches Instrument 4 eingeführt ist, so daß sich das
Instrumentenende bzw. der Instrumentenbereich 5 in einem
Operationsraum im Körper
des Patienten 2 befindet. Das Instrument 4 kann
die unterschiedlichste Funktion haben. Beispielsweise ist dieses
Instrument 4 Teil einer Lichtfaseroptik einer Videokamera
mit Beleuchtung, die zur Überwachung
der Operation dient, die mit einem weiteren ebenfalls durch Punktieren
in den Operationsraum eingeführten
chirurgischen Instrumentes durchgeführt wird. Zur Erfassung des
interessierenden Operationsbereichs werden das Instrument 4 bzw.
das Ende 5 ohne Änderung
oder ohne wesentliche Änderung
des Punktes 3 im Körper 2 des
Patienten 1 bewegt, und zwar durch Schwenken um den Punkt 3 bzw.
um Achsen, die durch diesen Punkt 3 radial zur Durchdringungsachse
verlaufen, und/oder durch Drehen um die Instrumentenachse und/oder
durch radiales Verschieben in der Instrumentenachse.In the figures is 1 a patient in his body 2 , for example abdominal cavity, as part of a minimally invasive operation by puncturing at an invariant point 3 a probe-like medical instrument 4 is introduced, so that the instrument end or the instrument area 5 in an operating room in the patient's body 2 located. The instrument 4 can have a variety of functions. For example, this instrument is 4 Part of a light fiber optic of a video camera with illumination, which serves to monitor the operation, which is performed with another introduced also by puncturing in the operating room surgical instrument. To capture the surgical area of interest become the instrument 4 or the end 5 without change or without substantial change of the point 3 in the body 2 of the patient 1 moved, by pivoting around the point 3 or about axes passing through this point 3 extend radially to the penetration axis, and / or by rotating about the instrument axis and / or by radial displacement in the instrument axis.
Um
zu vermeiden, daß bei
einer Operation allein für
die Bewegung eines Hilfsinstrumentes ein zusätzlicher Arzt erforderlich
ist, wurden bereits Roboteranordnungen oder Vorrichtungen vorgeschlagen,
die generell die in der 1 dargestellte Kinematik aufweisen,
d. h. das sondenartige Instrument 4 ist an einer mehrgliedrigen
Mechanik oder Kinematik 6 gehalten. Die umfaßt z.B.
die beiden Glieder oder Arme 7 und 8, die an einem
Gelenk 9 gelenkig miteinander sowie an weiteren Gelenken 10 bzw. 11 mit
dem Instrument 4 sowie mit einem Lager 12 verbunden
sind. Letzteres weist eine vorgegebene Position in Bezug auf einen
Operationstisch 13 auf, auf dem der Patient 1 liegend
angeordnet ist.In order to avoid that in an operation solely for the movement of an auxiliary instrument, an additional physician is required, robot arrangements or devices have been proposed, which generally in the 1 have shown kinematics, ie the probe-like instrument 4 is on a multi-unit mechanics or kinematics 6 held. This includes, for example, the two limbs or arms 7 and 8th attached to a joint 9 articulated with each other and at other joints 10 respectively. 11 with the instrument 4 as well as with a warehouse 12 are connected. The latter has a predetermined position with respect to an operating table 13 on which the patient is 1 is arranged horizontally.
Durch
entsprechende Ausbildung der Gelenke 9–12 und durch entsprechende,
nicht dargestellte Aktoren oder Antriebe sind die unterschiedlichsten,
durch die Pfeile a–e
wiedergegebenen Bewegungen (Schwenk- und/oder Drehbewegungen) der
Arme 7 und 8 relativ zueinander sowie relativ
zu dem Lager 12 möglich.
Damit sind dann auch die unterschiedlichsten Bewegungen des sondenartigen
Instrumentes 4, insbesondere auch Schwenk- und Drehbewegungen,
und in der Weise möglich,
daß sich
der Instrumentenkopf 5 im Körper des Patienten 2 in
der gewünschten
Weise bewegt, und zwar ohne Verlagerung des invarianten Punktes 3.By appropriate training of the joints 9 - 12 and by corresponding, not shown actuators or drives are the most varied, represented by the arrows a-e movements (pan and / or rotational movements) of the arms 7 and 8th relative to each other and relative to the bearing 12 possible. So then are the most varied movements of the probe-like instrument 4 , in particular also pivoting and rotating movements, and in the manner possible that the instrument head 5 in the body of the patient 2 moved in the desired manner, without displacement of the invariant point 3 ,
Zusätzlich zu
dieser eigentlichen Arbeitsbewegung ist am Beginn einer Operation,
d. h. beim Einbringen des Instrumentes 4 in den Körper 2 auch
eine Zustellungsbewegung notwendig. Diese Bewegung erfolgt ebenfalls
durch die die Arme 7 und 8 relativ zu dem Lager 12 bzw.
relativ zueinander und das Instrument 4 relativ zum Arm 8 der
bewegenden Stellglieder.In addition to this actual working movement is at the beginning of an operation, ie when inserting the instrument 4 in the body 2 also a delivery movement necessary. This movement is also done by the arms 7 and 8th relative to the camp 12 or relative to each other and the instrument 4 relative to the arm 8th the moving actuators.
Alle
bei dieser bekannten Roboteranordnung bzw. Kinematik vorgesehenen
Stellglieder dienen also sowohl der Zustellbewegung, als auch der
Arbeitsbewegung. Dies bedeutet nicht nur, daß für dieselben Stellglieder jeweils
ein unterschiedlicher Steuerungsalgorithmus für Zustellbewegung und die Arbeitsbewegung
erforderlich ist, sondern diese Art der Kinematik hat auch das Problem,
daß insbesondere
bei der Arbeitsbewegung relativ hohe Massen bewegt werden müssen.All
provided in this known robot assembly or kinematics
Actuators thus serve both the Zustellbewegung, and the
Labor movement. This not only means that for the same actuators each
a different control algorithm for delivery movement and the work movement
is required, but this type of kinematics also has the problem
that in particular
in the working movement relatively high masses must be moved.
Die 2 und 3 zeigen
eine Robotervorrichtung oder Mechanik 20, die wiederum
mehrgliedrig ausgebildet ist, und zwar mit den beiden, den Armen 7 und 8 entsprechenden
Armen 21 und 22 sowie einem zusätzlichen
Arm 23. Die Arme 21 und 22 sind über das
dem Gelenk 9 entsprechende Gelenk 24 miteinander verbunden.
Weiterhin ist der Arm 21 mit seinem anderen Ende über das
dem Gelenk 11 entsprechende Gelenk 25 mit dem
dem Lager 12 entsprechenden Lager 26 verbunden.
Das freie Ende des Armes 22 ist über ein Gelenk 27 mit
dem zusätzlichen
Arm 23 verbunden. Den Gelenken 24, 25 und 27 sind
wiederum Betätigungselemente
oder Antriebe zugeordnet, die die Schwenk- und Drehbewegungen entsprechend
den Pfeilen a–e
um diese Gelenke ermöglichen,
und zwar gesteuert durch eine Steuereinrichtung oder deren Programm.
Im Gegensatz zu der Mechanik 6 dienen diese Betätigungselemente
lediglich der Zustellbewegung, nicht aber der Arbeitsbewegung.The 2 and 3 show a robotic device or mechanics 20 , which in turn is multi-articulated, with the two, the poor 7 and 8th corresponding poor 21 and 22 as well as an additional arm 23 , The poor 21 and 22 are above that the joint 9 appropriate joint 24 connected with each other. Furthermore, the arm 21 with its other end over the joint 11 appropriate joint 25 with the camp 12 corresponding bearings 26 connected. The free end of the arm 22 is about a joint 27 with the extra arm 23 connected. The joints 24 . 25 and 27 are in turn associated with actuators or drives that allow the pivoting and rotating movements corresponding to the arrows a-e about these joints, controlled by a control device or its program. Unlike the mechanics 6 serve these actuators only the Zustellbewegung, but not the working movement.
Für die Arbeitsbewegung
ist am freien Ende des Armes 23 eine die Arbeitskinematik
beinhaltende oder bildende Steuereinrichtung 28 vorgesehen,
mit der das Instrument 4 nur für die Arbeitsbewegung bewegt
wird, und zwar wiederum derart, daß der in den Körper 2 des
Patienten 1 eingeführte
Instrumentenkopf 5 dort die erforderlichen Bewegungen durch
Schwenken um den invarianten Punkt 3 und ohne Änderung
der Lage dieses Punktes um beliebige, radial zur Achse des Instrumentes 4 verlaufenden
Achsen sowie durch axiales Verschieben des Instrumentes 4 ausführt. Die
Arbeitsbewegung erfolgt dabei ausgehend von einer Null- oder Ausgangsstellung,
die das Instrument 4 für
die Zustellbewegung bzw. während
des Einführens
in den Körper 2 einnimmt.For the working movement is at the free end of the arm 23 a work kinematics containing or forming control device 28 provided with the instrument 4 is moved only for the working movement, again in such a way that the body 2 of the patient 1 introduced instrument head 5 there the necessary movements by pivoting around the invariant point 3 and without changing the position of this point to any, radial to the axis of the instrument 4 extending axes and by axial displacement of the instrument 4 performs. The working movement takes place starting from a zero or initial position, which the instrument 4 for the delivery movement or during insertion into the body 2 occupies.
Realisiert
ist die Kinematik der Steuereinrichtung 28 dadurch, daß das sondenartige
Instrument 4 an seinem dem Instrumentenkopf 5 entfernt
liegenden Ende in zwei, von dem Punkt 3 beabstandeten,
parallelen Ebenen Q1 und Q2 geführt
ist, und zwar derart, daß der
Schnittpunkt Q1 bzw. Q2, an welchem die Achse des Instrumentes 4 die
jeweilige Ebene E1 bzw. E2 schneidet, in jeder Ebene verschoben
werden kann, und zwar in Abhängigkeit
von der gewünschten
Bewegung des Instrumentenkopfes 5. Gleichzeitig kann das
sondenartige Instrument 4 in der Steuereinrichtung 28 um
seine Achse gedreht und auch axial verschoben werden. Die Ebenen
E1 und E2 sind jeweils als X-Y-Ebenen angegeben, so daß die Schnittpunkte
Q1 und Q2 durch die Koordinaten x1 und y1 bzw. x2 und y2 definiert
sind.Realized is the kinematics of the control device 28 in that the probe-like instrument 4 at his the instrument head 5 distant end in two, from the point 3 spaced, parallel planes Q1 and Q2 is guided, such that the intersection Q1 and Q2, at which the axis of the instrument 4 the respective plane E1 or E2 intersects, can be moved in each plane, depending on the desired movement of the instrument head 5 , At the same time, the probe-like instrument 4 in the control device 28 rotated about its axis and also moved axially. The planes E1 and E2 are respectively indicated as XY planes, so that the intersections Q1 and Q2 are defined by the coordinates x1 and y1, and x2 and y2, respectively.
Realisierbar
ist die Steuereinrichtung 28 beispielsweise entsprechend
der 3 dadurch, daß in
jeder Ebene E1 und E2 eine Schlittenanordnung 29.1 bzw. 29.2 vorgesehen
ist, die aus einem inneren Schlitten 30 besteht, an dem
das sondenartige Instrument 4 in einer Verschiebehülse 33 mit
Kugelgelenk oder kardanischer Lagerung um beliebige, in der Ebene
E1 bzw. E2 liegende Achsen schwenkbar sowie axial verschiebbar und
drehbar gelagert ist und der in Richtung der Y-Achse in einem äußeren Schlitten 31 verschiebbar
ist, welcher seinerseits in einer Führung 32 in der X-Achse verschiebbar
ist. Die Führungen 32 sowie
die zugehörigen Betätigungselemente
zum gesteuerten Bewegen der Schlitten 30 und 31 sowie
zum axialen Verschieben des Instrumentes 4 und zum Drehen
dieses Instrumentes 4 um seine Längsachse sind auf einem Träger 23' vorgesehen,
der Bestandteil des Arms 23 ist.The control device can be implemented 28 for example, according to the 3 in that in each plane E1 and E2 a carriage arrangement 29.1 respectively. 29.2 is provided, which consists of an inner slide 30 exists, on which the probe-like instrument 4 in a sliding sleeve 33 with ball joint or gimbal bearing about any, lying in the plane E1 or E2 axes pivotable and axially displaceable and is rotatably mounted and in the direction of the Y-axis in an outer carriage 31 is displaceable, which in turn in a leadership 32 is displaceable in the X-axis. The guides 32 and associated actuators for controlled movement of the carriages 30 and 31 and for axial displacement of the instrument 4 and to turn this instrument 4 around its longitudinal axis are on a support 23 ' provided, the part of the arm 23 is.
Der
Vorteil der in der 2 und 3 dargestellten
Robotereinrichtung 19 ist, daß bei dieser Einrichtung eine
strikte Trennung zwischen der Zustellkinematik und der Arbeitskinematik
besteht, so daß eine
wesentlich genauere Bewegung des Instrumentes 4 bzw. des
Instrumentenkopfes 5 möglich
ist und für
diese Bewegung durch die Arbeitskinematik bzw. Steuereinrichtung 28 auch
nur kleine Massen bewegt werden müssen. Nur für das Zustellen des Instrumentes 4 und
die Positionierung der Steuereinrichtung 28 in Bezug auf den
Patienten 1 ist die Zustellkinematik 20 erforderlich.The advantage of in the 2 and 3 shown robot device 19 is that in this device there is a strict separation between the Zustellkinematik and the working kinematics, so that a much more accurate movement of the instrument 4 or the instrument head 5 is possible and for this movement by the working kinematics or control device 28 even small masses need to be moved. Only for delivery of the instrument 4 and the positioning of the control device 28 in relation to the patient 1 is the delivery kinematic 20 required.
Die 4 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
der Erfindung eine Vorrichtung 19a, die sich von der Vorrichtung 19 im
wesentlichen nur durch eine unterschiedliche Ausbildung der Arbeitskinematik
bzw. der Steuereinrichtung 28a unterscheidet.The 4 shows a further possible embodiment of the invention, a device 19a that differ from the device 19 essentially only by a different design of the working kinematics or the control device 28a different.
Um
die Bewegung des Instrumentes 4 bzw. des Kopfes 5 im
Körper 2 des
Patienten 1 durch Schwenken um den invarianten Punkt 3 sowie
durch axiales Verschieben oder Drehen um die Achse des Instrumentes 4 zu
erreichen, ist letzteres an seinem dem Kopf 5 entfernt
liegenden Ende außerhalb
des Körpers 2 auf
einem Kreisbogen 34 geführt,
dessen Mittelpunkt der invariante Punkt oder annähernd der invariante Punkt 3 ist.
Die kreisbogenförmige
Führung 34 ist
ihrerseits an einem Träger 35 um
eine Gelenkachse 36 schwenkbar, die ebenfalls durch den
Punkt 3 oder annähernd
durch den Punkt 3 geht. Der Träger 35 ist an dem
freien Ende des Armes 23 vorgesehen oder Bestandteil dieses
Armes.To the movement of the instrument 4 or the head 5 in the body 2 of the patient 1 by panning around the invariant point 3 as well as by axial displacement or rotation about the axis of the instrument 4 to reach is the latter at his head 5 distant end outside of the body 2 on a circular arc 34 whose center is the invariant point or approximately the invariant point 3 is. The circular arc guide 34 is in turn on a carrier 35 around a hinge axis 36 swiveling, also through the point 3 or nearly through the point 3 goes. The carrier 35 is at the free end of the arm 23 provided or part of this arm.
Die 5 zeigt
als Vorrichtung 19b eine konstruktive Ausführung der
Vorrichtung der 4 mehr im Detail. Bei dieser
Ausführung
ist anstelle einer mehrgliedrigen oder mehrarmigen Zustellkinematik 20 eine
Zustellanordnung oder Kinematik 20b vorgesehen, die im
wesentlichen aus einem säulenartigen
Grundkörper 37 besteht,
der um seine vertikale Achse drehbar (Pfeil f) an einem nicht dargestellten
Lager gelagert ist und an dem axial verschiebbar ein dem Arm 22 entsprechender
Arm 22b vorgesehen ist, an dessen freien Ende über ein
dem Gelenk 27 entsprechendes Gelenk 276, ein dem
Arm 23 entsprechender Arm 23b angelenkt ist, und zwar
für eine
Schwenkbewegung um eine Achse senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers 37.The 5 shows as a device 19b a constructive embodiment of the device of 4 more in detail. In this embodiment, instead of a multi-link or multi-arm Zustellkinematik 20 a delivery arrangement or kinematics 20b provided, which consists essentially of a columnar base body 37 consists, which is rotatable about its vertical axis (arrow f) is mounted on a bearing, not shown, and on the axially displaceable one arm 22 corresponding arm 22b is provided, at its free end via a joint 27 corresponding joint 276 , one's arm 23 corresponding arm 23b is articulated, for pivotal movement about an axis perpendicular to the longitudinal axis of the body 37 ,
An
dem Arm 23b ist mittels eines dem Gelenk 36 entsprechenden
Gelenks 36b die der Führung 34 entsprechende
kreisbogenförmige
Führung 34b angelenkt.On the arm 23b is by means of a joint 36 corresponding joint 36b the leadership 34 corresponding circular arc-shaped guide 34b hinged.
Durch
die Drehbewegung des Grundkörpers 37 sowie
durch die Verstellbewegung des Armes 22b in Richtung der
Längsachse
des Grundkörpers 37 sowie
auch in einer hierzu senkrecht verlaufenden Richtung (radiale Verstellung)
kann bei der Zustellung in einem Zustellraum jede beliebige Position
angefahren werden. Mit Hilfe des Gelenks 23b kann die kreisbogenförmige Führung 34b,
an der das Instrument 4 mittels eines Schlittens 38 geführt ist,
in ihrer Lage optimal eingestellt werden. An dem nur schematisch
angedeuteten Schlitten 38 sind wiederum Mittel vorgesehen,
um das Instrument 4 axial zu bewegen sowie um seine Achse zu
drehen.By the rotation of the body 37 as well as by the adjusting movement of the arm 22b in the direction of the longitudinal axis of the main body 37 as well as in a direction perpendicular thereto (radial adjustment) can be approached during delivery in a Zustellraum any position. With the help of the joint 23b can the circular arc guide 34b at which the instrument 4 by means of a carriage 38 is guided, be optimally adjusted in their position. At the only schematically indicated slide 38 In turn, funds are provided to the instrument 4 to move axially as well as to rotate about its axis.
Bei
der Vorrichtung 19b erfolgt die Zustellbewegung durch Einstellen
der Führung 34b mittels
des Gelenks 23b, durch Einstellen des Armes 22b in
Achsrichtung des Grundkörpers 37 sowie
radial hierzu sowie durch Drehen des Grundkörpers 37 um seine
Längsachse
derart, daß die
Achse des an der Führung 34b mittels
eines Schlittens 38 gehaltenen Instrumentes 4 bei
in der Ausgangsstellung befindlichen Instrument 4 den invarianten
Punkt 3 am Patienten 1 schneidet. Im Anschluß daran
erfolgt das Einführen
des Instrumentes in den Körper 2 des
Patienten am invarianten Punkt 3 und durch Bewegen des
Schlittens 38 entlang der Führung 34b, durch Schwenken
der Führung 34b um
die Achse des Gelenks 36b und durch axiales Bewegen des
Instrumentes 4 die Bewegung für den Kopf 5 im Inneren
des Patienten. Die Zustellbewegung kann bei dieser Ausführung auch
manuell erfolgen.In the device 19b the delivery movement takes place by adjusting the guidance 34b by means of the joint 23b , by adjusting the arm 22b in the axial direction of the body 37 as well as radially thereto and by turning the body 37 about its longitudinal axis such that the axis of the guide 34b by means of a carriage 38 held instrument 4 when in the initial position instrument 4 the invariant point 3 on the patient 1 cuts. Following this, the instrument is inserted into the body 2 of the patient at the invariant point 3 and by moving the sled 38 along the guide 34b by pivoting the guide 34b around the axis of the joint 36b and by axially moving the instrument 4 the movement for the head 5 inside the patient. The feed movement can also be done manually in this embodiment.
Bei
der Vorrichtung 19b erfolgt also die Bewegung des Instrumentes 4 in
der Weise, daß dieses
Instrument bei der Bewegung in einer Bewegungsebene geführt ist,
die durch die Längsachse
des Instrumentes 4 und durch eine durch den invarianten
Punkt 3 verlaufende Schwenkachse definiert ist. Letztere
ist bei der dargestellten Ausführungsform
eine horizontale Achse und verläuft
quer zur Patientenlängsachse.
Innerhalb dieser Ebene wird das Instrument 4 um den invarianten
Punkt 3, dessen Lage z.B. konstant oder nahezu konstant
ist, geschwenkt. Weiterhin wird bei dieser Ausführung die genannte Bewegungsebene
um die Schwenkachse geschwenkt, so daß unter Berücksichtigung der zusätzlichen
axialen Bewegung des Instrumentes 4 sowie einer Drehbewegung
dieses Instrumentes um seine Achse das in den Patientenkörper durch
den invarianten Punkt 3 eingeführte Instrumentenende dort
innerhalb eines Operationsraumes jede beliebige Stellung einnehmen
kann.In the device 19b So the movement of the instrument takes place 4 in such a way that this instrument is guided in the movement in a plane of movement passing through the longitudinal axis of the instrument 4 and by one through the invariant point 3 extending pivot axis is defined. The latter is in the illustrated embodiment, a horizontal axis and extends transversely to the patient's longitudinal axis. Within this level becomes the instrument 4 around the invariant point 3 whose position is, for example, constant or nearly constant, panned. Furthermore, in this embodiment, said movement plane is about the pivot pivoted axis, so that taking into account the additional axial movement of the instrument 4 and a rotational movement of this instrument about its axis into the patient's body through the invariant point 3 introduced instrument end there can occupy any position within an operating room there.
Die
Vorteile der Vorrichtungen 19a und 19b bestehen
darin, daß die
Arbeitskinematik für
die Bewegung des Instrumentes 4 generell nur drei Freiheitsgrade
benötigt,
die unabhängig
voneinander gesteuert werden müssen.
Der Instrumentenkopf 5 wird beim Bewegen des Schlittens 38 auf
der Führung 34 bzw. 34b und beim
Schwenken dieser Führung
im wesentlichen auf einer kreisförmig
gekrümmten
Bahn bewegt. Abweichungen hiervon sind durch eine gesteuerte Bewegung
des Instrumentes 4 in seiner Längsachse möglich. Für die Steuerung der Arbeitsbewegung
ist ein relativ einfacher Algorithmus möglich.The advantages of the devices 19a and 19b consist in that the working kinematics for the movement of the instrument 4 generally only three degrees of freedom needed, which must be controlled independently. The instrument head 5 will when moving the carriage 38 on the lead 34 respectively. 34b and moved during pivoting of this guide substantially on a circular curved path. Deviations from this are due to a controlled movement of the instrument 4 possible in its longitudinal axis. For the control of the working movement a relatively simple algorithm is possible.
Die 6 zeigt
in schematischer Darstellung als weitere mögliche Ausführungsform eine Vorrichtung 19c,
die sich von der Vorrichtung 19 im wesentlichen dadurch
unterscheidet, daß anstelle
der Steuereinrichtung 28 eine Steuereinrichtung 28c vorgesehen
ist. Die Kinematik für
die Arbeitsbewegung ist dadurch realisiert, daß das Instrument 4 in
einer von dem Punkt 3 beabstandeten und außerhalb
des Körpers 2 des
Patienten 1 definierten Ebene E in den beiden, diese Ebene
bestimmenden Achsrichtungen X und Y bewegbar ist und zugleich am
Schnittpunkt Q1 der Instrumentenachse mit der Ebene E um beliebige,
in dieser Ebene liegende Achsen schwenkbar ist. Außerdem ist
das Instrument 4 axial verschiebbar sowie um seine Längsachse drehbar.The 6 shows a schematic representation of another possible embodiment, a device 19c that differ from the device 19 essentially differs in that instead of the control device 28 a control device 28c is provided. The kinematics for the working movement is realized by the fact that the instrument 4 in one of the point 3 spaced and outside the body 2 of the patient 1 defined plane E in the two, this level determining axial directions X and Y is movable and at the same time at the intersection Q1 of the instrument axis with the plane E about any, lying in this plane axes is pivotally. Besides, the instrument is 4 axially displaceable and rotatable about its longitudinal axis.
Die
Steuerung erfolgt wiederum in Abhängigkeit von einem Steuerprogramm
oder Algorithmus so, daß sich
der Instrumentenkopf 5 im Körper 2 des Patienten 1 in
der gewünschten
Weise bewegt, und zwar durch Schwenken um radial zur Achse des Instrumentes 4 oder
zur Durchdringungsachse verlaufende Achsen, die auch durch den Punkt 3 gehen,
so daß dieser
Punkt bei der Bewegung des Instrumentes 4 beibehalten wird.The control is again in response to a control program or algorithm so that the instrument head 5 in the body 2 of the patient 1 moved in the desired manner, by pivoting about radially to the axis of the instrument 4 or to the axis of penetration extending axes, which also by the point 3 go so that this point in the movement of the instrument 4 is maintained.
Die 7 zeigt
in vereinfachter Darstellung eine mögliche Realisierung der Steuereinheit 28c.
Dort ist wiederum eine der Schlittenanordnung 29.1 bzw. 29.2 entsprechende
Schlittenanordnung 29c vorgesehen, die aus dem inneren
Schlitten 30c besteht, an welchem das Instrument 4 an
seinem dem Kopf 5 entfernt liegenden Ende mittels einer
Verschiebehülse
mit Kugelgelenk um beliebige Achsen in der Ebene E schwenkbar ist,
und zwar gesteuert durch den Ansteueralgorithmus durch ein nicht
dargestelltes, am Schlitten 30c vorgesehenes Stellglied.
Der Schlitten 30c ist in der Ebene E und zwar in der Y-Achse
in einem äußeren Schlitten 31c geführt, der
seinerseits in der Führung 32c geführt ist,
und zwar in der X-Achse. Für
die Bewegungen der Schlitten 30c und 31c sind
ebenfalls Stellglieder oder Antriebe vorgesehen, die unabhängig voneinander
gesteuert werden.The 7 shows a simplified representation of a possible implementation of the control unit 28c , There is again one of the carriage arrangement 29.1 respectively. 29.2 corresponding carriage arrangement 29c provided from the inner slide 30c exists on which the instrument 4 at his head 5 remote end is pivotable about any axis in the plane E by means of a sliding sleeve with ball joint, controlled by the Ansteueralgorithmus by a not shown, on the carriage 30c provided actuator. The sled 30c is in the plane E and in the Y-axis in an outer slide 31c led, in turn, in the lead 32c is guided, in the X-axis. For the movements of the sledges 30c and 31c are also provided actuators or drives that are controlled independently.
Bei
den Vorrichtungen 19a und 19b, die wegen der Positionierung
Führung 34 bzw. 34b für die Arbeitsbewegung
des Instrumentes 4 nur drei zu steuernde Freiheitsgrade
benötigen,
ist es allerdings erfordert, daß die
jeweilige Führung 34 bzw. 34b sowie
auch die Schwenkachse des Gelenks 36 bzw. 36b in
Bezug auf den Punkt 3 möglichst
exakt ausgerichtet sind. Die Vorrichtungen 19 und 19c haben
den Vorteil, daß der
Abstand, den die Steuereinrichtung 28 bzw. 28c bzw.
die dortigen Steuerebenen E und E2 von dem Punkt 3 aufweisen, beliebig
sein kann, dieser Abstand aber bei der Steuerung der Instrumentenbewegung
berücksichtigt
werden muß.In the devices 19a and 19b that because of the positioning leadership 34 respectively. 34b for the working movement of the instrument 4 require only three degrees of freedom to control, it is required, however, that the respective leadership 34 respectively. 34b as well as the pivot axis of the joint 36 respectively. 36b in terms of the point 3 are aligned as exactly as possible. The devices 19 and 19c have the advantage that the distance that the control device 28 respectively. 28c or the local control levels E and E2 from the point 3 may be arbitrary, but this distance must be considered in the control of the instrument movement.
Die 8 zeigt
in schematischer Darstellung als weitere mögliche Ausführungsform eine Vorrichtung 19d,
die ähnlich
der Vorrichtung 19b der 5 ausgebildet
ist. Die Vorrichtung 19d besteht wiederum aus der Zustellkinematik 20d und
der Arbeitskinematik 28d.The 8th shows a schematic representation of another possible embodiment, a device 19d that are similar to the device 19b of the 5 is trained. The device 19d in turn consists of the delivery kinematics 20d and the work kinematics 28d ,
Die
Zustellkinematik umfaßt
die bei der dargestellten Ausführungsform
in vertikaler Richtung orientierte Tragsäule 40, die um ihre
vertikale Längsachse
drehbar (Pfeil α)
an einem nicht weiter dargestellten Vorrichtungsgestell vorgesehen
ist und an der in der in axialer Richtung ein Gelenkträger 41 verstellbar
geführt
ist (Doppelpfeil H1). Der Gelenkträger 41 weist ein Gelenk 42 auf,
und zwar mit einer Gelenkachse, die senkrecht zur Achse der Tragsäule 40 und
damit senkrecht zur Verstellachse des Gelenkträgers 41 liegt. Über das
Gelenk 42 ist ein Trag- oder Führungsstück 43 gelenkig mit
dem Gelenkträger 41 verbunden
(Pfeil α').The feed kinematics comprises the support column oriented in the vertical direction in the illustrated embodiment 40 , Which is provided about its vertical longitudinal axis rotatable (arrow α) on a device frame, not shown, and on the in the axial direction of a joint carrier 41 adjustable is guided (double arrow H1). The joint carrier 41 has a joint 42 on, with a hinge axis, which is perpendicular to the axis of the support column 40 and thus perpendicular to the adjustment axis of the joint carrier 41 lies. About the joint 42 is a carrying or guiding piece 43 articulated with the joint carrier 41 connected (arrow α ').
Am
Tragstück 43 ist
in Tragstücklängsrichtung
(Doppelpfeil H2) ein von diesem Tragstück radial wegstehender Tragarm 44 vorgesehen.
Der Tragarm 44 ist mit einem Ende an dem Tragstück 43 geführt und
trägt an
dem anderen Ende einen Kopf 45, in welchem das Instrument 4 um
seine Längsachse
drehbar und in Richtung seiner Längsachse
verschiebbar vorgesehen ist. Der Kopf 45 ist seinerseits
um eine Achse radial zur Achse des Tragarmes 44 drehbar
am Tragarm befestigt (Pfeil δ),
wobei diese Dreh- oder Schwenkachse senkrecht zu einer Ebene liegt,
die von der Längsachse
des Tragarmes 44 und der Längsachse des Instruments 4 definiert
ist. Weiterhin ist der Tragarm 44 in Längsrichtung verstellbar (Doppelpfeil
V) und besteht hierfür
beispielsweise aus zwei teleskopartig ineinander geführten Teilen.On the support piece 43 is in Tragstücklängsrichtung (double arrow H2) from this support piece radially wegstehender arm 44 intended. The support arm 44 is with one end to the support piece 43 guided and carries at the other end a head 45 in which the instrument 4 is rotatable about its longitudinal axis and slidably provided in the direction of its longitudinal axis. The head 45 is in turn about an axis radial to the axis of the support arm 44 rotatably mounted on the support arm (arrow δ), said rotation or pivot axis is perpendicular to a plane extending from the longitudinal axis of the support arm 44 and the longitudinal axis of the instrument 4 defi is defined. Furthermore, the support arm 44 adjustable in the longitudinal direction (double arrow V) and consists for example of two telescopically guided parts.
Die
Verstellbewegungen α,
H1 und V sind Teil der Zustellkinematik. Die übrigen Bewegungen sind Teil der
Arbeitskinematik. Zumindest für
die Bewegungen der Arbeitskinematik sind wiederum motorische Antriebe vorgesehen.
Um beim Bewegen des in den Patientenkörper eingeführten Instrumentes 4 den
invarianten Punkt 3 möglichst
ortsfest zu belassen, erfolgt die Einstellung durch die Zustellkinematik
derart, daß die
Achse des Gelenks 42 den invarianten Punkt schneidet und
sich vor dem Einführen
des Instrumentes 4 in den Patientenkörper die Spitze des Instrumentes
durch entsprechende Einstellung der Länge des Tragarmes 44 (Verstellung
V) über
dem invarianten Punkt 3 befindet.The adjustment movements α, H1 and V are part of the delivery kinematics. The remaining movements are part of the working kinematics. At least for the movements of the work kinematics turn motor drives are provided. To move the instrument introduced into the patient's body 4 the invariant point 3 as possible to leave stationary, the setting is done by the Zustellkinematik such that the axis of the joint 42 the invariant point intersects and moves before inserting the instrument 4 in the patient's body, the tip of the instrument by adjusting the length of the support arm 44 (Adjustment V) above the invariant point 3 located.
Die
Arbeitskinematik wird dann so gesteuert, daß das Instrument 4 durch
Schwenken des Tragstückes 43 mit
dem Tragarm 44 und dem Kopf 45 um die Achse des
Gelenks 42 ebenfalls um die Achse des Gelenks 42 und
damit um den invarianten Punkt in einer die Längsachse dieses Instrumentes
sowie beispielsweise die Längsachse
des Patienten einschließenden
Ebene geschwenkt wird. Durch entsprechende Ansteuerung der Antriebe
für die
Bewegungen H2, V und δ kann
das Instrument 4 dann auch in einer von der Instrumentenlängsachse
und der Längsachse
des Tragarmes 44 definierten Ebene durch Schwenken um den
invarianten Punkt 3 bewegt werden. Die Antriebe werden
hierbei also derart gesteuert, daß sich der Kopf 45,
an dem das Instrument 4 gehalten ist, für diese zweite Bewegung wiederum
auf einer Kreisbahn um den invarianten Punkt bewegt, die (Kreisbahn)
in der von der Längsachse
des Instrumentes 4 und der Schwenkachse des Gelenks 42 definierten
Ebene liegt, die um diese Gelenkachse schwenkbar ist.The working kinematics are then controlled so that the instrument 4 by pivoting the support piece 43 with the support arm 44 and the head 45 around the axis of the joint 42 also around the axis of the joint 42 and thus pivoted about the invariant point in a plane enclosing the longitudinal axis of this instrument and, for example, the longitudinal axis of the patient. By appropriate control of the drives for the movements H2, V and δ, the instrument 4 then in one of the instrument longitudinal axis and the longitudinal axis of the support arm 44 defined plane by pivoting around the invariant point 3 to be moved. The drives are thus controlled so that the head 45 on which the instrument 4 is held, for this second movement in turn moves on a circular orbit around the invariant point, the (orbit) in the of the longitudinal axis of the instrument 4 and the pivot axis of the joint 42 defined plane which is pivotable about this hinge axis.
Die
Kinematik der Vorrichtung 19d entspricht also vom Bewegungsablauf
her gesehen im wesentlichen der Kinematik der Vorrichtung 19b,
allerdings mit dem Unterschied, daß für die Bewegung des Instrumentes 4 in
der quer zur Patientenlängsachse
verlaufenden schwenkbaren Bewegungsebene keine kreisbogenförmige Führung für das Instrument 4 bzw.
für den
das Instrument tragenden Kopf 45 körperlich vorgesehen ist, sondern
diese kreisbogenförmige
Führung
durch eine entsprechende Steuerung der Arbeitskinematik nachgebildet
ist.The kinematics of the device 19d therefore corresponds to the motion sequence seen essentially the kinematics of the device 19b , but with the difference that for the movement of the instrument 4 in the transverse to the patient's longitudinal axis extending pivotal plane of motion no arcuate guide for the instrument 4 or for the head carrying the instrument 45 is physically provided, but this arcuate guide is modeled by a corresponding control of the work kinematics.
Die
Vorrichtung 19d ermöglicht
auch eine Verlagerung des invarianten Punktes 3 in Patientenquerrichtung,
und zwar durch entsprechende Ansteuerung der Antriebe D und V. Sofern
auch eine Verlagerung des invarianten Punktes in Patientenlängsrichtung
notwendig ist, z.B für
Operationen am Rücken,
ist eine Zustellbewegung auch in dieser Achse zusätzlich notwendig.The device 19d also allows a shift of the invariant point 3 in the transverse direction of the patient, by appropriate control of the drives D and V. If a displacement of the invariant point in the patient's longitudinal direction is necessary, for example, for operations on the back, a delivery movement is also necessary in this axis.
Bei
der Vorrichtung 19d ist die Tragsäule 40 weiterhin an
einem Schlitten 40.1 vorgesehen, der an einer Führung 40.2 in
Patientenlängsrichtung,
d. h. in Längsrichtung
des Tisches 52 zur Lagerung des Patienten verstellbar vorgesehen
ist. Der Schlitten 40.1, die zugehörige Führung 40.2 sowie die
Tragsäule 40 und
die zugehörigen
Antriebe zum Drehen der Tragsäule
(Winkel α)
sowie für
die Höhenverstellung
des Gelenkträgers 41 relativ
zur Tragsäule 40 (Doppelpfeil
H1) sind unter der Ebene des Tisches 52 vorgesehen.In the device 19d is the support pillar 40 continue on a sledge 40.1 scheduled to take part in a guided tour 40.2 in the patient's longitudinal direction, ie in the longitudinal direction of the table 52 is provided for the storage of the patient adjustable. The sled 40.1 , the associated leadership 40.2 as well as the support column 40 and the associated drives for rotating the support column (angle α) and for the height adjustment of the joint carrier 41 relative to the support column 40 (Double arrow H1) are below the level of the table 52 intended.
Die
Vorteile der Vorrichtung 19d bzw. der dortigen Kinematik
lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Geringe
Abhängigkeit
der Bewegungsachsen voneinander. Beim Verfahren in einer Achse sind
maximal zwei Antriebe gleichzeitig aktiv. Beim Verfahren in Patientenquerrichtung
sind nur die Antriebe für
die Bewegungen DV und bei der Höhenverstellung
nur die Antriebe für
die Bewegung H2 und V aktiv.
- 2. Keine Gewichtsbelastung des Antriebs für die Verstellung V bei diesem
Verstellen in vertikaler Richtung;
- 3. Konstante Gewichtsbelastung des Antriebs für die Verstellung
H2.
The advantages of the device 19d or the kinematics there can be summarized as follows: - 1. Low dependence of the axes of motion from each other. When moving in one axis, a maximum of two drives are active at the same time. In the case of the procedure in the transverse direction of the patient, only the drives for the movements DV and, in the height adjustment, only the drives for the movements H2 and V are active.
- 2. No weight load of the drive for the adjustment V during this adjustment in the vertical direction;
- 3. Constant weight load of the drive for the adjustment H2.
Bei
der Kinematik der Vorrichtung 19d sind folgende Wege möglich: In the kinematics of the device 19d the following ways are possible:
Die 9 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
eine Vorrichtung 19e, die sich von den vorbeschriebenen
Vorrichtungen dadurch unterscheidet, daß die in dieser Figur allgemein
mit 46 bezeichnete Kinematik sowohl die Zustellkinematik
als auch die Arbeitskinematik bildet. Auch bei dieser Ausbildungsform
sind aber die Kinematik bzw. deren Antriebe so gesteuert, daß das Instrument 4 nach
dem Zustellen und Einführen in
den Patientenkörper
zusätzlich
zu einer axialen Bewegung und einer Drehbewegung um die Instrumentenachse
wiederum eine Schwenkbewegung um den invarianten Punkt 3 in
einer Bewegungsebene ausführen kann,
die durch die Längsachse
des Instrumentes 4 sowie eine den invarianten Punkt schneidende
Schwenkachse definiert ist. Diese Schwenk- oder Bewegungsebene kann
um die beispielsweise senkrecht zur Patientenlängsachse verlaufende Schwenkachse
geschwenkt werden.The 9 shows a further possible embodiment of a device 19e , which differs from the devices described above in that in this figure generally with 46 referred kinematics forms both the feed kinematics and the working kinematics. In this embodiment, but the kinematics or their drives are controlled so that the instrument 4 after delivery and insertion into the patient's body in addition to an axial movement and a rotational movement about the instrument axis in turn a pivoting movement about the invariant point 3 in a plane of motion that can pass through the longitudinal axis of the instrument 4 and a pivot point intersecting the invariant point is defined. This pivot or movement plane can be pivoted about the pivot axis extending, for example, perpendicular to the patient's longitudinal axis.
Um
dies zu ermöglichen,
besteht die Kinematik 46 aus einer Tragsäule 47,
die entsprechend der Tragsäule 40 um
ihre bei der dargestellten Ausführungsform
vertikale Längsachse
drehbar an einem Vorrichtungsgestell vorgesehen ist (Winkel α).To make this possible, there is the kinematics 46 from a support column 47 that correspond to the support column 40 about its longitudinal axis in the illustrated embodiment is rotatably provided on a device frame (angle α).
An
dem oberen Ende der Tragsäule 47 ist
schwenkbar das eine Ende eines Tragarmes 48 vorgesehen,
und zwar schwenkbar um eine Achse radial zur Längsachse der Tragsäule 47 (Pfeil β). Im anderen
Ende des Tragarmes 48 ist um ein Gelenk ein weiterer Tragarm 49 mit
einem Ende angelenkt (Pfeil γ).
Die Achse des Gelenks zwischen der Tragsäule 47 und dem Tragarm 48 liegt
parallel zu einer Ebene, die durch die einen Winkel miteinander
einschließenden
Tragarme 48 und 49 bzw. deren Längserstreckung
definiert ist, und die Gelenkachse zwischen den Tragarmen 48 und 49 ist
senkrecht zu dieser Ebene orientiert. Am freien Ende des Tragarmes 49 ist über ein
Gelenk (Pfeil ε)
ein Tragkopf 50 für
das Instrument 4 schwenkbar vorgesehen (Pfeil ε), und zwar
um eine Gelenkachse parallel zur Gelenkachse des Gelenks zwischen
den Tragarmen 48 und 49. Das Instrument 4 ist
an dem Kopf 50 um eine weitere Gelenkachse schwenkbar (Pfeil γ), die wiederum
parallel zu der von den Tragarmen 48 und 49 definierten
Ebene liegt.At the top of the support column 47 is pivotally the one end of a support arm 48 provided, namely pivotable about an axis radially to the longitudinal axis of the support column 47 (Arrow β). In the other end of the support arm 48 is another arm around a joint 49 articulated with one end (arrow γ). The axis of the joint between the support column 47 and the support arm 48 lies parallel to a plane through the brackets enclosing an angle with each other 48 and 49 or whose longitudinal extent is defined, and the joint axis between the support arms 48 and 49 is oriented perpendicular to this plane. At the free end of the support arm 49 is a support head via a joint (arrow ε) 50 for the instrument 4 pivotally provided (arrow ε), namely about a hinge axis parallel to the hinge axis of the joint between the support arms 48 and 49 , The instrument 4 is on the head 50 pivotable about another joint axis (arrow γ), which in turn is parallel to that of the support arms 48 and 49 defined level lies.
Insbesondere
für die
Erzielung der notwendigen Arbeitsbewegungen erlauben die Gelenke
die in der nachstehenden Tabelle angegebenen Winkelwege.Especially
for the
Achieving the necessary working movements allow the joints
the angular distances given in the table below.
Die
Vorteile der Vorrichtung 19e bestehen u. a. darin, daß alle Bewegungen
variabel sind und somit auch der invariante Punkt 3 sowohl
in Patientenlängsrichtung
als auch in Patientenquerrichtung bewegbar ist. Komplizierte Voreinstellungen
der Kinematik entfallen. Für
die einzelnen Gelenke oder Bewegungen sind nur Drehbewegungen notwendig.The advantages of the device 19e consist inter alia in the fact that all movements are variable and thus also the invariant point 3 is movable both in the patient's longitudinal direction and in the patient's transverse direction. Complicated default settings of the kinematics eliminated. For the individual joints or movements only rotational movements are necessary.
Die 10 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
eine Vorrichtung 19f, die eine Kombination der Vorrichtungen 19d und 19e darstellt.
Bei der Vorrichtung 19f ist wiederum die um ihre Längsachse
drehbare (Pfeil α)
Tragsäule 43 vorgesehen,
und zwar zusammen mit dem axial verstellbaren Gelenkträger 41,
an welchem über
das Gelenk 42 ein bei dieser Ausführungsform gekürztes Tragstück 43 vorgesehen
ist. Am Tragstück 43 ist
der Tragarm 48 angelenkt (Pfeil β), der wiederum Teil der aus
diesem Tragarm, dem Tragarm 49 und dem Gelenkkopf 50 bestehenden
Teil der Kinematik ist.The 10 shows a further possible embodiment of a device 19f containing a combination of devices 19d and 19e represents. In the device 19f is in turn the rotatable about its longitudinal axis (arrow α) support column 43 provided, together with the axially adjustable joint carrier 41 at which over the joint 42 a shortened in this embodiment support piece 43 is provided. On the support piece 43 is the arm 48 hinged (arrow β), which in turn is part of this support arm, the support arm 49 and the condyle 50 existing part of the kinematics is.
Auch
bei dieser Ausführung
legt das Gelenk 42 bzw. dessen Achse den invarianten Punkt 3 fest
bzw. im Verwendungsfall verläuft
die Achse des Gelenks 42 durch diesen Punkt. Durch entsprechende
Steuerung der Gelenke erfolgt die Bewegung des Instruments 4 wiederum
in der vorstehend beispielsweise im Zusammenhang mit der Vorrichtung 19d beschriebenen
Weise, sofern eine Verlagerung des invarianten Punktes nicht erwünscht ist.Also in this design, the joint sets 42 or its axis the invariant point 3 fixed or in the case of use, the axis of the joint runs 42 through this point. By appropriate control of the joints, the movement of the instrument takes place 4 again in the above, for example, in connection with the device 19d described manner, provided that a shift of the invariant point is not desired.
Sämtlichen
Ausführungen
ist gemeinsam, daß an
den Gelenken und Verstellelementen der Kinematik Sensoren bzw. Geber
vorgesehen sind, die die jeweilige Stellung des Gelenks oder des
Verstellelementes erfassen und als Istwert an eine die Kinematik
steuernde Steuereinrichtung liefern.All versions have in common that on the joints and adjusting the kinematics Sensors or encoders are provided which detect the respective position of the joint or the adjusting element and deliver as an actual value to a control device controlling the kinematics.
Für die Kalibrierung
der jeweiligen Kinematik wird beispielsweise mit der Instrumentenspitze
der Punkt, durch den das Instrument in den Patientenkörper eingeführt werden
soll (invarianter Punkt 3), z.B. manuell angefahren, wobei
das Instrument hierbei mit seiner Achse senkrecht zur Oberfläche des
Patienten angeordnet ist. Die diesem invarianten Punkt entsprechenden
Daten der Kinematik, d.h. der Gelenke und der Verstellelemente werden
dann beispielsweise als Ausgangswert für die Arbeitsbewegung gespeichert.For the calibration of the respective kinematics, the point at which the instrument tip is to be inserted into the patient's body (invariant point 3 ), eg approached manually, the instrument is arranged here with its axis perpendicular to the surface of the patient. The data corresponding to this invariant point of the kinematics, ie the joints and the adjusting elements are then stored, for example, as the output value for the working movement.
Die 11 zeigt
in sehr vereinfachter Darstellung zwei mit 53 und 54 bezeichnete
Elemente einer Kinematik zur Verwendung bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die beiden Elemente 53 und 54 sind durch einen
nicht dargestellten Antrieb, beispielsweise durch einen Zylinder
in Achsrichtung relativ zueinander verstellbar, wie dies in der 11 mit
dem Doppelpfeil H3 angegeben ist. Die Elemente 53 und 54 sind
teleskopartig ineinandergeführte
Rohrprofile mit angepasstem, von der Kreisform abweichendem Außen- bzw.
Innenquerschnitt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Elemente 53 und 54 handelsübliche,
auf dem Markt erhältliche
Rohrprofile aus Metall, beispielsweise Stahl mit einem rechteckförmigen Innen-
bzw. Außenquerschnitt.
Um ein möglichst
spielfreies axiales Verschieben der Elemente 53 und 54 relativ
zueinander zu erreichen, sind im Inneren des Elementes 54 zwischen
diesem Element und der Außenfläche des
Elementes 53 Führungselemente 55 bzw. 55.1 vorgesehen,
und zwar zwei Führungselemente 55 an
den beiden Schmalseiten des rechteckförmigen Rohrprofils des Elementes 54 und
zwei Führungselemente 55.1 an
den beiden größeren Querschnittsseiten
des rechteckförmigen
Profils des Elementes 54.The 11 shows in a very simplified representation two 53 and 54 designated elements of a kinematics for use in a device according to the invention. The two elements 53 and 54 are by a drive, not shown, for example, by a cylinder in the axial direction relative to each other adjustable, as shown in the 11 indicated by the double arrow H3. The Elements 53 and 54 are telescopically intertwined tube profiles with adapted, deviating from the circular outer or inner cross-section. In the illustrated embodiment, the elements are 53 and 54 commercial, available on the market pipe profiles made of metal, such as steel with a rectangular inner or outer cross section. To a backlash-free axial displacement of the elements 53 and 54 To achieve relative to each other are inside the element 54 between this element and the outer surface of the element 53 guide elements 55 respectively. 55.1 provided, namely two guide elements 55 on the two narrow sides of the rectangular tube profile of the element 54 and two guide elements 55.1 on the two larger cross-sectional sides of the rectangular profile of the element 54 ,
Jedes
Führungselement 55 besteht
aus einer Platte 56, die einen rechteckförmigen Zuschnitt
aufweist und die mit ihrer Längserstreckung
parallel zu der Längsachse
der beiden Elemente 53 und 54 orientiert ist. Die
Platte 56 ist mit zwei parallelen nutenförmigen Ausnehmungen 57 versehen.
In jede Ausnehmung 57 ist ein streifenförmiger Gleitbelag 58 aus
einem geeigneten Material eingeklebt, und zwar derart, dass jeder
Gleitbelag mit seiner Längserstreckung
parallel zur Längsachse
der Elemente 53 und 54 liegt und mit einer Gleitfläche gegen
die Außenfläche des
inneren Elementes 53 anliegt.Every guide element 55 consists of a plate 56 which has a rectangular blank and which, with their longitudinal extension parallel to the longitudinal axis of the two elements 53 and 54 is oriented. The plate 56 is with two parallel groove-shaped recesses 57 Mistake. In every recess 57 is a strip-shaped sliding coating 58 glued from a suitable material, in such a way that each sliding coating with its longitudinal extent parallel to the longitudinal axis of the elements 53 and 54 lies and with a sliding surface against the outer surface of the inner element 53 is applied.
Die
Platte 56 ist mit vier Öffnungen 59 versehen,
und zwar mit jeweils zwei Öffnungen 59 im
Bereich jeder Nute 57. Die Platte 56 liegt mit
ihrer in Ausnehmungen 57 abgewandten Seite gegen die Innenfläche des Profils
des Elementes 54 an. Am Element 54 sind den Öffnungen 59 entsprechend
vier Gewindebohrungen 60 vorgesehen, in denen jeweils ein
Schraubenkörper 61 aufgenommen
ist, und zwar derart, dass jeweils eine Verlängerung 62 in eine Öffnung 59 eingreift
und durch Verstellen des Schraubenkörpers 61 das jeweilige
Führungselement 55 im
Bezug auf die Außenfläche des
Elements 53 optimal positioniert werden kann.The plate 56 is with four openings 59 provided, with two openings 59 in the area of each groove 57 , The plate 56 lies with her in recesses 57 opposite side against the inner surface of the profile of the element 54 at. At the element 54 are the openings 59 according to four threaded holes 60 provided, in each of which a screw body 61 is received, in such a way that in each case an extension 62 in an opening 59 engages and by adjusting the screw body 61 the respective guide element 55 in relation to the outer surface of the element 53 can be optimally positioned.
In
gleicher Weise sind auch die beiden Führungselemente 55.1 ausgebildet,
d. h. sie bestehen aus jeweils einer Platte 56.1 mit den
beiden Nuten 57.1 und den in den Nuten aufgenommenen Gleitbelägen 58.1. Weiterhin
besitzen die Platten 56.1 die vier Öffnungen 55.1 in die
die Gewindebohrungen 60.1 angeordneten Schrauben 61.1 mit
einer Verlängerung 62.1 eingreifen
und dadurch das Führungselement 55.1 gegen
ein axiales Verschieben sichert.In the same way are the two guide elements 55.1 trained, ie they each consist of a plate 56.1 with the two grooves 57.1 and the sliding surfaces received in the grooves 58.1 , Furthermore, the plates have 56.1 the four openings 55.1 into the threaded holes 60.1 arranged screws 61.1 with an extension 62.1 engage and thereby the guide element 55.1 secures against axial displacement.
Die
in den 11–14 dargestellte
Ausführung
der Elemente 53 und 54, insbesondere auch die beschriebene
Führung
zwischen diesen Elementen zeichnet sich durch eine besonders hohe
Steifigkeit aus.The in the 11 - 14 illustrated embodiment of the elements 53 and 54 , In particular, the described leadership between these elements is characterized by a particularly high rigidity.
Die
Erfindung wurde voranstellend an verschiedenen Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen
sowie Abwandlungen möglich
sind, ohne daß dadurch
der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke verlassen wird. So wurde
vorstehend der einfacheren Beschreibung wegen davon ausgegangen,
daß das
Instrument 4 ein sondenartiges Instrument ist, welches
unmittelbar an der jeweiligen Steuereinheit 28, 28a, 28b bzw. 28c vorgesehen
ist. Selbstverständlich
sind auch Ausführungen
denkbar, bei denen die jeweilige Steuereinheit einen Endeffektor
oder Instrumententräger
für das
Instrument 4 aufweist, welches dann lösbar und damit auch austauschbar
an diesem Endeffektor bzw. Instrumententräger vorgesehen ist.The invention has been described above in various embodiments. It is understood that numerous changes and modifications are possible without thereby departing from the idea underlying the invention. Thus, for the sake of simplicity of the description, it has been assumed that the instrument 4 is a probe-like instrument, which is directly on the respective control unit 28 . 28a . 28b respectively. 28c is provided. Of course, embodiments are also conceivable in which the respective control unit is an end effector or instrument carrier for the instrument 4 which is then provided detachably and thus also exchangeably on this end effector or instrument carrier.
Vorstehend
wurde weiterhin davon ausgegangen, daß die Zustellkinematik 20, 20a, 20c von
gelenkig miteinander verbundenen Armen gebildet ist. Wie bereits
die 5 bzw. die dortige Zustellkinematik 20b zeigt, sind
auch andere Konstruktionen denkbar, insbesondere auch solche, bei
denen anstelle von gelenkig miteinander verbundenen Armen andere
relativ zueinander bewegbare Halte- oder Tragelemente vorgesehen
sind.The above was further assumed that the delivery kinematics 20 . 20a . 20c is formed by articulated arms. Like already the 5 or the local delivery kinematics 20b shows, other constructions are conceivable, especially those in which instead of hingedly interconnected arms other relatively movable holding or supporting elements are provided.
Als
Stellglieder für
die jeweilige Arbeitskinematik 28, 28a, 28b und 28c eignen
sich beispielsweise elektrische oder hydraulische Stellglieder,
beispielsweise elektrische Schrittmotoren mit Inkrementalgebern usw..As actuators for the respective working kinematics 28 . 28a . 28b and 28c are suitable, for example electric or hydraulic actuators, such as electric stepper motors with incremental encoders, etc.
Der
von den Elementen 53 und 54 gebildete Teil der
Kinematik zeichnet sich durch eine besonders hohe Steifigkeit aus,
die sich aus der Verwendung der Rohrprofile ergibt. Weiterhin kann
das Spiel der Führung zwischen
den beiden Elementen 53 und 54 sehr klein gehalten
werden, und zwar durch die Möglichkeit
der radialen Verstellung der Platten 56 und 56.1.
Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass das Stellelement, beispielsweise
der Zylinder von den Elementen 53 und 54 gebildeten
Raum aufgenommen werden kann.The one of the elements 53 and 54 formed part of the kinematics is characterized by a particularly high rigidity, resulting from the use of the tube profiles. Furthermore, the game of leadership between the two elements 53 and 54 be kept very small, by the possibility of radial adjustment of the plates 56 and 56.1 , Another advantage is also that the actuator, such as the cylinder of the elements 53 and 54 formed space can be recorded.
-
11
-
Patientpatient
-
22
-
Patientenkörperpatient's body
-
33
-
invarianter
Punktinvariant
Point
-
44
-
Instrument
oder Instrumentenhalterinstrument
or instrument holder
-
55
-
Instrumentenkopfinstrument head
-
66
-
Vorrichtungcontraption
-
7,
87,
8th
-
Armpoor
-
9,
10, 119
10, 11
-
Gelenkjoint
-
1212
-
Lagercamp
-
1313
-
Auflage
für den
Patienten 1 bzw. OperationstischPad for the patient 1 or operating table
-
19,
19a, 19b, 19c19
19a, 19b, 19c
-
Vorrichtungcontraption
-
19d,
19e, 19f19d,
19e, 19f
-
Vorrichtungcontraption
-
20,
20b, 20d20
20b, 20d
-
ZustellkinematikZustellkinematik
-
21,
22, 2321
22, 23
-
Armpoor
-
22b,
23b22b,
23b
-
Armpoor
-
24,
25, 27, 27b24
25, 27, 27b
-
Gelenkjoint
-
28,
28a, 28b, 28c, 28d28
28a, 28b, 28c, 28d
-
Steuereinrichtung
für die
Arbeitskinematikcontrol device
for the
working kinematics
-
2727
-
Gelenkjoint
-
29.1,
29.2, 29c29.1,
29.2, 29c
-
Schlittenanordnungcarriage assembly
-
30,
31, 30c, 31c30
31, 30c, 31c
-
Schlittencarriage
-
32,
32c32
32c
-
Führungguide
-
33,
33c33
33c
-
Verschiebehülsen mit
kardanischer oderShift sleeves with
gimbal or
-
-
KugelgelenklagerungBall joint mounting
-
34,
34b34
34b
-
kreisbogenförmige Führungcircular arc guide
-
3535
-
Tragrahmensupporting frame
-
3636
-
Gelenkjoint
-
3737
-
Grundkörper oder
TragsäuleBasic body or
support column
-
3838
-
Führungsschlittenguide carriage
-
40
Tragsäule40
support column
-
-
40.140.1
-
Schlittencarriage
-
40.240.2
-
Führungguide
-
4141
-
Gelenkträgerjoint carrier
-
4242
-
Gelenkjoint
-
4343
-
Tragstücksupporting piece
-
4444
-
TragarmBeam
-
4545
-
Kopfhead
-
4646
-
Kinematikkinematics
-
4747
-
Tragsäulesupport column
-
48,
4948
49
-
TragarmBeam
-
5050
-
Kopfhead
-
5151
-
Kinematikkinematics
-
5252
-
Tischtable
-
53,
5453
54
-
Element
der Kinematikelement
the kinematics
-
55,
55.155,
55.1
-
Führungselementguide element
-
56,
56.156
56.1
-
Platteplate
-
57,
57.157
57.1
-
nutenförmige Ausnehmunggroove-shaped recess
-
58,
58.158
58.1
-
Gleitbelagsliding lining
-
59,
59.159,
59.1
-
Öffnungopening
-
60,
60.160
60.1
-
Gewindebohrungthreaded hole
-
61,
61.161,
61.1
-
Schraubescrew
-
62,
62.162
62.1
-
Verlängerungrenewal
