DE112021001860T5

DE112021001860T5 - Gekrümmte kardanische verbindungsgliedgeometrie

Info

Publication number: DE112021001860T5
Application number: DE112021001860.4T
Authority: DE
Inventors: Timothy Haines
Original assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2023-01-12
Also published as: GB2609134A; US20230149109A1; WO2021195264A1; GB202214889D0; CN115666435A

Abstract

Eine Steuereingangsanordnung mit einem ersten Verbindungsglied und einem zweiten Verbindungsglied. Ein Verbindungsgliedgehäuse erstreckt sich von einem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds zu einem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds. Der erste Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds ist mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds über eine Gelenkwelle verbunden. Ein Aktuator ist im Verbindungsgliedgehäuse montiert, und der Aktuator definiert eine Aktuatorachse. Der Aktuator ist zum Ausüben eines Drehmoments auf die Gelenkwelle konfiguriert. Die Aktuatorachse und eine Drehachse der Gelenkwelle definieren einen Versatzwinkel, wobei der Versatzwinkel zwischen etwa 20 Grad und 70 Grad liegt.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der am 26. März 2020 eingereichten provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 63/000,247 mit dem Titel „Curved Gimbal Link Geometry“ (Gekrümmte kardanische Verbindungsgliedgeometrie), deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
Hintergrund
Die hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Steuereingangsvorrichtungen und insbesondere auf eine Master-Steuerung, die von einem Benutzer zum Lenken von Bewegungen eines Roboters und insbesondere zum Lenken von Bewegungen von chirurgischen Roboterinstrumenten oder - werkzeugen verwendet werden kann.
Steuerungsmechanismen, z.B. Steuereingangsvorrichtungen, erlauben es einem Benutzer, Funktionen verschiedener Arten von Mechanismen, Instrumenten und Werkzeugen zu steuern. Fernbediente chirurgische Vorrichtungen, die zumindest teilweise mit Computerunterstützung arbeiten („telechirurgische Systeme“), können beispielsweise verschiedene Arten von medizinischen Instrumenten verwenden, um minimalinvasive chirurgische Eingriffe durchzuführen, die Schäden an gesundem Gewebe von Patienten reduzieren. Die medizinischen Instrumente können mit Slave-Vorrichtungen, wie z.B. Slave-Armen, verbunden werden, die zur Durchführung der chirurgischen Eingriffe manipuliert werden können. Die Steuerung der an einer Slave-Vorrichtung angebrachten medizinischen Instrumente kann einem Bediener an einer oder mehreren Master-Steuervorrichtungen, z.B. an einem/r entfernten Bedienerterminal oder -station, und/oder mit Hilfe einer Handsteuervorrichtung übertragen werden. Aktuatoren der Slave-Vorrichtung können von der Master-Steuervorrichtung gesteuert werden, um eine Bewegung zu bewirken oder eine andere Funktion eines medizinischen Instruments, einer Kamera oder eines anderen mit der Patientenoperationsstelle interagierenden Endeffektors an der Slave-Vorrichtung auszulösen. In einigen Beispielen kann die Master-Steuervorrichtung an der Bedienerstation vom Bediener in einem oder mehreren Freiheitsgraden physisch manipuliert werden, um den Endeffektor zum Bewegen in Koordination mit der Manipulation der Steuervorrichtung werden soll zu steuern, z.B. um sich in entsprechenden Freiheitsgraden an der Operationsstelle zu bewegen.
Einer der Freiheitsgrade einer Master-Steuervorrichtung kann einen Rotationsfreiheitsgrad eines Griffs der Master-Steuervorrichtung umfassen. So kann beispielsweise in einigen telechirurgischen Systemen eine Master-Steuervorrichtung einen Griff aufweisen, der an einem oder mehreren kardanischen Verbindungsgliedern angebracht ist, die vom Bediener über den Griff gedreht werden, um eine entsprechende Bewegung eines Endeffektors in einem dreidimensionalen Raum zu steuern. Bekannte Systeme verwenden eine kardanische Aufhängung mit mehreren Verbindungsgliedern, um die gewünschten Freiheitsgrade (DOFs) in Assoziation mit dem assoziierten Instrument und dem Endeffektor des Instruments bereitzustellen. Zum Beispiel, wenn der Bediener den Griff bewegt, erkennen Aktuatoren in einem oder mehreren kardanischen Verbindungsgliedern eine Änderung der Rotations- (oder Translations-) Position, die dann übersetzt werden kann, um eine entsprechende Positionsänderung im Endeffektor zu auszulösen. Die Aktuatoren können auch ein Drehmoment oder eine Kraft ausüben, um dem Benutzer Feedback über den Widerstand entsprechend dem Verhalten des Endeffektors zu geben.
Da die Bewegung des Griffs an der Master-Steuervorrichtung benutzt wird, um eine entsprechende Bewegung am Endeffektor zu erzeugen, ist es wünschenswert, dass die Bewegung des Griffs über die kardanische Aufhängung gleichmäßig verläuft (d.h. keine spürbar hohe Reibung, spürbare Bewegungsunregelmäßigkeiten oder unerwünschte Rasten oder andere unvorhergesehene haptische Empfindungen). Darüber hinaus ist es für eine effektive Steuerung wünschenswert, dass die Bedienung des Griffs der Master-Steuervorrichtung für den Bediener schwerelos (d.h. ohne Schwerkraft) erscheint. Durch diese scheinbare Schwerelosigkeit bleibt der Griff stationär im Raum, um unerwünschte Bewegungen oder unerwünschtes haptisches Feedback an den Bediener zu verhindern. Da der Bediener jedes einzelne kardanische Verbindungsglied im Raum bewegt und Schwerkraft eine wechselnde Kraft auf jedes sich bewegende Verbindungsglied ausübt, muss ein assoziiertes wechselndes Drehmoment auf jedes kardanische Verbindungsglied ausgeübt werden, um das schwerkraftbedingte Drehmoment zu kompensieren. Da die Bewegung der kardanischen Verbindungsglieder durch den Bediener dynamisch und schnell ist, müssen außerdem große schwerkraftkompensierende Trägheitsmomente aufgebracht werden, um das Gefühl der Schwerelosigkeit aufrechtzuerhalten, während der Bediener die kardanischen Verbindungsglieder bewegt.
Zu den Methoden in der verwandten Technik, die Trägheit eines oder mehrerer kardanischer Verbindungsglieder entgegenwirken, gehört der Einsatz von Aktuatoren oder anderen Ausgleichsmechanismen, um der vom Bediener beobachteten und empfundenen Masse entgegenzuwirken. Außerdem können verbesserte chirurgische Vorrichtungen (z.B. mit schwereren oder größeren Endeffektoren) leistungsstärkere Aktuatoren in der Master-Steuervorrichtung erfordern, um sicherzustellen, dass die/das in der Master-Steuervorrichtung erzeugte gewünschte Feedback-Kraft und - Drehmoment das am Endeffektor vorhandene Kraft-Drehmoment genau nachahmen. Durch Hinzufügen leistungsfähigerer Motoren zu der kardanischen Aufhängung erhöht sich jedoch die Masse der kardanischen Verbindungsglieder, was wiederum die Trägheit jedes Verbindungsglieds erhöht, die ausgeglichen werden muss. Aufgrund des dynamischen Charakters des Betriebs der Master-Steuervorrichtung und aufgrund des/der erhöhten Gewichts und Trägheit jedes kardanischen Verbindungsglied kann es für den Bediener schwierig sein, den Griff fließend von einer Position in die nächste zu bewegen und gleichzeitig mit der variablen Leistung der Aktuatoren und/oder Gegengewichtssysteme zurechtzukommen.
Daher besteht Bedarf an einer verbesserten kardanischen Aufhängung für eine Master-Steuereingangsvorrichtung, um weniger einschränkende(s) und flüssigere(s) Eingangssteuerung und haptisches Feedback an den Bediener zu ermöglichen, und insbesondere besteht Bedarf an einem effektiven Einbau leistungsfähigerer Aktuatoren für jedes kardanische Verbindungsglied in eine kardanische Aufhängung einer Master-Steuereingangsvorrichtung für ein telechirugisches System.
Zusammenfassung
In dieser Zusammenfassung werden bestimmte Aspekte der hier beschriebenen Ausführungsformen vorgestellt, um ein grundlegendes Verständnis zu vermitteln. Diese Zusammenfassung ist kein umfassender Überblick über den Erfindungsgegenstand, und es ist nicht beabsichtigt, wichtige oder kritische Elemente zu identifizieren oder den Umfang des Erfindungsgegenstands abzugrenzen.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Steueranordnung einen Eingabegriff, ein erstes Verbindungsglied, ein zweites Verbindungsglied und einen Aktuator. Der Eingabegriff ist um eine erste Drehachse drehbar und weist eine Griffeingangswelle auf. Das erste Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds und eine Gelenkwelle auf, die um eine zweite Drehachse lotrecht zur ersten Drehachse drehbar und mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist. Der erste Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds ist mit dem Eingabegriff gekoppelt, so dass sich die Griffeingangswelle innerhalb des ersten Verbindungsglieds erstreckt. Das zweite Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds und ein zweites Verbindungsgliedgehäuse auf. Das zweite Verbindungsgliedgehäuse erstreckt sich vom ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds zum zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds. Der Aktuator ist innerhalb des zweiten Verbindungsgliedgehäuses montiert und zum Ausüben eines Drehmoments auf die Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds um eine Aktuatorachse konfiguriert, so dass die Aktuatorachse und die zweite Drehachse einen Versatzwinkel von mehr als 0 Grad und weniger als 90 Grad definieren.
In einigen Ausführungsformen liegt der Versatzwinkel zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad. In einigen Ausführungsformen wird ein Kardanmittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert. Ein Kardanradius wird durch einen Abstand zwischen dem Kardanmittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert, und mindestens ein Abschnitt des zweiten Verbindungsgliedgehäuses ist gekrümmt. Ein Abschnitt des zweiten Verbindungsgliedgehäuses hat einen Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des Kardanradius. In einigen Ausführungsformen ist ein Kardanmittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert. Ein Kardanradius wird durch einen Abstand zwischen dem Kardanmittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert. Eine kardanische Umhüllung ist als ein kugelförmiges Volumen definiert, das den Kardanmittelpunkt umgibt und durch den Kardanradius gekennzeichnet ist, und das zweite Verbindungsgliedgehäuse weist einen gekrümmten Abschnitt innerhalb der kardanischen Umhüllung auf. In einigen Ausführungsformen ist ein Kardanmittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert. Ein Kardanradius wird durch einen Abstand zwischen dem Kardanmittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert. Das zweite Verbindungsgliedgehäuse definiert eine versetzte Kardanfläche, die sich zumindest teilweise entlang der Aktuatorachse erstreckt, und die versetzte Kardanfläche schneidet einen durch den Kardanradius definierten Bogen.
In einigen Ausführungsformen ist der Aktuator ein Motor, und der Motor umfasst eine Motorwelle, die sich entlang der Aktuatorachse erstreckt und mit der Gelenkwelle operativ gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Steuereingangsanordnung ein im zweiten Verbindungsgliedgehäuse montiertes Aktuatorgetriebe. Das Aktuatorgetriebe weist ein oder mehrere Zahnräder auf, und die Motorwelle ist über die ein oder mehreren Zahnräder des Aktuatorgetriebes mit der Gelenkwelle gekoppelt. In einigen Ausführungsformen umfassen die ein oder mehreren Zahnräder des Aktuatorgetriebes ein Kegelrad und ein Stirnrad, und das Kegelrad und das Stirnrad sind an einer Zahnradwelle montiert.
In einigen Ausführungsformen ist ein Kardanmittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert. Der Kardanradius wird durch einen Abstand zwischen dem Kardanmittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert. Der Aktuator ist ein erster Aktuator, die Aktuatorachse ist eine erste Aktuatorachse, die Gelenkwelle ist eine erste Gelenkwelle, und der Versatzwinkel ist ein erster Versatzwinkel. Das zweite Verbindungsglied umfasst eine zweite Gelenkwelle, die um eine dritte Drehachse drehbar und mit dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds verbunden ist. Die Steuereingangsanordnung umfasst ferner ein drittes Verbindungsglied und einen zweiten Aktuator. Das dritte Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds, der über die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds mit dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt ist, einen zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds und ein drittes Verbindungsgliedgehäuse, das sich vom ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds zum zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds erstreckt. Der zweite Aktuator ist innerhalb des Gehäuses des dritten Verbindungsglieds montiert und zum Ausüben eines Drehmoments auf die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds um eine zweite Aktuatorachse gekoppelt, so dass die zweite Aktuatorachse und die dritte Drehachse der zweiten Gelenkwelle einen zweiten Versatzwinkel definieren, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
In einigen Ausführungsformen ist der Kardanradius ein erster Kardanradius, und ein zweiter Kardanradius wird durch einen Abstand zwischen dem Kardanmittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds definiert. Das Gehäuse des zweiten Verbindungsglieds weist einen gekrümmten Abschnitt mit einem Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des ersten Kardanradius auf. Das zweite Verbindungsglied hat einen gekrümmten Abschnitt mit einem Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des zweiten Kardanradius.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Steuereingangsanordnung einen Eingabegriff, ein erstes Verbindungsglied, ein zweites Verbindungsglied und einen Aktuator. Der Eingabegriff umfasst eine um eine erste Drehachse drehbare Griffeingangswelle. Das erste Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds und eine Gelenkwelle auf. Der erste Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds ist mit dem Eingabegriff gekoppelt, so dass sich die Griffeingangswelle innerhalb des ersten Verbindungsglieds erstreckt. Der zweite Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds ist mit der Gelenkwelle gekoppelt. Die Gelenkwelle definiert eine zweite Drehachse, und die zweite Drehachse ist lotrecht zur ersten Drehachse. Ein Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert einen Kardanmittelpunkt. Das zweite Verbindungsglied umfasst einen ersten Endabschnitt, einen zweiten Endabschnitt und einen Mittelabschnitt zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt. Der erste Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds ist über die Gelenkwelle mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gekoppelt. Ein Kardanradius ist zwischen dem Kardanmittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert. Eine kardanische Umhüllung ist als ein kugelförmiges Volumen definiert, das den Kardanmittelpunkt umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kardanradius und der Mittelabschnitt gekrümmt sind und vollständig innerhalb der kardanischen Umhüllung liegen. Der Aktuator ist innerhalb des zweiten Verbindungsglieds montiert und operativ zum Ausüben eines Drehmoments auf die Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds gekoppelt.
In einigen Ausführungsformen ist der Aktuator ein Elektromotor, und der Elektromotor umfasst eine Motorwelle, die mit der Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds operativ gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Steuereingangsanordnung ferner ein Aktuatorgetriebe, das innerhalb des zweiten Verbindungsgliedgehäuses montiert ist. Das Aktuatorgetriebe weist ein oder mehrere Zahnräder auf, und die Motorwelle ist über die ein oder mehreren Zahnräder des Aktuatorgetriebes mit der Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds gekoppelt. In einigen Ausführungsformen umfassen die ein oder mehreren Zahnräder ein Antriebszahnrad und ein angetriebenes Zahnrad. Das Antriebszahnrad weist eine erste Anzahl von Zahnradzähnen auf. Das angetriebene Zahnrad weist eine zweite Anzahl von Zahnradzähnen auf, und die zweite Anzahl von Zahnradzähnen ist größer als die erste Anzahl von Zahnradzähnen. In einigen Ausführungsformen liegt das Übersetzungsverhältnis des angetriebenen Zahnrads zum Antriebszahnrad zwischen etwa 5:1 und 7:1. In einigen Ausführungsformen umfasst das Aktuatorgetriebe eine Getriebewelle. Die ein oder mehreren Zahnräder umfassen ein erstes Kegelrad, ein zweites Kegelrad, ein Stirnrad und ein Ausgangszahnrad. Die Motorwelle weist einen Endabschnitt auf, und das erste Kegelrad ist am Endabschnitt der Motorwelle montiert. Das erste Kegelrad ist zum Antreiben des zweiten Kegelrads gekoppelt. Das zweite Kegelrad und das Stirnrad sind mit der Getriebewelle gekoppelt, so dass das zweite Kegelrad, das Stirnrad und die Getriebewelle mit einer gemeinsamen Drehzahl rotieren. Das Stirnrad ist zum Antreiben des Ausgangszahnrads gekoppelt, das Ausgangszahnrad ist mit der Gelenkwelle gekoppelt, so dass das Stirnrad die Drehung der Gelenkwelle antreibt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Aktuatorgetriebe eine Getriebewelle. Die Motorwelle des Elektromotors ist um eine Aktuatorachse drehbar. Die Getriebewelle ist um eine Getriebeachse drehbar. Die Getriebeachse und die Aktuatorachse definieren einen Versatzwinkel zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad. In einigen Ausführungsformen beträgt ein Krümmungsradius des Mittelabschnitts des zweiten Verbindungsglieds etwa das 0,75- bis 1,25-fache des Kardanradius.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Steuereingangsanordnung einen Eingabegriff, ein erstes Verbindungsglied, ein zweites Verbindungsglied, ein drittes Verbindungsglied, einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator. Der Eingabegriff umfasst eine um eine erste Drehachse drehbare Griffeingangswelle. Das erste Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds und eine erste Gelenkwelle auf, die um eine zweite Drehachse lotrecht zur ersten Drehachse drehbar ist. Der erste Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds ist mit dem Eingabegriff verbunden, so dass sich die Eingangswelle des Griffs innerhalb des ersten Verbindungsglieds erstreckt. Der zweite Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds ist mit der ersten Gelenkwelle gekoppelt. Das zweite Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds und eine zweite Gelenkwelle sowie einen Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsglieds auf, der sich zwischen dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds und dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds erstreckt. Der erste Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds ist über die erste Gelenkwelle mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds verbunden. Der Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsglieds erstreckt sich in einer ersten Richtung. Die erste Richtung umfasst eine Komponente parallel zur ersten Drehachse und eine Komponente parallel zur zweiten Drehachse. Der erste Aktuator ist mit dem zweiten Verbindungsglied gekoppelt und operativ zum Ausüben eines Drehmoments auf die erste Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds gekoppelt. Mindestens ein Abschnitt des ersten Aktuators erstreckt sich innerhalb des Mittelabschnitts des zweiten Verbindungsglieds. Das dritte Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds, einen Mittelabschnitt des dritten Verbindungsglieds und einen zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds auf. Der Mittelabschnitt des dritten Verbindungsglieds erstreckt sich zwischen dem ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds und dem zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds. Der erste Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds ist über die zweite Gelenkwelle mit dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt. Der Mittelabschnitt des dritten Verbindungsglieds erstreckt sich in einer zweiten Richtung. Die zweite Richtung umfasst eine Komponente parallel zur zweiten Drehachse und eine Komponente parallel zur dritten Drehachse. Der zweite Aktuator ist mit dem dritten Verbindungsglied gekoppelt und operativ zum Ausüben eines Drehmoments auf die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt. Mindestens ein Abschnitt des zweiten Aktuators erstreckt sich innerhalb des Mittelabschnitts des dritten Verbindungsglieds.
In einigen Ausführungsformen treibt der erste Aktuator die Drehung um eine erste Aktuatorachse an, und der zweite Aktuator treibt die Drehung um eine zweite Aktuatorachse an. Die erste Aktuatorachse und die zweite Drehachse definieren einen ersten Versatzwinkel größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. Die zweite Aktuatorachse und die dritte Drehachse definieren einen zweiten Versatzwinkel größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der erste Versatzwinkel zwischen etwa 25 Grad und 65 Grad, und der zweite Versatzwinkel liegt zwischen etwa 15 Grad und 75 Grad.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Steuereingangsanordnung ein kardanisches Verbindungsglied, ein Getriebegehäuse, eine Getriebewelle, ein Ausgangszahnrad, einen Aktuator, ein Eingangszahnrad und eine Gelenkwelle. Das kardanische Verbindungsglied weist einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt auf, wobei das Getriebegehäuse am ersten Endabschnitt des kardanischen Verbindungsglieds montiert ist. Die Gelenkwelle wird durch den ersten Endabschnitt des kardanischen Verbindungsglieds drehbar gelagert. Das Getriebegehäuse umfasst einen Zahnradwellenträgerabschnitt und einen Aktuatorträgerabschnitt. Die Zahnradwelle wird durch den Zahnradwellenträgerabschnitt des Getriebegehäuses zum Drehen um eine Zahnradachse drehbar gelagert. Das Ausgangszahnrad ist auf der Zahnradwelle montiert. Der Aktuator umfasst einen Motor, einen Motorkörper und eine Motorwelle, die um eine Aktuatorachse drehbar ist. Mindestens ein Abschnitt des Motorkörpers ist am Aktuatorträgerabschnitt des Getriebegehäuses montiert. Das Antriebszahnrad ist auf der Motorwelle montiert und kämmt mit dem Ausgangszahnrad, um Drehmoment auf die Gelenkwelle zu übertragen. Die Zahnradachse und die Aktuatorachse bilden einen Versatzwinkel größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad.
In einigen Ausführungsformen liegt der Versatzwinkel zwischen etwa 45 Grad und 85 Grad. In einigen Ausführungsformen umfasst das Eingangszahnrad eine erste Anzahl von Zahnradzähnen, das Ausgangszahnrad eine zweite Anzahl von Zähnen, und die zweite Anzahl von Zahnradzähnen ist größer als die erste Anzahl von Zahnradzähnen. In einigen Ausführungsformen liegt das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ausgangszahnrad und dem Eingangszahnrad zwischen etwa 5:1 und 7:1. In einigen Ausführungsformen beträgt das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ausgangszahnrad und dem Eingangszahnrad etwa 6,9:1.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Steuereingangsanordnung ein erstes kardanisches Verbindungsglied, ein zweites kardanisches Verbindungsglied und einen Motor. Das erste kardanische Verbindungsglied weist einen distalen Endabschnitt auf. Das zweite kardanische Verbindungsglied weist einen proximalen Endabschnitt auf, der mit dem distalen Endabschnitt des ersten kardanischen Verbindungsglieds zum Drehen um eine Drehachse des kardanischen Verbindungsglieds in Bezug auf das erste kardanische Verbindungsglied gekoppelt ist. Der Motor ist am ersten oder am zweiten kardanischen Verbindungsglied montiert. Der Motor umfasst eine Motorwelle, die zum Antreiben des zweiten kardanischen Verbindungsglieds um die Drehachse des kardanischen Verbindungsglieds gekoppelt ist. Die Motorwelle dreht sich um eine Motorwellendrehachse, wobei die Motorwellenachse in einem spitzen Winkel zur Drehachse des kardanischen Verbindungsglieds steht. In einigen Ausführungsformen weist das erste kardanische Verbindungsglied einen gekrümmten Abschnitt auf, und der Motor ist innerhalb des gekrümmten Abschnitts des ersten kardanischen Verbindungsglieds montiert. Das erste kardanische Verbindungsglied weist einen proximalen Endabschnitt auf, und der gekrümmte Abschnitt des ersten kardanischen Verbindungsglieds erstreckt sich zwischen dem proximalen und dem distalen Endabschnitt des ersten kardanischen Verbindungsglieds.
In einigen Ausführungsformen weist das zweite kardanische Verbindungsglied einen gekrümmten Abschnitt auf, und der Motor ist innerhalb des gekrümmten Abschnitts des zweiten kardanischen Verbindungsglieds montiert. Das zweite kardanische Verbindungsglied weist einen distalen Endabschnitt auf, und der gekrümmte Abschnitt des zweiten kardanischen Verbindungsglieds erstreckt sich zwischen dem proximalen und dem distalen Endabschnitt des zweiten kardanischen Verbindungsglieds. In einigen Ausführungsformen umfasst die Steuereingangsanordnung einen mit dem zweiten kardanischen Verbindungsglied gekoppelten Bedienergriff. In einigen Ausführungsformen ist die Steuereingangsanordnung in einer Steuereinheit eines telechirurgischen Systems ausgestaltet.
Andere Steuereingangsvorrichtungen, zugehörige Komponenten, medizinische Gerätesysteme und/oder Verfahren gemäß Ausführungsformen sind oder werden für die Fachperson bei der Durchsicht der folgenden Zeichnungen und detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es ist beabsichtigt, dass alle diese in dieser Beschreibung enthaltenen zusätzlichen Steuereingangsvorrichtungen, zugehörigen Komponenten, medizinischen Gerätesysteme und/oder Verfahren in den Rahmen der vorliegenden Offenbarung fallen.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht auf ein minimalinvasives fernbedientes medizinisches System gemäß einer Ausführungsform, das zur Durchführung eines medizinischen Eingriffs, wie z.B. einer Operation, verwendet wird.
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Benutzerkonsole des in 1 gezeigten minimalinvasiven fernbedienten chirurgischen Systems.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer Hilfseinheit des in 1 gezeigten minimalinvasiven fernbedienten chirurgischen Systems.
4 ist eine Frontansicht einer Manipulatoreinheit mit mehreren Instrumenten des in 1 gezeigten minimalinvasiven fernbedienten chirurgischen Systems.
5 ist eine schematische Darstellung einer Eingangssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine schematische Darstellung einer Eingangssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
7 ist eine perspektivische Frontansicht einer Eingangssteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
8 ist eine Frontansicht der Eingangssteuervorrichtung von 7.
9 ist eine Frontansicht der Eingangssteuervorrichtung von 7, wobei der Griff und das erste Verbindungsglied verdeckt sind.
10 ist eine perspektivische Rückansicht der Eingangssteuervorrichtung von 7 in einer ersten Orientierung.
11 ist eine perspektivische Rückansicht der Eingangssteuervorrichtung von 7 in einer zweiten Orientierung.
12 ist eine perspektivische Rückansicht der Eingangssteuervorrichtung von 11 mit verdeckten Gehäuseabdeckungen.
13 ist eine Seitenansicht eines kardanischen Verbindungsglieds der Eingangssteuervorrichtung von 7.
14 ist eine Explosionsansicht des in 13 gezeigten kardanischen Verbindungsglieds.
15 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt des in 13 gezeigten kardanischen Verbindungsglieds.
16 ist eine Draufsicht auf ein Getriebegehäuse des in 14 gezeigten kardanischen Verbindungsglieds.
17 ist eine perspektivische Ansicht einer Aktuator- und Getriebeanordnung des in 13 gezeigten kardanischen Verbindungsglieds.

Detaillierte Beschreibung
Die hier beschriebenen Ausführungsformen können vorteilhaft in einer Reihe verschiedener fernbedienter chirurgische Systeme eingesetzt werden und ermöglichen dem Benutzer die Steuerung von Funktionen verschiedener Arten von Mechanismen, Instrumenten und Werkzeugen.
Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „ungefähr“, wenn er in Verbindung mit einer referenzierten numerischen Angabe verwendet wird, die referenzierte numerische Angabe bis zu plus oder minus 10 Prozent dieser referenzierten numerischen Angabe. So deckt beispielsweise die Angabe „etwa 50“ den Bereich von 45 bis 55 ab. Ebenso deckt die Angabe „etwa 5“ den Bereich von 4,5 bis 5,5 ab.
Wie in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, bezieht sich das Wort „distal“ auf die Richtung zu einer Arbeitsstelle hin und das Wort „proximal“ auf eine Richtung von der Arbeitsstelle weg. So wäre z.B. das Ende eines Werkzeugs, das dem Zielgewebe am nächsten ist, das distale Ende des Werkzeugs, und das dem distalen Ende gegenüberliegende Ende (d.h. das Ende, das vom Benutzer manipuliert wird oder mit der Betätigungswelle verbunden ist) wäre das proximale Ende des Werkzeugs.
Die zur Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen und optionaler Elemente oder Merkmale gewählten spezifischen Begriffe sollen die Erfindung nicht begrenzen. So können beispielsweise räumlich relative Begriffe wie „unterhalb“, „unter“, „tiefer“, „über“, „oberhalb“, „proximal“, „distal“ und dergleichen verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Diese räumlich relativen Begriffe sollen verschiedene Positionen (d. h. translatorische Platzierungen) und Orientierungen (d.h. rotatorische Platzierungen) einer Vorrichtung beim Gebrauch oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Position und Orientierung umfassen. Wenn beispielsweise eine Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ anderer Elemente oder Merkmale beschrieben werden, dann „über“ den oder „oberhalb“ der anderen Elemente(n) oder Merkmale(n) liegen. Der Begriff „unter“ kann also sowohl Positionen als auch Orientierungen von oben und unten umfassen. Eine Vorrichtung kann auch anders orientiert sein (z.B. um 90 Grad gedreht oder in anderen Orientierungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren entsprechend interpretiert werden. Ebenso umfassen die Beschreibungen von Bewegungen entlang (Translation) und um (Rotation) verschiedene(r) Achsen verschiedene räumliche Gerätepositionen und -orientierungen. Die Kombination aus Position und Orientierung eines Körpers definiert die Haltung des Körpers.
Ebenso sollen geometrische Begriffe wie „parallel“, „lotrecht“, „rund“ oder „quadratisch“ keine absolute mathematische Präzision verlangen, es sei denn, der Kontext deutet auf etwas anderes hin. Stattdessen lassen solche geometrischen Begriffe fertigungsbedingte Abweichungen oder gleichwertige Funktionen zu. Wird ein Element beispielsweise als „rund“ oder „allgemein rund“ beschrieben, so fällt eine nicht genau kreisförmige Komponente (z.B. ein leicht längliches oder ein vielseitiges Polygon) dennoch unter diese Beschreibung.
Darüber hinaus schließen die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen ein, sofern aus dem Kontext nichts anderes hervorgeht. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltet“, „hat“ und dergleichen geben das Vorhandensein bestimmter Merkmale, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten usw. an, schließen aber das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Schritte, Vorgänge, Elemente, Komponenten oder Gruppen nicht aus.
Sofern nicht anders angegeben, können die Begriffe Apparatur, medizinisches Gerät, Instrument und Varianten davon austauschbar verwendet werden.
Aspekte der Erfindung werden in erster Linie im Hinblick auf eine Implementierung mit einem da Vinci® Chirurgiesystem beschrieben, das von Intuitive Surgical, Inc. aus Sunnyvale, Kalifornien, vertrieben wird. Beispiele für solche chirurgischen Systeme sind das da Vinci Xi® Surgical System (Modell IS4000), das da Vinci X® Surgical System (Modell IS4200) und das da Vinci Si® Surgical System (Modell IS3000). Die Fachperson wird jedoch verstehen, dass die hier offenbarten erfinderischen Aspekte auf verschiedene Weise ausgestaltet und implementiert werden können, einschließlich computergestützter, nicht computergestützter und hybrider Kombinationen manueller und computergestützter Ausführungsformen und Implementierungen. Implementierungen auf da Vinci® Chirurgiesystemen (z.B. Modell IS4000, Modell IS3000, Modell IS2000, Modell IS1200) werden lediglich als Beispiele dargestellt und sind nicht als Einschränkung des Umfangs der hier offenbarten erfinderischen Aspekte zu betrachten. Die erfindungsgemäßen Aspekte können sowohl in relativ kleinen, handgehaltenen, handbetriebenen Geräten als auch in relativ großen Systemen mit zusätzlicher mechanischer Unterstützung ausgestaltet und implementiert werden.
1 ist eine Draufsicht auf ein computergestütztes Fernbedienungssystem. Dargestellt ist eine medizinische Vorrichtung, bei der es sich um ein MIRS-(Minimally Invasive Robotic Surgical)-System 500 (hier auch als minimalinvasives fernbedientes chirurgisches System bezeichnet) handelt, das zur Durchführung eines minimalinvasiven diagnostischen oder chirurgischen Eingriffs an einem Patienten P verwendet wird, der auf einem Operationstisch 505 liegt. Das System kann eine beliebige Anzahl von Komponenten aufweisen, wie z.B. eine Bedieneinheit 900, die von einem Chirurgen oder einem anderen qualifizierten Kliniker S während des Eingriffs verwendet wird. Das MIRS-System 500 kann ferner eine Manipulatoreinheit 530 (die auch als chirurgischer Roboter bezeichnet werden kann) und eine optionale Zusatzausrüstungseinheit 520 umfassen. Die Manipulatoreinheit 530 kann eine Armanordnung 540 und eine abnehmbar mit der Armanordnung 540 gekoppelte Werkzeuganordnung umfassen. Die Manipulatoreinheit 530 kann mindestens ein abnehmbar gekoppeltes Instrument 550 (hier auch als „Werkzeug“ bezeichnet) durch einen minimalinvasiven Einschnitt im Körper oder eine natürliche Körperöffnung des Patienten P führen, während der Chirurg S die Operationsstelle betrachtet und die Bewegung des Instruments 550 über die Bedieneinheit 900 steuert. Ein Bild der Operationsstelle wird mit einem Endoskop (nicht gezeigt), z.B. einem stereoskopischen Endoskop, aufgenommen, das mit der Manipulatoreinheit 530 zum Orientieren des Endoskops manipuliert werden kann. Die Zusatzausrüstungseinheit 520 kann zum Verarbeiten der Bilder der Operationsstelle verwendet werden, um sie anschließend dem Chirurgen S über die Bedieneinheit 900 anzuzeigen. Die Anzahl der gleichzeitig verwendeten Instrumente 550 hängt in der Regel unter anderem von dem diagnostischen oder chirurgischen Eingriff und den Platzverhältnissen im Operationssaal ab. Wenn es erforderlich ist, eines oder mehrere der bei einem Eingriff verwendeten Instrumente 550 zu wechseln, nimmt ein Assistent das Instrument 550 aus der Manipulatoreinheit 530 und ersetzt es durch ein anderes Instrument 550 von einem Tablett 510 im Operationssaal. Die Figur zeigt zwar das MIRS 500 im Einsatz mit den Instrumenten 550, aber es kann jedes der hier beschriebenen Instrumente damit verwendet werden. Bei den Instrumenten 550 kann es sich beispielsweise, aber ohne Beschränkung, um Klemmen, Greifer, Scheren, Skalpelle, Klingen, Klammergeräte, Haken, Saugspülgeräte, Klammerapplikatoren, Nadelhalter, Elektrokauterisationsgeräte und dergleichen handeln.
2 ist eine perspektivische Ansicht der Bedieneinheit 900. Die Bedieneinheit 900 umfasst einen Viewer mit einem Display für das linke Auge (912) und einem Display für das rechte Auge (914), um dem Chirurgen S eine koordinierte Stereoansicht der Operationsstelle zu präsentieren, die eine Tiefenwahrnehmung ermöglicht. Die Bedieneinheit 900 umfasst ferner eine oder mehrere Eingabesteuervorrichtungen 1000 (auch als Master-Steuerung bezeichnet), die ihrerseits die Manipulatoreinheit 530 (in 1 gezeigt) veranlassen, ein oder mehrere Werkzeuge zu manipulieren. Die Eingabesteuervorrichtungen 1000 bieten mindestens die gleichen Freiheitsgrade wie die Instrumente 550, mit denen sie assoziiert sind, um dem Chirurgen S Telepräsenz zu bieten oder den Eindruck zu vermitteln, dass die Eingabesteuervorrichtungen 1000 mit den Instrumenten 550 integriert (oder direkt mit ihnen verbunden) sind. Beispielsweise umfasst jede Eingabesteuervorrichtung 1000 einen Griff 1120, der vom Chirurgen S ergriffen und umpositioniert werden kann. Der Griff 1120 ist an einem ersten kardanischen Verbindungsglied 1040, einem zweiten kardanischen Verbindungsglied 1060 und einem dritten kardanischen Verbindungsglied 1080 angebracht. Der Griff 1120 ist um die Achse A₁ drehbar am ersten kardanischen Verbindungsglied 1040 montiert, das erste kardanische Verbindungsglied 1040 ist um die Achse A₂ drehbar am zweiten kardanischen Verbindungsglied 1060 montiert, und das dritte kardanische Verbindungsglied 1080 ist drehbar an einer Basis 1130 der Bedieneinheit 900 montiert. Auf diese Weise bietet die Bedieneinheit 900 dem Chirurgen S ein starkes Gefühl einer direkten Steuerung der Instrumente 550. Der Griff 1120 und/oder eines oder mehrere der kardanischen Verbindungsglieder 1040, 1060, 1080 umfassen Sensoren und/oder Aktuatoren (nicht gezeigt), um eine Änderung der Position und Orientierung des Griffs 1120 im dreidimensionalen Raum zu erkennen, die wiederum verwendet wird, um ein im Gebrauch befindliches Instrument 550 entsprechend zu bewegen.
In einigen Ausführungsformen weisen die Griffe 1120 außerdem eine oder mehrere Tasten (nicht gezeigt) auf, die zum Steuern einer Funktion des Instruments 550 verwendet werden, z.B. einer Greif- oder Schneidfunktion. Zu diesem Zweck können Positions-, Kraft- und taktile Feedback-Sensoren (nicht gezeigt) zum Übertragen von Positions-, Kraft- und taktilen Empfindungen von den Instrumenten 550 über die Eingabesteuervorrichtungen 1000 zurück zu den Händen des Chirurgen benutzt werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die Bedieneinheit 900 einen oder mehrere Fußschalter 920, die unterhalb der Eingabesteuervorrichtungen 1000 positioniert sind. Die Fußschalter 920 können mit den Füßen des Benutzers niedergedrückt, verschoben und/oder anderweitig manipuliert werden, um verschiedene Befehle in das fernbediente System einzugeben, während der Chirurg S hinter der Bedieneinheit 900 sitzt.
1 zeigt die Bedieneinheit 900 im selben Raum wie der Patient P, so dass der Chirurg den Eingriff direkt überwachen, bei Bedarf physisch anwesend sein und direkt, anstatt über das Telefon oder ein anderes Kommunikationsmedium, mit einem Assistenten sprechen kann. In einigen Ausführungsformen können sich die Bedieneinheit 900 und der Chirurg S in einem anderen Raum, einem ganz anderen Gebäude oder an einem anderen, vom Patienten entfernten Ort befinden, so dass chirurgische Eingriffe aus der Ferne möglich sind.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Zusatzausrüstungseinheit 520. Die Zusatzausrüstungseinheit 520 kann mit dem Endoskop (nicht gezeigt) gekoppelt werden und kann einen oder mehrere Prozessoren enthalten, um aufgenommene Bilder zur anschließenden Anzeige zu verarbeiten, z.B. über die Bedieneinheit 900 oder auf einem anderen geeigneten, lokal und/oder ortsfern befindlichen Display. Wird beispielsweise ein stereoskopisches Endoskop verwendet, kann die Zusatzausrüstungseinheit 520 die aufgenommenen Bilder verarbeiten, um dem Chirurgen S über das Display für das linke Auge 912 und das Display für das rechte Auge 914 koordinierte Stereobilder der Operationsstelle zu präsentieren. Eine solche Koordination kann die Ausrichtung zwischen den gegenüberliegenden Bildern und die Einstellung des Stereoarbeitsabstands des stereoskopischen Endoskops umfassen. Als weiteres Beispiel kann Bildverarbeitung die Verwendung von zuvor bestimmten Kamerakalibrierungsparametern umfassen, um Abbildungsfehler des Bildaufnahmegeräts, wie z.B. optische Aberrationen, zu kompensieren.
4 zeigt eine perspektivische Frontansicht der Manipulatoreinheit 530. Die Manipulatoreinheit 530 umfasst die Komponenten (z.B. Arme, Gestänge, Motoren, Sensoren und dergleichen), die die Manipulation der Instrumente 550 ermöglichen, und eine Bildgebungsvorrichtung (nicht gezeigt). Die Bildgebungsvorrichtung ist zum Beispiel ein stereoskopisches Endoskop, das für die Aufnahme von Bildern der Stelle des Eingriffs verwendet wird. Insbesondere können die Instrumente 550 und die Bildgebungsvorrichtung durch fernbediente Mechanismen mit einer Reihe von Gelenken manipuliert werden. Darüber hinaus werden die Instrumente 550 und die Bildgebungsvorrichtung durch Einschnitte oder natürliche Öffnungen im Patienten P so positioniert und manipuliert, dass ein Software- und/oder kinematisches Fernbewegungszentrum an dem Einschnitt oder der Öffnung beibehalten wird. Auf diese Weise kann die Größe des Einschnitts minimiert werden.
5 ist eine schematische Darstellung einer Eingabesteuervorrichtung 2000 gemäß einer Ausführungsform. Die Eingabesteuervorrichtung 2000 umfasst einen Eingabegriff 2120, ein erstes Verbindungsglied 2040 (das als erstes kardanisches Verbindungsglied fungiert), ein zweites Verbindungsglied 2060 (das als zweites kardanisches Verbindungsglied fungiert) und einen Basisabschnitt 2130. Der Eingabegriff 2120 umfasst einen Griffabschnitt 2121, einen ersten Griffeingang 2122, einen zweiten Griffeingang 2123 und eine Griffeingangswelle 2124. Die Griffeingangswelle 2124 definiert eine erste Drehachse A₁ (die als Roll-Achse fungieren kann; der Begriff Rollen ist willkürlich) und ist drehbar mit dem ersten Verbindungsglied 2040 gekoppelt. Der Griffabschnitt 2121 wird auf der Griffeingangswelle 2124 getragen und zum Drehen relativ zum ersten Verbindungsglied 2040 um die erste Drehachse A₁ konfiguriert. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Eingangswelle 2124 zumindest teilweise innerhalb des ersten Verbindungsglieds 2040. Der erste Griffeingang 2122 und der zweite Griffeingang 2123 können manipuliert werden, um eine gewünschte Aktion am Endeffektor (nicht gezeigt) zu erzeugen. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen der erste Griffeingang 2122 und der zweite Griffeingang 2123 zusammengedrückt werden, um eine Greifbewegung am Endeffektor zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen muss der Eingangsgriff 2120 jedoch die Griffeingänge nicht umfassen.
Das erste Verbindungsglied 2040 weist einen ersten Endabschnitt 2041, einen zweiten Endabschnitt 2042 und eine erste Gelenkwelle 2045 auf. Das zweite Verbindungsglied 2060 weist einen ersten Endabschnitt 2061, einen zweiten Endabschnitt 2062 und eine zweite Gelenkwelle 2065 auf. Der zweite Endabschnitt 2042 des ersten Verbindungsglieds 2040 ist über die erste Gelenkwelle 2045 drehbar mit dem ersten Endabschnitt 2061 des zweiten Verbindungsglieds 2060 gekoppelt. Desgleichen ist der zweite Endabschnitt 2042 des ersten Verbindungsglieds 2040 mit dem ersten Endabschnitt 2061 des zweiten Verbindungsglieds 2060 gekoppelt, so dass sich die erste Gelenkwelle 2045 innerhalb des zweiten Verbindungsglieds 2060 erstreckt. Die erste Gelenkwelle 2045 definiert eine zweite Drehachse A₂ (die als Gier-Achse fungieren kann; der Begriff Gieren ist willkürlich). In einigen Ausführungsformen ist die zweite Drehachse A₂ lotrecht zur ersten Drehachse A₁. Ein Schnittpunkt der ersten Drehachse A₁ und der zweiten Drehachse A₂ definiert ein kardanisches Zentrum GC. In einigen Ausführungsformen definiert der Abstand vom kardanischen Zentrum GC zum ersten Endabschnitt 2061 des zweiten Verbindungsglieds 2060 einen Kardanradius R_G.
Das zweite Verbindungsglied 2060 umfasst ferner ein Verbindungsgliedgehäuse 2063, das sich zwischen dem ersten Endabschnitt 2061 und dem zweiten Endabschnitt 2062 erstreckt. Das zweite Verbindungsglied 2060 ist über die zweite Gelenkwelle 2065 drehbar mit dem Basisabschnitt 2130 gekoppelt. Ähnlich ausgedrückt, ist das zweite Verbindungsglied 2060 mit dem Basisabschnitt 2130 so gekoppelt, dass sich die zweite Gelenkwelle 2065 innerhalb des Basisabschnitts 2130 erstreckt. Die zweite Gelenkwelle 2065 definiert eine dritte Drehachse A₃ (die als Nick-Achse fungieren kann; der Begriff Nicken ist willkürlich). In einigen Ausführungsformen ist die dritte Drehachse A₃ lotrecht zur zweiten Drehachse A₂. In einigen Ausführungsformen, wie in 5 gezeigt, sind die erste Drehachse A₁ und die dritte Drehachse A3 kolinear orientiert, jedoch wird die Fachperson erkennen, dass die erste Drehachse A₁ und die dritte Drehachse A₃ so positioniert werden können, dass sie sich schneiden, wenn das erste Verbindungsglied 2040 um die zweite Drehachse A₂ aus der in 5 gezeigten Ausgangsposition (die auch als Ausgangshaltung bezeichnet werden kann) gedreht wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingabesteuervorrichtung 2000 einen Aktuator 2150, der im zweiten Verbindungsglied 2060 innerhalb des Verbindungsgliedgehäuses 2063 montiert ist. Der Aktuator 2150 definiert eine Aktuatorachse A_M. Der Aktuator 2150 ist zum Ausüben eines Drehmoments auf die erste Gelenkwelle 2045 oder zum Empfangen eines Drehmoments davon konfiguriert. In einigen Ausführungsformen ist der Aktuator 2150 ein Motor 2151, der eine Motorwelle 2152 umfasst. Wie gezeigt, ist die Motorwelle 2152 über ein Antriebszahnrad 2154 und ein angetriebenes Zahnrad 2155 operativ mit der ersten Gelenkwelle 2045 gekoppelt. Das Antriebszahnrad 2154 ist an der Motorwelle 2152 befestigt und so konfiguriert, dass es sich zusammen mit der Motorwelle 2152 dreht. Das angetriebene Zahnrad 2155 ist so konfiguriert, dass es mit dem Antriebszahnrad 2154 kämmt und davon angetrieben wird. In einigen Ausführungsformen weist das Antriebszahnrad 2154 eine erste Anzahl von Zähnen auf, das angetriebene Zahnrad 2155 weist eine zweite Anzahl von Zähnen auf, und die zweite Anzahl von Zähnen ist größer als die erste Anzahl von Zähnen. In einigen Ausführungsformen beträgt das Übersetzungsverhältnis zwischen dem angetriebenen Zahnrad 2155 und dem Antriebszahnrad 2154 etwa 5:1 bis etwa 7:1. In einigen Ausführungsformen ist das Antriebsrad 2154 ein gerades Stirnrad oder ein Kegelrad. In einigen Ausführungsformen ist das angetriebene Zahnrad 2155 ein Kegelrad. Es sind zwar direkt angetriebene Zahnräder dargestellt, aber man wird verstehen, dass auch ein Riemenscheiben- und Riemensystem, ein Zahnrad- und Kettensystem oder andere Übertragungssysteme verwendet werden können.
In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Motorwelle 2152 entlang der Antriebsachse A_M. In einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Encoder oder Sensoren vorgesehen, um eine Drehposition der Motorwelle 2152 und/oder der ersten Gelenkwelle 2045 zu erfassen. Wie gezeigt, definieren die Aktuatorachse A_M und die zweite Drehachse A₂ einen Versatzwinkel θ von weniger als 90 Grad. In einigen Ausführungsformen beträgt der Versatzwinkel θ weniger als etwa 60 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Versatzwinkel θ zwischen etwa 20 Grad und 70 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Versatzwinkel θ zwischen etwa 25 Grad und 65 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Versatzwinkel θ zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad.
Beim Gebrauch kann die Eingabesteuervorrichtung 2000 von einem Benutzer, z.B. dem Chirurgen S, manipuliert werden, um ein chirurgisches Instrument (wie die hier beschriebenen Instrumente 550) zu steuern. Wenn der Chirurg S den Griffabschnitt 2121 um eine oder mehrere aus erster Drehachse A₁, zweiter Drehachse A₂ und/oder dritter Drehachse A₃ ergreift und umpositioniert, kann ein entsprechendes Instrument oder Werkzeug, das mit einer Bedieneinheit (wie der hier beschriebenen Bedieneinheit 900) verbunden ist und durch die Eingabesteuervorrichtung 2000 gesteuert wird, entsprechend neu positioniert werden. Zum Beispiel, wenn das ausgewählte Werkzeug ein Greifer ist, der einen vertikal orientierten Werkzeugschaft und einen Endeffektor umfasst, kann eine Drehung des Griffabschnitts 2121 im Uhrzeigersinn um die zweite Drehachse A₂ bewirken, dass sich der Endeffektor im Uhrzeigersinn um eine Längsachse des Werkzeugschafts dreht.
Wie in 5 gezeigt, wirkt die Gravitationskraft F_g in dem Diagramm nach unten. Es wird deutlich, dass, wenn das zweite Verbindungsglied 2060 relativ zur dritten Drehachse A₃ gedreht wird, die Gravitationskraft F_g auf den Griffabschnitt 2121 wirkt und das erste Verbindungsglied 2040 veranlasst, sich beispielsweise um die zweite Drehachse A₂ zu drehen. Mit anderen Worten, wenn das zweite Verbindungsglied 2060 aus der in 5 gezeigten Ausgangsposition (z.B. Ruheposition) bewegt wird, wirkt die Gravitationskraft F_g auf eines oder mehrere von Eingabegriff 2120, erstem Verbindungsglied 2040 und zweitem Verbindungsglied 2060. In einigen Ausführungsformen kann der Aktuator 2150 so betätigt werden, dass er ein Drehmoment auf die erste Gelenkwelle 2045 ausübt, um dem durch die Gravitationskraft F_g auf den Griffabschnitt 2121 ausgeübten Drehmoment entgegenzuwirken. Wenn der Chirurg S den Griffabschnitt 2121 in eine bestimmte Position und Orientierung bewegt hat, kann der Aktuator 2150 so betätigt werden, dass er die Eingabesteuervorrichtung 2000 in dieser letzten vom Chirurgen S festgelegten Position und Orientierung hält. Das Werkzeug oder Instrument an der Patientenoperationsstelle (wie das hier beschriebene Instrument 500) kann ebenfalls in einer entsprechenden Position und Orientierung gehalten werden, bis der Chirurg S eine neue Eingabe vornimmt. Durch Ausgleichen der auf die Eingabesteuervorrichtung 2000 wirkenden Gravitationskräfte wird dem Chirurgen S eine natürlichere und weniger einschränkende Art der Steuerung des Instruments 500 geboten. Infolgedessen können die hier beschriebenen Eingabesteuervorrichtungen dem Chirurgen S eine flüssigere und schwerelosere Erfahrung bieten, indem sie die auf die Eingabesteuervorrichtung 2000 wirkenden Kräfte isolieren, wenn sie nicht gehandhabt wird. Somit können die hier beschriebenen Eingabesteuervorrichtungen eine verbesserte feinmotorische Steuerung des Instruments 500 ermöglichen und/oder vom Chirurgen S während der Operation erfahrene Ermüdung verringern. In einigen Ausführungsformen kann der Aktuator 2150 so betätigt werden, dass er ein Drehmoment ausgibt, um einer vom Chirurgen S eingegebenen Bewegung zu widerstehen, um einen am Werkzeug beobachteten Zustand zu simulieren. Wenn zum Beispiel das Werkzeug vom Chirurgen S an der Patientenoperationsstelle so gesteuert wird, dass es sich vom offenen Raum bis zum Kontakt mit einem Zielgewebe bewegt, kann der Aktuator 2150 ein Drehmoment erzeugen, um den vom Werkzeug beobachteten Kontakt und Widerstand zu simulieren, wenn das Werkzeug das Zielgewebe berührt und/oder wenn das Werkzeug in das Zielgewebe gedrückt wird. Mit anderen Worten, der Aktuator 2150 ist so konfiguriert, dass er dem Chirurgen S über die Eingabesteuervorrichtung 2000 Feedback auf der Basis der vom Werkzeug beobachteten Eingaben oder Bedingungen gibt.
Um die Dynamik von Master-Steuerungen weiter zu verbessern, werden durch die Verringerung von Masse und Trägheitsmoment (I = m·r²) an den Eingabesteuervorrichtungen die externen Kräfte, die ausgeglichen werden müssten, minimiert, wodurch die Belastung oder die Leistungsanforderungen an den Aktuator 2150 verringert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Verringerung von Masse und Trägheitsmoment den Einsatz kleinerer Aktoren ermöglichen, wodurch die Gesamtmasse der Eingabesteuervorrichtungen weiter reduziert wird. Bei herkömmlichen Eingabesteuervorrichtungen mit kardanischen Verbindungsgliedern umfassen die kardanischen Verbindungsglieder beispielsweise typischerweise L-förmige Gehäuse, so dass darin untergebrachte Komponenten (z.B. Aktuatoren) im Wesentlichen von einem Kardanmittelpunkt beabstandet sind. Wie in der vorliegenden Offenbarung vorgesehen, kann eine Verringerung von Masse und Trägheitsmoment erreicht werden, indem der Schwerpunkt der kardanischen Verbindungsglieder und darin untergebrachten Komponenten (z.B. des Aktuators 2150) in Richtung eines kardanischen Zentrums GC verschoben wird. Wie gezeigt, enthält das zweite Verbindungsglied 2060 einen einzigen diagonalen Schenkel (z.B. Hypotenuse), um die mit dem kardanischen Verbindungsglied assoziierte Gesamtlänge und Masse zu reduzieren. Die Position des diagonalen Schenkels verbessert das Trägheitsmoment weiter, indem der Schwerpunkt näher an das kardanische Zentrum und die Achsen, um die sich das zweite Verbindungsglied 2060 dreht, verlegt wird. Darüber hinaus können Komponenten, die sonst in einem Schenkel des L-förmigen Schenkels untergebracht wären, innerhalb des diagonalen Schenkels untergebracht werden, was das Trägheitsmoment weiter verbessert.
In einigen Ausführungsformen erstreckt sich das Verbindungsgliedgehäuse 2063 des zweiten Verbindungsglieds 2060 in einem Winkel relativ zur zweiten Drehachse A₂ und zur Drehachse A₃. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich das Verbindungsgliedgehäuse 2063 parallel entlang der Aktuatorachse A_M. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich das Verbindungsgliedgehäuse 2063 in einem Winkel zwischen etwa 20 Grad und 70 Grad relativ zur zweiten Drehachse A₂. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Abschnitt des Verbindungsgliedgehäuses 2063 in einem Abstand vom kardanischen Zentrum GC angeordnet, wobei der Abstand zwischen dem 0,75- bis 1,25-fachen des Kardanradius R_G liegt. Wie in 5 gezeigt, beträgt ein Abstand D beispielsweise das 1,25-fache des Kardanradius R_G. Mindestens ein Abschnitt des Verbindungsgliedgehäuses 2063 ist innerhalb eines Abstands zwischen dem 0,75- bis 1,25-fachen des Kardanradius R_G beabstandet. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbindungsgliedgehäuse 2063 eine versetzte Kardanfläche, die sich entlang der Aktuatorachse A_M erstreckt, und die versetzte Kardanfläche schneidet einen durch den Kardanradius R_G definierten Bogen.
In einigen Ausführungsforrmen kann ein Verbindungsglied einer Eingabesteuervorrichtung einen gekrümmten Abschnitt aufweisen. 6 ist zum Beispiel eine schematische Darstellung einer Eingabesteuervorrichtung 3000 gemäß einer Ausführungsform.Die Eingabesteuervorrichtung 3000 umfasst einen Eingabegriff 3120, ein erstes Verbindungsglied 3040, ein zweites Verbindungsglied 3060, ein drittes Verbindungsglied 3080 und einen Basisabschnitt 3130. Der Eingabegriff 3120 umfasst einen Griffabschnitt 3121, einen ersten Griffeingang 3122, einen zweiten Griffeingang 3123 und eine Griffeingangswelle 3124. Die Griffeingangswelle 3124 definiert eine erste Drehachse A₁ (die als Roll-Achse fungieren kann: der Begriff Rollen ist willkürlich) und ist drehbar mit dem ersten Verbindungsglied 3040 verbunden. Der Griffabschnitt 3121 ist auf der Griffeingangswelle 3124 gelagert und zum Drehen relativ zum ersten Verbindungsglied 3040 um die erste Drehachse A₁ konfiguriert. In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die Eingangswelle 3124 zumindest teilweise innerhalb des ersten Verbindungsglieds 3040. Der erste Griffeingang 3122 und der zweite Griffeingang 3123 können manipuliert werden, um eine gewünschte Aktion am Endeffektor (nicht gezeigt) zu erzeugen. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen der erste Griffeingang 3122 und der zweite Griffeingang 3123 zusammengedrückt werden, um eine Greifbewegung am Endeffektor zu erzeugen. In anderen Ausführungsformen muss der Eingangsgriff 3120 die Griffeingänge jedoch nicht aufweisen.
Das erste Verbindungsglied 3040 umfasst einen ersten Endabschnitt 3041, einen zweiten Endabschnitt 3042 und eine erste Gelenkwelle 3045. Das zweite Verbindungsglied 3060 umfasst einen ersten Endabschnitt 3061, einen zweiten Endabschnitt 3062 und eine zweite Gelenkwelle 3065. Das dritte Verbindungsglied 3080 umfasst einen ersten Endabschnitt 3081, einen zweiten Endabschnitt 3082 und eine dritte Gelenkwelle 3085. Der zweite Endabschnitt 3042 des ersten Verbindungsglieds 3040 ist über die erste Gelenkwelle 3045 drehbar mit dem ersten Endabschnitt 3061 des zweiten Verbindungsglieds 3060 verbunden. Desgleichen ist der zweite Endabschnitt 3042 des ersten Verbindungsglieds 3040 mit dem ersten Endabschnitt 3061 des zweiten Verbindungsglieds 3060 gekoppelt, so dass sich die erste Gelenkwelle innerhalb des zweiten Verbindungsglieds 3060 erstreckt. Die erste Gelenkwelle 3045 definiert eine zweite Drehachse A₂ (die als Gier-Achse fungieren kann; der Begriff Gieren ist willkürlich). Die zweite Drehachse A₂ ist lotrecht zur ersten Drehachse A₁. Ein Schnittpunkt der ersten Drehachse A₁ und der zweiten Drehachse A₂ definiert ein kardanisches Zentrum GC. In einigen Ausführungsformen definiert der Abstand vom kardanischen Zentrum GC zum ersten Endabschnitt 3061 des zweiten Verbindungsglieds 3060 einen ersten Kardanradius R_G1.
Das zweite Verbindungsglied 3060 umfasst ferner ein zweites Verbindungsgliedgehäuse 3063, das sich zwischen dem ersten Endabschnitt 3061 und dem zweiten Endabschnitt 3062 erstreckt. Der zweite Endabschnitt 3062 des zweiten Verbindungsglieds 3060 ist über die zweite Gelenkwelle 3065 drehbar mit dem ersten Endabschnitt 3081 des dritten Verbindungsglieds 3080 gekoppelt. Ähnlich ausgedrückt, ist das zweite Verbindungsglied 3060 so mit dem dritten Verbindungsglied 3080 gekoppelt, dass sich die zweite Gelenkwelle 3065 innerhalb des dritten Verbindungsglieds 3080 erstreckt. Die zweite Gelenkwelle 3065 definiert eine dritte Drehachse A₃ (die als Nick-Achse fungieren kann; der Begriff Nicken ist willkürlich), und die dritte Drehachse A ist lotrecht zur zweiten Drehachse A₂. In einigen Ausfuhrungsformen, wie in 6 gezeigt, sind die erste Drehachse A₁ und die dritte Drehachse A₃ kolinear orientiert. Der Fachperson wird jedoch einleuchten, dass die erste Drehachse A₁ und die dritte Drehachse A₃ so positioniert werden können, dass sie sich schneiden, wenn das erste Verbindungsglied 3040 zum Beispiel aus der in 6 gezeigten Ausgangsposition um die zweite Drehachse A₂ gedreht wird.
Das dritte Verbindungsglied 3080 umfasst ferner ein drittes Verbindungsgliedgehäuse 3083, das sich zwischen dem ersten Endabschnitt 3081 und dem zweiten Endabschnitt 3082 erstreckt. Der zweite Endabschnitt 3082 des dritten Verbindungsglieds 3080 ist über die dritte Gelenkwelle 3085 drehbar mit dem Basisabschnitt 3130 gekoppelt. Ähnlich ausgedrückt, ist das dritte Verbindungsglied so 3080 mit dem Basisabschnitt 3130 gekoppelt, dass sich die dritte Gelenkwelle 3085 innerhalb des Basisabschnitts 3130 erstreckt. Die dritte Gelenkwelle 3085 definiert eine vierte Drehachse A₄. Die vierte Drehachse A₄ ist lotrecht zur dritten Drehachse A₃. In einigen Ausführungsformen definiert der Abstand vom kardanischen Zentrum GC zum ersten Endabschnitt 3081 des dritten Verbindungsglieds 3080 einen zweiten Kardanradius R_G2.
In einigen Ausführungsformen, wie in 6 gezeigt, sind die zweite Drehachse A₂ und die vierte Drehachse A₄ kolinear orientiert, jedoch wird der Fachperson einleuchten, dass die zweite Drehachse A₂ und die vierte Drehachse A₄ so positioniert werden können, dass sie sich schneiden, wenn das zweite Verbindungsglied 3060 beispielsweise aus der in 6 gezeigten Ausgangsposition um die dritte Drehachse A₃ gedreht wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingabesteuervorrichtung 3000 einen ersten Aktuator 3150, der in dem zweiten Verbindungsglied 3060 innerhalb des zweiten Verbindungsgliedgehäuses 3063 montiert ist. Der erste Aktuator 3150 ist so konfiguriert, dass er ein Drehmoment auf die erste Gelenkwelle 3045 ausübt oder ein Drehmoment von ihr erhält. In einigen Ausführungsformen ist der erste Aktuator 3150 ein Motor 3151 (z.B. ein Elektromotor), der eine Motorwelle 3152 umfasst. Die Motorwelle 3152 ist operativ mit der ersten Gelenkwelle 3045 gekoppelt. Die Eingabesteuervorrichtung 3000 umfasst ein erstes Aktuatorgetriebe 3153, das innerhalb des zweiten Verbindungsglieds 3060 montiert ist. Wie gezeigt, ist das erste Aktuatorgetriebe 3153 mit dem ersten Endabschnitt 3061 des zweiten Verbindungsglieds 3060 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen umfasst das erste Aktuatorgetriebe 3153 ein Antriebselement und ein angetriebenes Element (nicht gezeigt). In einigen Ausführungsformen ist das Antriebselement an der Motorwelle 3152 befestigt und so konfiguriert, dass es sich zusammen mit der Motorwelle 3152 dreht. Das angetriebene Element kann so konfiguriert sein, dass es mit dem Antriebselement in Eingriff kommt und davon angetrieben wird, das wiederum die erste Gelenkwelle 3045 antreibt.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingabesteuervorrichtung 3000 einen zweiten Aktuator 3160. Der zweite Aktuator 3160 ist im dritten Verbindungsglied 3080 innerhalb des dritten Verbindungsgliedgehäuses 3083 montiert. Der zweite Aktuator 3160 ist so konfiguriert, dass er ein Drehmoment auf die zweite Gelenkwelle 3065 ausübt oder ein Drehmoment von ihr erhält. In einigen Ausführungsformen ist der zweite Aktuator 3160 ein Motor 3161, der eine Motorwelle 3162 umfasst. Die Motorwelle 3162 ist operativ mit der zweiten Gelenkwelle 3065 gekoppelt. Die Eingabesteuervorrichtung 3000 umfasst ein zweites Aktuatorgetriebe 3163, das innerhalb des dritten Verbindungsglieds 3080 montiert ist. Wie gezeigt, ist das zweite Aktuatorgetriebe 3163 mit dem ersten Endabschnitt 3081 des dritten Verbindungsglieds 3080 gekoppelt. In einigen Ausführungsformen umfasst das zweite Aktuatorgetriebe 3163 ein Antriebselement und ein angetriebenes Element (nicht gezeigt). In einigen Ausführungsformen ist das Antriebselement an der Motorwelle 3162 befestigt und zum Drehen zusammen mit der Motorwelle 3162 konfiguriert. Das angetriebene Element kann so konfiguriert sein, dass es in das Antriebselement eingreift und von diesem angetrieben wird, das wiederum die zweite Gelenkwelle 3065 antreibt.
Wie in 6 gezeigt, wenn die Gravitationskraft F_g im Diagramm nach unten wirkt, wird deutlich, dass, wenn das zweite Verbindungsglied 3060 relativ zur dritten Drehachse A₃ gedreht wird, die Gravitationskraft F_g auf den Griffabschnitt 3121 wirkt und bewirkt, dass sich das erste Verbindungsglied 3040 beispielsweise um die zweite Drehachse A₂ dreht. Mit anderen Worten, wenn das zweite Verbindungsglied 3060 aus der in 6 gezeigten Ausgangsposition (z.B. Ruheposition) bewegt wird, wirkt die Gravitationskraft F_g auf eines oder mehrere von Eingabegriff 3120, erstem Verbindungsglied 3040, zweitem Verbindungsglied 3060 und drittem Verbindungsglied 3080. Ähnlich wie der oben beschriebene Aktuator 2150, kann/können der erste Aktuator 3150 und/oder der zweite Aktuator 3160 zum Ausüben eines Drehmoments betrieben werden, um der Schwerkraft F_g entgegenzuwirken, die auf eines oder mehrere von erstem Verbindungsglied 3040, zweitem Verbindungsglied 3060 und Eingabegriff 3120 aufgebracht wird. Wenn beispielsweise das zweite Verbindungsglied 3060 aus der Ruheposition gedreht wird, kann der Aktuator 3160 zum Ausüben eines Drehmoments auf die zweite Gelenkwelle 3065 betrieben werden, um dem durch die Schwerkraft F_g auf das erste Verbindungsglied 3040, das zweite Verbindungsglied 3060 und den Eingabegriff 3120 aufgebrachten Drehmoment entgegenzuwirken. Somit kann, sobald der Chirurg S den Griffabschnitt 3121 in eine bestimmte Position und Orientierung bewegt hat, der Aktuator 3150 betätigt werden, um die Eingabesteuervorrichtung 3000 in dieser letzten vom Chirurgen S festgelegten Position und Orientierung zu halten. Das Werkzeug oder Instrument an der Patientenoperationsstelle (wie das hier beschriebene Instrument 500) kann ebenfalls in einer entsprechenden Position und Orientierung gehalten werden, bis der Chirurg S eine neue Eingabe vornimmt. Durch Ausgleichen der auf die Eingabesteuervorrichtung 3000 wirkenden Gravitationskräfte wird dem Chirurgen S eine natürlichere und weniger einschränkende Art der Steuerung des Instruments 500 ermöglicht. Infolgedessen können die hier beschriebenen Eingabesteuervorrichtungen dem Chirurgen S eine flüssigere und schwerelosere Erfahrung bieten, indem sie die Kräfte isolieren, die auf die Eingabesteuervorrichtung 3000 wirken, wenn sie nicht gehandhabt wird. Dabei können die hier beschriebenen Eingabesteuervorrichtungen eine verbesserte feinmotorische Steuerung des Instruments 500 ermöglichen und/oder vom Chirurgen S während der Operation erfahrene Ermüdung verringern. In einigen Ausführungsformen kann/können der erste Aktuator 3150 und/oder der zweite Aktuator 3160 zum Ausüben eines Drehmoments betrieben werden, um der Bewegungseingabe durch den Chirurgen S zu widerstehen, um einen am Werkzeug beobachteten Zustand zu simulieren und dem Chirurgen S Feedback zu geben.
Wie hierin beschrieben, kann die Dynamik von Master-Steuerungen durch Reduzieren von Gesamtgewicht und Trägheitsmoment an den Eingabesteuervorrichtungen verbessert werden. Wie in 6 gezeigt, ist das zweite Verbindungsgliedgehäuse 3063 gekrümmt und erstreckt sich zwischen dem ersten Endabschnitt 3061 und dem zweiten Endabschnitt 3062. In einigen Ausführungsformen hat das zweite Verbindungsgliedgehäuse 3063 einen Krümmungsradius, der zwischen dem etwa 0,5- bis 1,5-fachen des ersten Kardanradius R_G1 liegt. In einigen Ausführungsformen hat das zweite Verbindungsgliedgehäuse 3063 einen Krümmungsradius, der zwischen dem etwa 0,75- bis 1,25-fachen des ersten Kardanradius R_G1 liegt. Wie in 6 dargestellt, beträgt beispielsweise ein Abstand D₁ etwa das 1,25-fache des ersten Kardanradius R_G1. Ähnlich ausgedrückt, muss eine Krümmung des zweiten Verbindungsgliedgehäuses 3063 nicht einer kreisförmigen Krümmung folgen. Stattdessen kann der gekrümmte Abschnitt eine gemischte Kurve aufweisen, die durch einen variablen oder mehrere Krümmungsradien definiert ist. In einigen Ausführungsformen ist eine erste kardanische Umhüllung als ein kugelförmiges Volumen definiert, das um das kardanische Zentrum GC zentriert und durch einen ersten Umhüllungsradius gekennzeichnet ist. In einigen Ausführungsformen beträgt der erste Umhüllungsradius etwa das 0,75- bis 1,25-fache des ersten Kardanradius R_G1. Ein Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsgliedgehäuses 3063 erstreckt sich in die oder innerhalb der ersten kardanische(n) Umhüllung.
Wie gezeigt, ist das dritte Verbindungsgliedgehäuse 3083 gekrümmt und erstreckt sich zwischen dem ersten Endabschnitt 3081 und dem zweiten Endabschnitt 3082. In einigen Ausführungsformen hat das dritte Verbindungsgliedgehäuse 3083 einen Krümmungsradius, der zwischen etwa dem 0,5- bis 1,5-fachen des zweiten Kardanradius R_G2 liegt. In einigen Ausführungsformen hat das dritte Verbindungsgliedgehäuse 3083 einen Krümmungsradius, der zwischen etwa dem 0,75- bis 1,25-fachen des zweiten Kardanradius R_G2 liegt. Wie in 6 gezeigt, beträgt beispielsweise der Abstand D₂ etwa das 1,25-fache des Kardanradius R_G2. Ähnlich ausgedrückt, muss eine Krümmung des dritten Verbindungsgehäuses 3083 nicht einer kreisförmigen Krümmung folgen. Stattdessen kann der gekrümmte Abschnitt eine gemischte Kurve aufweisen, die durch einen variablen oder mehrere Krümmungsradien definiert ist. In einigen Ausführungsformen ist eine zweite kardanische Umhüllung als ein kugelförmiges Volumen definiert, das um das kardanische Zentrum GC zentriert und durch einen zweiten Hüllradius gekennzeichnet ist. In einigen Ausführungsformen liegt der zweite Umhüllungsradius zwischen dem 0,75-bis 1,25-fachen des zweiten Kardanradius R_G2. Ein mittlerer Abschnitt des dritten Verbindungsgliedgehäuses 3083 erstreckt sich in die oder innerhalb der zweiten kardanische(n) Umhüllung.
7-13 zeigen Ansichten einer Eingabesteuervorrichtung 4000 gemäß einer Ausführungsform. Die Eingabesteuervorrichtung 4000 umfasst ein erstes Verbindungsglied 4040 (das als erstes kardanisches Verbindungsglied fungiert), ein zweites Verbindungsglied 4060 (das als zweites kardanisches Verbindungsglied fungiert), ein drittes Verbindungsglied 4080 (das als drittes kardanisches Verbindungsglied fungiert) und einen Eingabegriff 4120. Die Eingabesteuervorrichtung 4000 ist an einem Basisabschnitt 4130 befestigt, das Teil einer Bedieneinheit, wie der hier beschriebenen Bedieneinheit 900, sein kann. Der Eingabegriff 4120 weist einen Griffabschnitt 4121, einen ersten Griffeingang 4122, einen zweiten Griffeingang 4123 und eine Griffeingangswelle 4124 auf. Wie in 10 und 11 allgemein gezeigt, definiert die Griffeingangswelle 4124 eine erste Drehachse A₁ (die als Roll-Achse fungieren kann; der Begriff Rollen ist willkürlich) und ist drehbar mit dem ersten Verbindungsglied 4040 gekoppelt. Der Griffabschnitt 4121 wird auf der Griffeingangswelle 4124 getragen und ist zum Drehen relativ zum ersten Verbindungsglied 4040 um die erste Drehachse A₁ konfiguriert. Die Eingangswelle 4124 erstreckt sich zumindest teilweise innerhalb des ersten Verbindungsglieds 4040. Der erste Griffeingang 4122 und der zweite Griffeingang 4123 können manipuliert werden, um eine gewünschte Aktion am Endeffektor (nicht gezeigt) zu erzeugen. Zum Beispiel können in einigen Ausführungsformen der erste Griffeingang 4122 und der zweite Griffeingang 4123 zusammengedrückt werden, um eine Greifbewegung am Endeffektor zu erzeugen. Der erste und zweite Griffeingang 4122, 4123 können ähnlich wie die Griffelemente sein, die in der US-Patentanmeldung Pub. Nr. US 2020/0015917 A1 (eingereicht am 14. Juni 2019) mit dem Titel „Actuated Grips for Controller“ gezeigt und beschrieben sind, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin eingeschlossen ist. In anderen Ausführungsformen muss der Eingabegriff 4120 jedoch beispielsweise die Griffeingänge nicht enthalten.
Wie in 10-12 gezeigt, weist das erste Verbindungsglied 4040 einen ersten Endabschnitt 4041, einen zweiten Endabschnitt 4042 und eine erste Gelenkwelle 4045 auf. Das zweite Verbindungsglied 4060 weist einen ersten Endabschnitt 4061, einen zweiten Endabschnitt 4062 und eine zweite Gelenkwelle 4065 auf. Das dritte Verbindungsglied 4080 weist einen ersten Endabschnitt 4081, einen zweiten Endabschnitt 4082 und eine dritte Gelenkwelle 4085 auf. Der zweite Endabschnitt 4042 des ersten Verbindungsglieds 4040 ist über die erste Gelenkwelle 4045 drehbar mit dem ersten Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 gekoppelt. Ähnlich ausgedrückt, ist der zweite Endabschnitt 4042 des ersten Verbindungsglieds 4040 mit dem ersten Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 gekoppelt, so dass sich die erste Gelenkwelle innerhalb des zweiten Verbindungsglieds 4060 erstreckt. Die erste Gelenkwelle 4045 definiert eine zweite Drehachse A₂ (die als Gier-Achse fungieren kann; der Begriff Gieren ist willkürlich). Die zweite Drehachse A₂ ist lotrecht zur ersten Drehachse A₁. Ein Schnittpunkt der ersten Drehachse A₁ und der zweiten Drehachse A₂ definiert das kardanische Zentrum GC. In einigen Ausführungsformen definiert der Abstand vom kardanischen Zentrum GC zum ersten Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 einen ersten Kardanradius R_G1.
Das zweite Verbindungsglied 4060 umfasst ferner ein zweites Verbindungsgliedgehäuse 4063, das sich zwischen dem ersten Endabschnitt 4061 und dem zweiten Endabschnitt 4062 erstreckt. Der zweite Endabschnitt 4062 des zweiten Verbindungsglieds 4060 ist über die zweite Gelenkwelle 4065 drehbar mit dem ersten Endabschnitt 4081 des dritten Verbindungsglieds 4080 gekoppelt. Ähnlich ausgedrückt, ist das zweite Verbindungsglied 4060 mit dem dritten Verbindungsglied 4080 gekoppelt, so dass sich die zweite Gelenkwelle 4065 innerhalb des dritten Verbindungsglieds 4080 erstreckt. Die zweite Gelenkwelle 4065 definiert eine dritte Drehachse A₃ (die als Nick-Achse fungieren kann; der Begriff Nicken ist willkürlich), und die dritte Drehachse A₃ ist lotrecht zur zweiten Drehachse A₂.
Das dritte Verbindungsglied 4080 umfasst ferner ein drittes Verbindungsgliedgehäuse 4083, das sich zwischen dem ersten Endabschnitt 4081 und dem zweiten Endabschnitt 4082 erstreckt. Der zweite Endabschnitt 4082 des dritten Verbindungsglieds 4080 ist über die dritte Gelenkwelle 4085 drehbar mit dem Basisabschnitt 4130 gekoppelt. Ähnlich ausgedrückt, ist das dritte Verbindungsglied 4080 mit dem Basisabschnitt 4130 so gekoppelt, dass sich die dritte Gelenkwelle 4085 innerhalb des Basisabschnitts 4130 erstreckt (siehe z.B. 7 und 12). Die dritte Gelenkwelle 4085 definiert eine vierte Drehachse A₄. Die vierte Drehachse A₄ ist lotrecht zur dritten Drehachse A₃. In einigen Ausführungsformen definiert der Abstand vom kardanischen Zentrum GC zum ersten Endabschnitt 4081 des dritten Verbindungsglieds 4080 einen zweiten Kardanradius R_G2.
In einigen Ausführungsformen und in bestimmten Orientierungen, wie in 8-10 gezeigt, sind die zweite Drehachse A₂ und die vierte Drehachse A₄ kolinear orientiert, jedoch wird der Fachperson einleuchten, dass die zweite Drehachse A₂ und die vierte Drehachse A₄ so positioniert werden können, dass sie sich schneiden, wenn das zweite Verbindungsglied 4060 um die dritte Drehachse A₃ gedreht wird. Zum Beispiel, wie in 11 und 12 gezeigt, wenn das zweite Verbindungsglied 4060 aus einer Ausgangshaltung gedreht wird, sind die zweite Drehachse A₂ und die vierte Drehachse A₄ nicht mehr kolinear.
Wie in 12-14 gezeigt, umfasst die Eingabesteuervorrichtung 4000 einen ersten Aktuator 4150. Der erste Aktuator 4150 ist im zweiten Verbindungsglied 4060 innerhalb des zweiten Verbindungsgliedgehäuses 4063 montiert. Der erste Aktuator 4150 definiert eine erste Aktuatorachse A_M1. Der erste Aktuator 4150 ist so konfiguriert, dass er ein Drehmoment auf die erste Gelenkwelle 4045 ausübt oder ein Drehmoment von ihr erhält. In dieser Ausführungsform ist der erste Aktuator 4150 ein Motor 4151, der eine Motorwelle 4152 umfasst. Die Motorwelle 4152 ist operativ mit der ersten Gelenkwelle 4045 gekoppelt. Darüber hinaus umfasst die Eingabesteuervorrichtung 4000 ein erstes Aktuatorgetriebe 4153, das am ersten Endabschnitt 4061 innerhalb des zweiten Verbindungsglieds 4060 montiert ist. Das erste Aktuatorgetriebe 4153 umfasst ein Antriebszahnrad 4154 und ein angetriebenes Zahnrad 4155. Das Antriebszahnrad 4154 ist an der Motorwelle 4152 befestigt und zum Drehen zusammen mit der Motorwelle 4152 konfiguriert. Das angetriebene Zahnrad 4155 ist so konfiguriert, dass es mit dem Antriebszahnrad 4154 kämmt und von diesem angetrieben wird, das wiederum die erste Gelenkwelle 4045 antreibt.
Wie in 12 gezeigt, umfasst die Eingabesteuervorrichtung 4000 einen zweiten Aktuator 4160. Der zweite Aktuator 4160 ist im dritten Verbindungsglied 4080 innerhalb des dritten Verbindungsgliedgehäuses 4083 montiert. Der zweite Aktuator 4160 definiert eine zweite Aktuatorachse (nicht gezeigt). Der zweite Aktuator 4160 ist so konfiguriert, dass es ein Drehmoment auf die zweite Gelenkwelle 4065 ausübt oder ein Drehmoment von ihr erhält. In dieser Ausführungsform ist der zweite Aktuator 4160 ein Motor 4161, der eine Motorwelle 4162 umfasst. Die Motorwelle 4162 ist mit der zweiten Gelenkwelle 4065 operativ gekoppelt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingabesteuervorrichtung 4000 ein zweites Aktuatorgetriebe 4163, das im dritten Verbindungsglied 4080 montiert ist. Das zweite Aktuatorgetriebe 4163 ist am ersten Endabschnitt 4081 des dritten Verbindungsglieds 4080 montiert. In einigen Ausführungsformen, wie in 12 allgemein gezeigt, umfasst das zweite Aktuatorgetriebe 4163 ein Antriebszahnrad und ein angetriebenes Zahnrad, die in ähnlicher Weise wie beim ersten Aktuatorgetriebe 4153 angeordnet sein können. In einigen Ausführungsformen kann das Antriebszahnrad des zweiten Aktuatorgetriebes 4163 an der Motorwelle 4162 befestigt und zum Drehen zusammen mit der Motorwelle 4162 konfiguriert sein. Das angetriebene Zahnrad kann so konfiguriert sein, dass es mit dem Antriebszahnrad kämmt und von diesem angetrieben wird, das wiederum die zweite Gelenkwelle 4065 antreibt.
Wie beispielsweise in 10 und 11 gezeigt, wenn die Gravitationskraft F_g im Diagramm nach unten wirkt, wird deutlich, dass, wenn das zweite Verbindungsglied 4060 relativ zur dritten Drehachse A₃ gedreht wird, die Gravitationskraft F_g auf den Griffabschnitt 4121 wirkt und bewirkt, dass sich das erste Verbindungsglied 4040 beispielsweise um die zweite Drehachse A₂ dreht. Mit anderen Worten, wenn das zweite Verbindungsglied 4060 aus der in 10 gezeigten Ausgangsposition (z.B. Ruheposition) bewegt wird, wirkt die Gravitationskraft F_g auf eines oder mehrere von Eingabegriff 4120, erstem Verbindungsglied 4040, zweitem Verbindungsglied 4060 und drittem Verbindungsglied 4080. Ähnlich wie der oben beschriebene Aktuator 2150, kann/können der erste Aktuator 4150 und/oder der zweite Aktuator 4160 zum Aufbringen eines Drehmoments betrieben werden, um der Schwerkraft F_g entgegenzuwirken, die auf eines oder mehrere von erstem Verbindungsglied 4040, zweitem Verbindungsglied 4060 und Eingabegriff 4120 einwirkt. Wenn beispielsweise das zweite Verbindungsglied 4060 aus der Ruheposition gedreht wird, kann der zweite Aktuator 4160 zum Aufbringen eines Drehmoments auf die zweite Gelenkwelle 4065 betrieben werden, um dem Drehmoment entgegenzuwirken, das durch die Schwerkraft F_g auf das erste Verbindungsglied 4040, das zweite Verbindungsglied 4060 und den Eingabegriff 4120 ausgeübt wird. Somit kann/können, sobald der Chirurg S den Griffabschnitt 4121 in eine bestimmte Position und Orientierung bewegt hat, der erste Aktuator 4150 und/oder der zweite Aktuator 4160 betätigt werden, um die Eingabesteuervorrichtung 4000 in dieser letzten vom Chirurgen S eingestellten Position und Orientierung zu halten. Das Werkzeug oder Instrument an der Patientenoperationsstelle (wie das hier beschriebene Instrument 500) kann ebenfalls in einer entsprechenden Position und Orientierung gehalten werden, bis der Chirurg S eine neue Eingabe vornimmt. Durch Ausgleichen der auf die Eingabesteuervorrichtung 4000 wirkenden Gravitationskräfte wird dem Chirurgen S eine natürlichere und weniger einschränkende Art der Steuerung des Instruments 500 ermöglicht. Infolgedessen können die hier beschriebenen Eingabesteuervorrichtungen dem Chirurgen S eine flüssigere und schwerelosere Erfahrung bieten, indem sie die Kräfte isolieren, die auf die Eingabesteuervorrichtung 4000 wirken, wenn sie nicht gehandhabt wird. Dabei können die hier beschriebenen Eingabesteuervorrichtungen eine verbesserte feinmotorische Steuerung des Instruments 500 ermöglichen und/oder die vom Chirurgen S während der Operation erfahrene Ermüdung verringern. In einigen Ausführungsformen kann/können der erste Aktuator 4150 und/oder der zweite Aktuator 4160 zum Ausüben eines Drehmoments betrieben werden, um der Bewegungseingabe durch den Chirurgen S zu widerstehen, um einen am Werkzeug beobachteten Zustand zu simulieren und dem Chirurgen S Feedback zu geben, wie hierin beschrieben.
Wie bereits erwähnt, kann die Dynamik von Master-Steuerungen durch Verringern von Gesamtgewicht und Trägheitsmoment an den Eingabesteuervorrichtungen verbessert werden. Wie in 8-11 gezeigt, ist das Verbindungsgliedgehäuse 4063 gekrümmt und erstreckt sich zwischen dem ersten Endabschnitt 4061 und dem zweiten Endabschnitt 4062. In einigen Ausführungsformen hat das zweite Verbindungsgliedgehäuse 4063 einen Krümmungsradius zwischen dem etwa 0,5- bis 1,5-fachen des ersten Kardanradius R_G1. In einigen Ausführungsformen hat das zweite Verbindungsgliedgehäuse 4063 einen Krümmungsradius zwischen dem etwa 0,75- bis 1,25-fachen des ersten Kardanradius R_G1. Ähnlich ausgedrückt, muss eine Krümmung des zweiten Verbindungsgliedgehäuses 4063 nicht einer kreisförmigen Krümmung folgen. Stattdessen kann der gekrümmte Abschnitt eine gemischte Kurve umfassen, die durch einen variablen oder mehrere Krümmungsradien definiert ist. In einigen Ausführungsformen ist eine erste kardanische Umhüllung als ein kugelförmiges Volumen definiert, das um das kardanische Zentrum GC zentriert und durch einen ersten Umhüllungsradius gekennzeichnet ist. In einigen Ausführungsformen liegt der erste Umhüllungsradius zwischen dem 0,75- bis 1,25-fachen des ersten Kardanradius R_G1. Wie in 9 gezeigt, beträgt beispielsweise der Abstand D₁ etwa das 1,25-fache des ersten Kardanradius R_G1. Ein Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsgliedgehäuses 4063 erstreckt sich in die oder innerhalb der ersten kardanische(n) Umhüllung.
Wie gezeigt, ist das dritte Verbindungsgliedgehäuse 4083 gekrümmt und erstreckt sich zwischen dem ersten Endabschnitt 4081 und dem zweiten Endabschnitt 4082. In einigen Ausführungsformen hat das dritte Verbindungsgliedgehäuse 4083 einen Krümmungsradius zwischen dem etwa 0,5- bis 1,5-fachen des zweiten Kardanradius R_G2. In einigen Ausführungsformen hat das dritte Verbindungsgliedgehäuse 4083 einen Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,75- und dem 1,25-fachen des zweiten Kardanradius R_G2. Ähnlich ausgedrückt, muss eine Krümmung des dritten Verbindungsgliedgehäuses 4083 nicht einer kreisförmigen Krümmung folgen. Stattdessen kann der gekrümmte Abschnitt eine gemischte Kurve umfassen, die durch einen variablen oder mehrere Krümmungsradien definiert ist. In einigen Ausführungsformen ist eine zweite kardanische Umhüllung als ein kugelförmiges Volumen definiert, das um das kardanische Zentrum GC zentriert und durch einen zweiten Hüllkurvenradius gekennzeichnet ist. In einigen Ausführungsformen liegt der zweite Hüllkurvenradius zwischen etwa dem 0,75- und 1,25-fachen des zweiten Kardanradius R_G2. Zum Beispiel, eie in 9 gezeigt, beträgt ein Abstand D₂ etwa das 1,25-fache des zweiten Kardanradius RG2. Ein Mittelabschnitt des dritten Verbindungsgliedgehäuses 4083 erstreckt sich in die oder innerhalb der zweiten kardanische(n) Umhüllung.
Wie in 12 und 13 gezeigt, ist der Motor 4151 im zweiten Verbindungsgliedgehäuse 4063 montiert. Die erste Aktuatorachse A_M1 des Motors 4151 und die zweite Drehachse A₂ definieren einen ersten Versatzwinkel θ₁. In einigen Ausführungsformen ist der erste Versatzwinkel θ₁ kleiner als 90 Grad. In einigen Ausführungsformen ist der erste Versatzwinkel θ₁ kleiner als 90 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der erste Versatzwinkel θ₁ zwischen etwa 20 Grad und 70 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der erste Versatzwinkel θ₁ zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad. In ähnlicher Weise ist der Motor 4161 im dritten Verbindungsgliedgehäuse 4083 montiert. Ähnlich wie der erste Aktuator 4150, definieren der zweite Aktuator 4160 und die dritte Drehachse A₃ einen zweiten Versatzwinkel (nicht gezeigt). In einigen Ausführungsformen ist der zweite Versatzwinkel kleiner als 90 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der zweite Versatzwinkel zwischen etwa 20 Grad und 70 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der zweite Versatzwinkel zwischen etwa 25 Grad und 65 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der zweite Versatzwinkel zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad.
Wie in 14-16 gezeigt, umfasst das erste Aktuatorgetriebe 4153 ein Getriebegehäuse 4170, um die Montage des ersten Aktuatorgetriebes 4153 innerhalb des zweiten Verbindungsglieds 4060 zu erleichtern, so dass die gewünschte Schnittstelle der Zahnräder entsteht. Das Getriebegehäuse 4170 weist einen Basisabschnitt 4171, einen Zahnradträgerabschnitt 4172 und einen Aktuatorträgerabschnitt 4173 auf. Der Zahnradträgerabschnitt 4172 ist über ein oder mehrere Befestigungsmittel (nicht gezeigt) abnehmbar am Basisabschnitt 4171 befestigt. Der Basisabschnitt 4171 enthält einen Wellenträger (nicht gezeigt), und der Zahnradträgerabschnitt 4172 weist eine Wellenträgeröffnung 4178 auf. Die Wellenträgeröffnung 4178 ist eine Öffnung, die zum drehbaren Lagern einer Zahnradwelle 4181 konfiguriert ist. In anderen Ausführungsformen ist/sind der Wellenträger des Basisabschnitts 4171 und/oder der Zahnradträgerabschnitt 4172 zum Lagern eines Lager- oder Buchsenelements konfiguriert, durch das die Zahnradwelle 4181 gelagert ist. Das Getriebegehäuse 4170 weist mehrere Montagelöcher 4174 auf, und der Zahnradträgerabschnitt weist mehrere Montagelöcher 4177 zum Befestigen des Zahnradträgerabschnitts am Getriebegehäuse 4170 über ein oder mehrere Befestigungsmittel (nicht gezeigt) auf. Zum Beispiel können die Befestigungsmittel, ohne darauf beschränkt zu sein, Schrauben, Schraubbolzen, Nieten, Schweißnähte und Klebstoffe einschließen.
Der Basisabschnitt 4171 umfasst ein erstes Montageelement 4175 und ein zweites Montageelement 4176. Das erste Montageelement 4175 und das zweite Montageelement 4176 sind Durchgangslöcher, die zum Aufnehmen eines Befestigungsmittels konfiguriert sind, um das Getriebegehäuse 4170 am ersten Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 zu befestigen. In einigen Ausführungsformen ist das erste Montageelement 4175 ein kreisförmiges Durchgangsloch und das zweite Montageelement 4176 ein längliches Durchgangsloch. Wie in 15 gezeigt, weist der erste Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 einen Montageabschnitt 4066 auf. In einigen Ausführungsformen hat der Montageabschnitt 4066 eine erste Montagefläche 4066a und eine zweite Montagefläche 4066b. Die erste Montagefläche 4066a weist eine erste Befestigungsmittelaufnahme 4067a und eine zweite Befestigungsmittelaufnahme 4068a auf. Die zweite Montagefläche 4066b weist eine erste Befestigungsmittelaufnahme 4067b und eine zweite Befestigungsmittelaufnahme 4068b auf.
In einigen Ausführungsformen sind die ersten Befestigungsmittelaufnahmen 4067a, 4067b Gewindeschraublöcher. In einigen Ausführungsformen sind die zweiten Befestigungsmittelaufnahmen 4068a, 4068b elliptische Durchgangslöcher. Wie in 14 und 15 allgemein gezeigt, wird der Basisabschnitt 4171 des Getriebegehäuses 4170 am Montageabschnitt 4066 montiert, indem zunächst das erste Montageelement 4175 und ein zweites Montageelement 4176 über den ersten Befestigungsmittelaufnahmen 4067a, 4067b ausgerichtet werden. Das Getriebegehäuse 4170 wird an dem Montageabschnitt 4066 durch Einführen und Befestigen eines ersten Befestigungsmittels, z.B. einer Schraube, nach unten durch das erste Montageelement 4175 und in die erste Befestigungsmittelaufnahme 4067a befestigt. Ein zweites Befestigungsmittel kann nach unten durch das zweite Montageelement 4176 und in die erste Befestigungsmittelaufnahme 4067b eingeführt und befestigt werden. Aufgrund der länglichen Form des elliptischen Durchgangslochs im zweiten Montageelement 4175 kann das Getriebegehäuse 4170 um die erste Befestigungsmittelaufnahme 4067a gedreht werden, um eine Position des Getriebegehäuses 4170 relativ zum ersten Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 einzustellen. Durch das Erleichtern des Einstellens der Position des Getriebegehäuses 4170 und der vom Getriebegehäuse 4170 getragenen Zahnradwelle 4181 kann ein Spiel der Zahnräder bei Herstellung oder Wartung eingestellt und justiert werden. Die Aufrechterhaltung eines gewünschten Spiels zwischen den Zahnrädern des Getriebes ermöglicht eine verbesserte Effizienz und einen reibungslosen Betrieb.
Wie in 13, 14 und 16 gezeigt, ist der Motor 4151 am Aktuatorträgerabschnitt 4173 befestigt. Der Motor 4151 ist axial und drehbar am Aktuatorträgerabschnitt 417 3 befestigt. In einigen Ausführungsformen ist der Motor 4151 durch Klebstoff an dem Aktuatorträgerabschnitt 4173 befestigt. In einigen Ausführungsformen ist der Motor 4151 mit einem oder mehreren Befestigungsmitteln am Aktuatorträgerabschnitt 4173 befestigt.
Wie in 13 und 14 gezeigt, definiert die Zahnradwelle 4181 eine Getriebeachse A_T, und der Motor 4151 definiert eine Motorachse A_MM. Die Getriebeachse A_T und die Motorachse A_MM definieren einen Getriebeversatzwinkel θ_T. In einigen Ausführungsformen beträgt der Getriebeversatzwinkel θ_T weniger als 90 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Getriebeversatzwinkel θ_T zwischen etwa 20 Grad und 70 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Getriebeversatzwinkel θ_T zwischen etwa 25 Grad und 65 Grad. In einigen Ausführungsformen liegt der Getriebeversatzwinkel θ_T zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad. Wie in 13 gezeigt, sind die Getriebeachse A_T und die zweite Drehachse A₂ parallel, und der Getriebeversatzwinkel θ_T ist gleich dem ersten Versatzwinkel θ_T. In einigen Ausführungsformen ist die Zahnradwelle 4181 zum Einstellen entlang der Getriebeachse A_T konfiguriert, um ein Spiel zwischen dem Antriebszahnrad 4154 und dem angetriebenen Zahnrad 4155 einzustellen. Nach dem Einstellen des Spiels zwischen dem Antriebszahnrad 4154 und dem angetriebenen Zahnrad 4155 kann eine Position der Getriebewelle 4181 relativ zum Basisabschnitt 4171 und einem Zahnradträgerabschnitt mittels einer Kombination von Zwischenscheiben, Abstandshaltern, Clips und/oder Befestigungsmitteln eingestellt werden. In einigen Ausführungsformen wird die Position der Zahnradwelle 4181 mit einer Kombination aus Zwischenscheiben und E-Clips eingestellt.
In einigen Ausführungsformen, wie in 17 gezeigt, umfasst das erste Aktuatorgetriebe 4153 ein Untersetzungsgetriebe mit einem Eingangszahnrad 4182 und einem Ausgangszahnrad 4183. Das Eingangszahnrad 4182 ist an der Zahnradwelle 4181 montiert und zum Drehen mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie das angetriebene Zahnrad 4155 konfiguriert. Das Ausgangszahnrad 4183 ist an der ersten Gelenkwelle 4045 montiert und so konfiguriert, dass es mit dem Eingangszahnrad 4182 kämmt und davon angetrieben wird. Das Untersetzungsgetriebe ist zum Verringern der auf den Motor 4151 aufgebrachten Last und zum Erhöhen des über das Ausgangszahnrad 4183 auf die erste Gelenkwelle 4045 übertragenen Drehmoments konfiguriert.
In einigen Ausführungsformen hat das Eingangszahnrad 4182 eine erste Anzahl von Zähnen, das Ausgangszahnrad 4183 hat eine zweite Anzahl von Zähnen, und die zweite Anzahl von Zähnen ist größer als die erste Anzahl von Zähnen. In einigen Ausführungsformen beträgt das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ausgangszahnrad 4183 und dem Eingangszahnrad 4182 etwa 5:1 bis etwa 7:1. In einigen Ausführungsformen ist das Übersetzungsverhältnis des Ausgangszahnrads 4183 zum Eingangszahnrad 4182 auf etwa 6,9:1 eingestellt. Wie gezeigt, sind das Eingangszahnrad 4182 und das Ausgangszahnrad 4183 Stirnräder. Obwohl direkt angetriebene Zahnräder gezeigt sind, kann auch ein Riemenscheiben- und Riemensystem, ein Zahnrad- und Kettensystem oder ein anderes Getriebesystem verwendet werden.
Wie gezeigt, ist das Antriebszahnrad 4154 zum Eingreifen in das angetriebene Zahnrad 4155 konfiguriert. In einigen Ausführungsformen beträgt ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem angetriebenen Zahnrad 4155 und dem Antriebszahnrad 4154 etwa 5:1 bis etwa 7:1. Somit beträgt das effektive Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ausgangszahnrad 4183 und dem Antriebszahnrad 4154 etwa 25:1 bis 49:1. In einigen Ausführungsformen ist das effektive Übersetzungsverhältnis zwischen dem Ausgangszahnrad 4183 und dem Antriebszahnrad 4154 auf etwa 48,2:1 festgelegt. Die Kombination von direkt angetriebenen Zahnrädern ermöglicht eine effiziente Kraftübertragung bei gleichzeitig kompakter Bauweise im Vergleich zu einem Planetengetriebe oder anderen verwandten Zahnradsystemen. Das hier beschriebene kompakte und leichte Zahnradsystem reduziert die Gesamtmasse der Eingabesteuervorrichtung 4000 und ermöglicht den Einsatz kleinerer Aktuatoren aufgrund der durch das Untersetzungsgetriebe bewirkten Drehmomentumwandlung.
Wie oben beschrieben, kann sich das Getriebegehäuse 4170 um die erste Befestigungsmittelaufnahme 4067a drehen. In einigen Ausführungsformen kann das Getriebegehäuse 4170 gedreht und eingestellt werden, um ein Zahnradspiel zwischen dem Eingangszahnrad 4182 und dem Ausgangszanrad 4183 einzustellen.
Obwohl das Getriebegehäuse 4170 und assoziierten Komponenten wie in 14-17 gezeigt in Assoziation mit dem ersten Aktuator 4150 und dem zweiten Verbindungsglied 4060 erörtert werden, kann eine ähnliche Anordnung auch für den zweiten Aktuator 4160 und das dritte Verbindungsglied 4080 verwendet werden. In anderen Ausführungsformen kann das Getriebegehäuse 4170 einstückig mit dem zweiten Verbindungsglied 4060 oder dem dritten Verbindungsglied 4080 ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse 4170 monolithisch auf dem ersten Endabschnitt 4061 des zweiten Verbindungsglieds 4060 ausgebildet sein.
Es wurden zwar oben verschiedene Ausführungsformen beschrieben, aber es ist zu verstehen, dass sie nur als Beispiel und nicht als Einschränkung dargestellt wurden. Wo oben beschriebene Methoden und/oder Schemata bestimmte Ereignisse und/oder Ablaufmuster angeben, die in einer bestimmten Reihenfolge auftreten, kann die Reihenfolge bestimmter Ereignisse und/oder Operationen geändert werden. Obwohl die Ausführungsformen besonders dargestellt und beschrieben wurden, wird man verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können.
Zum Beispiel sind alle hier beschriebenen Instrumente (und die Komponenten darin) optional Teile einer chirurgischen Anordnung, die minimalinvasive chirurgische Eingriffe durchführt und die eine Manipulatoreinheit, eine Reihe von kinematischen Gestängen, eine Reihe von Kanülen oder Ähnliches umfassen kann. Somit kann jedes der hier beschriebenen Instrumente in jedem geeigneten chirurgischen System, wie dem oben gezeigten und beschriebenen MIRS-System 1000, verwendet werden.
Es wurden zwar verschiedene Ausführungsformen mit bestimmten Merkmalen und/oder Kombinationen von Komponenten beschrieben, aber sind auch andere Ausführungsformen möglich, die eine Kombination beliebiger Merkmale und/oder Komponenten aus einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das zweite Aktuatorgetriebe 4163 die gleichen Komponenten wie das erste Aktuatorgetriebe 4153 enthalten. In einigen Ausführungsformen umfasst die Eingabesteuervorrichtung 4000 nur einen Aktuator und ein Getriebe (z.B. nur den ersten Aktuator 4150 und das erste Aktuatorgetriebe 4153 oder nur den zweiten Aktuator 4160 und das zweite Aktuatorgetriebe 4163). Die Aspekte wurden im allgemeinen Zusammenhang mit medizinischen Geräten und insbesondere mit chirurgischen Instrumenten beschrieben, aber die erfindungsgemäßen Aspekte sind nicht unbedingt auf die Verwendung in medizinischen Geräten beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63000247 [0001]
US 20200015917 A1 [0057]

Claims

Steuereingangsanordnung, die Folgendes umfasst: einen Eingabegriff, ein erstes Verbindungsglied, ein zweites Verbindungsglied und einen Aktuator; wobei der Eingabegriff um eine erste Drehachse drehbar ist und eine Griffeingangswelle umfasst; wobei das erste Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds und eine Gelenkwelle umfasst, die um eine zweite Drehachse lotrecht zur ersten Drehachse drehbar und mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist, wobei der erste Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds so mit dem Eingabegriff gekoppelt ist, dass sich die Griffeingangswelle innerhalb des ersten Verbindungsglieds erstreckt; wobei das zweite Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, der über die Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist, und ein zweites Verbindungsgliedgehäuse aufweist, das sich vom ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds zum zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds erstreckt; und wobei der Aktuator innerhalb des zweiten Verbindungsgliedgehäuses montiert und zum Ausüben eines Drehmoments auf die Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds um eine Aktuatorachse gekoppelt ist, so dass die Aktuatorachse und die zweite Drehachse der Gelenkwelle einen Versatzwinkel größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad definieren.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 1, wobei: der Versatzwinkel kleiner als etwa 60 Grad ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 1, wobei: der Versatzwinkel zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad liegt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 1, wobei: ein kardanischer Mittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert ist; ein Kardanradius durch einen Abstand zwischen dem kardanischen Mittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert ist; mindestens ein Abschnitt des zweiten Verbindungsgliedgehäuses gekrümmt ist; und ein Abschnitt des zweiten Verbindungsgliedgehäuses einen Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,5- und 1,5-fachen des Kardanradius aufweist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 1, wobei: ein kardanischer Mittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert ist; ein Kardanradius durch einen Abstand zwischen dem kardanischen Mittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert ist; eine kardanische Umhüllung als ein kugelförmiges Volumen definiert ist, das den kardanischen Mittelpunkt umgibt und durch den Kardanradius gekennzeichnet ist; und das zweite Verbindungsgliedgehäuse einen gekrümmten Abschnitt innerhalb der kardanischen Umhüllung umfasst.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 1, wobei: ein kardanischer Mittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehsachse und der zweiten Drehsachse definiert ist; ein Kardanradius durch einen Abstand zwischen dem kardanischen Mittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert ist; das zweite Verbindungsgliedgehäuse eine versetzte Kardanfläche definiert, die sich zumindest teilweise entlang der Aktuatorachse erstreckt; und die versetzte Kardanfläche einen durch den Kardanradius definierten Bogen schneidet.
Steuereingangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: der Aktuator ein Motor ist; und der Motor eine Motorwelle umfasst, die sich entlang der Aktuatorachse erstreckt und mit der Gelenkwelle operativ gekoppelt ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 7, wobei: die Steuereingangsanordnung ein Aktuatorgetriebe umfasst, das in dem zweiten Verbindungsgliedgehäuse montiert ist; das Aktuatorgetriebe ein oder mehrere Zahnräder umfasst; und die Motorwelle über die ein oder mehreren Zahnräder des Aktuatorgetriebes mit der Gelenkwelle operativ gekoppelt ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 8, wobei: die ein oder mehreren Zahnräder des Aktuatorgetriebes ein Kegelrad und ein Stirnrad umfassen; und das Kegelrad und das Stirnrad an einer Zahnradwelle montiert sind.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 1, wobei: ein kardanischer Mittelpunkt an einem Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse definiert ist; ein Kardanradius durch einen Abstand zwischen dem kardanischen Mittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert ist; der Aktuator ein erster Aktuator ist, die Aktuatorachse eine erste Aktuatorachse ist, die Gelenkwelle eine erste Gelenkwelle ist und der Versatzwinkel ein erster Versatzwinkel ist: das zweite Verbindungsglied eine zweite Gelenkwelle umfasst, die um eine dritte Drehachse drehbar und mit dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt ist; die Steuereingangsanordnung ferner ein drittes Verbindungsglied und einen zweiten Aktuator umfasst; das dritte Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds, der mit dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds über die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt ist, einen zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds und ein drittes Verbindungsgliedgehäuse aufweist, das sich vom ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds zum zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds erstreckt; und der zweite Aktuator innerhalb des dritten Verbindungsgliedgehäuses montiert und zum Ausüben eines Drehmoments auf die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds um eine zweite Aktuatorachse gekoppelt ist, so dass die zweite Aktuatorachse und die dritte Drehachse der zweiten Gelenkwelle einen zweiten Versatzwinkel definieren, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 10, wobei: der Kardanradius ein erster Kardanradius ist; ein zweiter Kardanradius durch einen Abstand zwischen dem kardanischen Mittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds definiert ist; das zweite Verbindungsgliedgehäuse einen gekrümmten Abschnitt mit einem Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,5- und 1,5-fachen des ersten Kardanradius aufweist; und das zweite Verbindungsglied einen gekrümmten Abschnitt mit einem Krümmungsradius zwischen etwa dem 0,5- und 1,5-fachen des zweiten Kardanradius aufweist.
Steuereingangsanordnung, die Folgendes umfasst: einen Eingabegriff, ein erstes Verbindungsglied, ein zweites Verbindungsglied und einen Aktuator; wobei der Eingabegriff eine um eine erste Drehachse drehbare Griffeingangswelle aufweist; wobei das erste Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds und eine Gelenkwelle aufweist, die um eine zweite Drehachse lotrecht zur ersten Drehachse drehbar ist, wobei der erste Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds mit dem Eingabegriff so gekoppelt ist, dass sich die Griffeingangswelle innerhalb des ersten Verbindungsglieds erstreckt und der zweite Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds mit der Gelenkwelle gekoppelt ist; wobei das zweite Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds und einen Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsglieds zwischen dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds und dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds aufweist, wobei der erste Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds über die Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist; wobei ein Schnittpunkt der ersten Drehachse und der zweiten Drehachse einen kardanischen Mittelpunkt definiert; wobei einen Kardanradius als ein Abstand zwischen dem kardanischen Mittelpunkt und dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds definiert ist; wobei eine kardanische Umhüllung als ein kugelförmiges Volumen definiert ist, das den kardanischen Mittelpunkt umgibt und durch den Kardanradius gekennzeichnet ist; wobei der Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gekrümmt ist und vollständig innerhalb der kardanischen Umhüllung liegt; und wobei der Aktuator innerhalb des zweiten Verbindungsglieds montiert und operativ zum Ausüben eines Drehmoments auf die Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 12, wobei: der Aktuator ein Elektromotor ist; und der Elektromotor eine Motorwelle aufweist, die mit der Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds operativ gekoppelt ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 13, wobei: die Steuereingangsanordnung ferner ein Aktuatorgetriebe umfasst, das innerhalb des zweiten Verbindungsgliedgehäuses montiert ist; das Aktuatorgetriebe ein oder mehrere Zahnräder umfasst; und die Motorwelle über die ein oder mehreren Zahnräder des Aktuatorgetriebes mit der Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds operativ gekoppelt ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 14, wobei: die ein oder mehreren Zahnräder ein Antriebszahnrad und ein angetriebenes Zahnrad umfassen; das Antriebszahnrad eine erste Anzahl von Zahnradzähnen aufweist; das angetriebene Zahnrad eine zweite Anzahl von Zahnradzähnen aufweist; und die zweite Anzahl von Zahnradzähnen größer ist als die erste Anzahl von Zahnradzähnen.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 15, wobei: ein Übersetzungsverhältnis des angetriebenen Zahnrads zum Antriebszahnrad zwischen etwa 5:1 und 7:1 liegt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 14, wobei: das Aktuatorgetriebe eine Getriebewelle umfasst; die ein oder mehreren Zahnräder ein erstes Kegelrad, ein zweites Kegelrad, ein Stirnrad und ein Ausgangszahnrad umfassen; die Motorwelle einen Endabschnitt aufweist und das erste Kegelrad am Endabschnitt der Motorwelle montiert ist; das erste Kegelrad zum Antreiben des zweiten Kegelrads gekoppelt ist; das zweite Kegelrad und das Stirnrad mit der Getriebewelle gekoppelt sind, so dass sich das zweite Kegelrad, das Stirnrad und die Getriebewelle mit einer gemeinsamen Drehzahl drehen; und das Stirnrad zum Antreiben des Ausgangszahnrads gekoppelt ist, wobei das Ausgangszahnrad mit der Gelenkwelle gekoppelt ist, so dass das Stirnrad die Drehung der Gelenkwelle antreibt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 14, wobei: das Aktuatorgetriebe eine Getriebewelle umfasst; die Motorwelle des Elektromotors um eine Aktuatorachse drehbar ist: die Getriebewelle um eine Getriebeachse drehbar ist; und die Getriebeachse und die Aktuatorachse einen Versatzwinkel zwischen etwa 30 Grad und 60 Grad definieren.
Steuereingangsanordnung nach den Ansprüchen 12-18, wobei: ein Krümmungsradius des Mittelabschnitts des zweiten Verbindungsglieds etwa das 0,75- bis 1,25-fache des Kardanradius beträgt.
Steuereingangsanordnung, die Folgendes umfasst: einen Eingabegriff, ein erstes Verbindungsglied, ein zweites Verbindungsglied, ein drittes Verbindungsglied, einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator; wobei der Eingabegriff eine um eine erste Drehachse drehbare Griffeingangswelle aufweist; wobei das erste Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds und eine erste Gelenkwelle aufweist, die um eine zweite Drehachse lotrecht zur ersten Drehachse drehbar ist, wobei der erste Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds mit dem Eingabegriff gekoppelt ist, so dass sich die Griffeingangswelle innerhalb des ersten Verbindungsglieds erstreckt, und der zweite Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds mit der ersten Gelenkwelle gekoppelt ist; wobei das zweite Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gegenüber dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, einen Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsglieds, der sich zwischen dem ersten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds und dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds erstreckt, und eine zweite Gelenkwelle aufweist, die um eine dritte Drehachse lotrecht zur zweiten Drehachse drehbar ist, wobei der erste Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds mit dem zweiten Endabschnitt des ersten Verbindungsglieds über die erste Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist, wobei sich der Mittelabschnitt des zweiten Verbindungsglieds in einer ersten Richtung erstreckt und die erste Richtung eine Komponente parallel zur ersten Drehachse und eine Komponente parallel zur zweiten Drehachse beinhaltet; wobei der erste Aktuator mit dem zweiten Verbindungsglied gekoppelt und operativ zum Ausüben eines Drehmoments auf die erste Gelenkwelle des ersten Verbindungsglieds gekoppelt ist, wobei sich mindestens ein Abschnitt des ersten Aktuators innerhalb des Mittelabschnitts des zweiten Verbindungsglieds erstreckt; wobei das dritte Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds, einen zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds und einen mittleren Abschnitt des dritten Verbindungsglieds, der sich zwischen dem ersten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds und dem zweiten Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds erstreckt, aufweist, wobei der erste Endabschnitt des dritten Verbindungsglieds über die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds mit dem zweiten Endabschnitt des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt ist, wobei sich der Mittelabschnitt des dritten Verbindungsglieds in einer zweiten Richtung erstreckt und die zweite Richtung eine Komponente parallel zur zweiten Drehachse und eine Komponente parallel zur dritten Drehachse beinhaltet; und wobei der zweite Aktuator mit dem dritten Verbindungsglied gekoppelt ist und operativ zum Ausüben eines Drehmoments auf die zweite Gelenkwelle des zweiten Verbindungsglieds gekoppelt ist, wobei sich mindestens ein Abschnitt des zweiten Aktuators innerhalb des Mittelabschnitts des zweiten Verbindungsglieds erstreckt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 20, wobei: der erste Aktuator eine Drehung um eine erste Aktuatorachse antreibt; der zweite Aktuator eine Drehung um einen zweiten Aktuatorachse antreibt; die erste Aktuatorachse und die zweite Drehachse einen ersten Versatzwinkel definieren, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist; und die zweite Aktuatorachse und die dritte Drehachse einen zweiten Versatzwinkel definieren, der größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 21, wobei: der erste Versatzwinkel zwischen etwa 25 Grad und 65 Grad liegt; und der zweite Versatzwinkel zwischen etwa 15 Grad und 75 Grad liegt.
Steuereingangsanordnung, die Folgendes umfasst: ein kardanisches Verbindungsglied, ein Getriebegehäuse, eine Getriebewelle, ein Ausgangszahnrad, einen Aktuator, ein Eingangszahnrad und eine Gelenkwelle; wobei das kardanische Verbindungsglied einen ersten Endabschnitt und einen zweiten Endabschnitt umfasst, wobei das Getriebegehäuse am ersten Endabschnitt des kardanischen Verbindungsglieds montiert ist und die Gelenkwelle vom ersten Endabschnitt des kardanischen Verbindungsglieds drehbar gelagert wird; wobei das Getriebegehäuse einen Getriebewellenträgerabschnitt und einen Aktuatorträgerabschnitt aufweist; wobei die Zahnradwelle durch den Zahnradwellenträgerabschnitt des Getriebegehäuses zum Drehen um eine Zahnradachse getragen wird; das Ausgangszahnrad auf der Zahnradwelle montiert ist; der Aktuator einen Elektromotor, einen Motorkörper und eine Motorwelle umfasst, die um eine Aktuatorachse drehbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Motorkörpers am Aktuatorträgerabschnitt des Getriebegehäuses montiert ist; wobei das Eingangszahnrad auf der Motorwelle montiert ist und mit dem Ausgangszahnrad kämmt, um Drehmoment auf die Gelenkwelle zu übertragen; und wobei die Getriebeachse und die Aktuatorachse einen Versatzwinkel von mehr als 0 Grad und weniger als 90 Grad definieren.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 23, wobei: der Versatzwinkel zwischen etwa 45 Grad und 85 Grad liegt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 24, wobei: das Eingangszahnrad eine erste Anzahl von Zahnradzähnen aufweist; das Ausgangszahnrad eine zweite Anzahl von Zahnradzähnen aufweist; und die zweite Anzahl von Zahnradzähnen größer ist als die erste Anzahl von Zahnradzähnen.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 24, wobei: ein Übersetzungsverhältnis des Ausgangszahnrads zum Eingangszahnrad zwischen etwa 5:1 und 7:1 liegt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 24, wobei: ein Übersetzungsverhältnis des Ausgangszahnrads zum Eingangszahnrad etwa 6,9:1 beträgt.
Steuereingangsanordnung, die Folgendes umfasst: ein erstes kardanisches Verbindungsglied, ein zweites kardanisches Verbindungsglied und einen Motor; wobei das erste kardanische Verbindungsglied einen distalen Endabschnitt aufweist; wobei das zweite kardanische Verbindungsglied einen proximalen Endabschnitt aufweist, der mit dem distalen Endabschnitt des ersten kardanischen Verbindungsglieds gekoppelt ist, um sich um eine Drehachse des kardanischen Verbindungsglieds in Bezug auf das erste kardanische Verbindungsglied zu drehen, und wobei der Motor am ersten kardanischen Verbindungsglied oder am zweiten kardanischen Verbindungsglied montiert ist, wobei der Motor eine Motorwelle umfasst, die zum Antreiben des zweiten kardanischen Verbindungsglieds um die Drehachse des kardanischen Verbindungsglieds gekoppelt ist; wobei sich die Motorwelle um eine Motorwellendrehachse in einem spitzen Winkel in Bezug auf die Drehachse des kardanischen Verbindungsglieds dreht.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 28, wobei: das erste kardanische Verbindungsglied einen gekrümmten Abschnitt aufweist; und der Motor innerhalb des gekrümmten Abschnitts des ersten kardanischen Verbindungsglieds montiert ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 29, wobei: das erste kardanische Verbindungsglied einen proximalen Endabschnitt aufweist; und der gekrümmte Abschnitt des ersten kardanischen Verbindungsglieds sich zwischen dem proximalen und dem distalen Endabschnitt des ersten kardanischen Verbindungsglieds erstreckt.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 28, wobei: das zweite kardanische Verbindungsglied einen gekrümmten Abschnitt aufweist; und der Motor innerhalb des gekrümmten Abschnitts des zweiten kardanischen Verbindungsglieds montiert ist.
Steuereingangsanordnung nach Anspruch 31, wobei: das zweite kardanische Verbindungsglied einen distalen Endabschnitt aufweist; und der gekrümmte Abschnitt des zweiten kardanischen Verbindungsglieds sich zwischen dem proximalen und dem distalen Endabschnitt des zweiten kardanischen Verbindungsglieds erstreckt.
Steuereingangsanordnung nach einem der Ansprüche 28-32, die ferner Folgendes umfasst: einen mit dem zweiten kardanischen Verbindungsglied gekoppelten Bediengriff.
Steuereingangsanordnung nach einem der Ansprüche 28-32 in einer Steuereinheit eines telechirurgischen Systems ausgestaltet.