DE19638801C2 - Führungsmechanismus auf der Grundlage eines Vielgelenkes, bevorzugt für die Minimal Invasive Chirugie - Google Patents
Führungsmechanismus auf der Grundlage eines Vielgelenkes, bevorzugt für die Minimal Invasive ChirugieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Führungsmechanismus zur Bewegung eines Werkzeu
ges, bevorzugt eines chirurgischen Instrumentes, in der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC). Dabei
wird das Instrument, befestigt an einem stangenartigen Schaft, durch kleine, natürliche oder künst
liche Körperöffnungen in den Körper des Patienten eingeführt, um dort Manipulationen vorzu
nehmen. Es können entsprechend große Handhabungskräfte übertragen werden, weil eine hohe
Steifigkeit des Mechanismus und ein geringes Übersetzungsverhältnis erzielt wird.
Miniaturisierbare Vielgelenk-Mechanismen werden in DE 94 16 957 U1 und der DE 44 15 057 C2
beschrieben. Weitere, von der Struktur her mit der in der DE 94 16 957 U1 beschriebenen iden
tisch, beinhalten die Schriften DE 31 35 088 A1, DE 31 45 891 A1 und DE 32 22 299 A1.
In der DE 44 15 057 C2 wird ein modulares ebenes Koppelgetriebe beschrieben für einen in einer
Ebene schwenkbaren Vielgelenkmechanismus. Da sich alle Glieder in einer Ebene bewegen, dürfen
sie sich nicht kreuzen, wofür ein geeignetes kinematisches Schema gefunden wurde. Bei konstruk
tiven Lösungen im Anwendungsfalle ist die Suche eines Optimums zwischen der Steifigkeit der
Getriebeglieder und der Beweglichkeit des Vielgelenkes mit einem erheblichen Aufwand verbun
den. Derartige Vielgelenkmechanismen kommen als steuerbare Instrumente in der MIC zur An
wendung. Um die Bewegungsfreiheit des Effektors zu ermöglichen, können derartige Mechanis
men bei entsprechender Anzahl der Getriebeglieder um +/-180° abgewinkelt werden. Der Me
chanismus wird außerdem um seine Längsachse rotierend angeordnet. Ein Vielgelenkmechanismus
gemäß oder in Anlehnung an die DE 44 15 057 C2 erhöht die Bewegungsfreiheit in der MIC
gegenüber herkömmlichen Instrumenten. Der Entwurf der konstruktiven Gestaltung ein
Kompromiß zwischen Kollisionsfreiheit und Steifigkeit.
Die Lösung gemäß DE 94 16 957 U1 beschreibt einen vielgliedrigen Gelenkmechanismus, wel
cher ebenfalls in einer Ebene schwenkbar ausgeführt ist. Auch hier steht wieder die Aufgabe des
Hantierens in schwer zugänglichen Räumen mit einem gewissen Kraftaufwand. Eine angefahrene
Schwenkposition soll auch unter Belastung einhaltbar sein.
Mit vier hintereinander gekoppelten Teilgetrieben wird ein Schwenken um einen Winkel von 180°
erreicht. Das bedeutet, daß je Teilgetriebe eine Antriebsschwenkbewegung von lediglich 45° er
reicht wird. Zu diesem DE 94 16 957 U1 ist festzustellen, wie auch zu den bereits anfangs nur
genannten Patentschriften, daß damit ein verhältnismäßig großes Übersetzungsverhältnis gegeben
ist und damit das Hantieren erschwert wird.
Zusammenfassend kann bisher gesagt werden, daß mit den bisherigen Entwicklungen, auf die sich
u. a. die vorher kurz genannten Schriften stützen, bedeutende Fortschritte bei der MIC möglich
sind.
Entsprechend der Aufgabe der Erfindung soll die Beweglichkeit bei der MIC weiter erhöht werden,
und es sollen gleichzeitig jedoch vergleichbare große Kräfte übertragen werden können (einige
Newton). Bei wechselnden Kraftfeldern darf sich das Vielgelenk nicht merklich verformen, es muß
also eine hohe Steifigkeit besitzen.
Es wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, eine nichtebene Mechanismenstruktur zu
schaffen, die dem Vielgelenk zugrunde liegt.
Das Vielgelenk bildet das Ende eines minimal invasiven chirurgischen Instrumentes. Auf sein
proximales Ende folgt der zylindrische Instrumentenschaft, der (bei handbetätigten Instrumenten)
in einem zangenartigen Handgriff endet. Das distale Ende ist mit dem Arbeitsorgan, also bei
spielsweise einem miniaturisierten Greifer, verbunden.
Gemäß dem Patentanspruch 1 betrifft die Erfindung einen nichtebenen
Mechanismus, der nur aus ebenen Drehgelenken besteht, wobei die Gelenkachsen zueinander nicht
parallel angeordnet sind. Das betrifft den gesamten Bereich zwischen den beiden, bezogen auf die
Antriebsbewegung von 180° auseinanderliegenden Totlagen. Während der Endstellungen liegen
alle Gelenkachsen in einer Ebene. Dadurch, daß die Bewegung des Vielgelenk-Mechanismus den
gesamten Bereich zwischen den beiden Totlagen ausfüllt, besitzt das Vielgelenk ein geringes Über
setzungsverhältnis (Übersetzungsfaktor annähernd 1), wodurch hohe Handhabungskräfte am
Antrieb möglich werden.
Soweit die sphärisch untereinander verbundenen Glieder nur durch ein Zwischenglied gekoppelt
werden, kann eine entsprechende Ausführung gemäß Patentanspruch 2 der grundlegenden Idee
gemäß Patentanspruch 1 untergeordnet werden.
Im wesentlichen sollen sich alle weiteren Ausführungen auf einen Führungsmechanismus beziehen
mit der Maßgabe, daß sich der Mechanismus in 2 Teilgetriebe aufteilen läßt und sich die Achsen
der jeweiligen Teilgetriebe in jeweils einen Punkt schneiden (vgl. Patent
anspruch 3). Beim ersten Teilgetriebe sind das die erste Hauptachse - zum proximalen Ende gehö
rig - sowie die Achsen vom Antriebsglied und einem Übertragungsglied. Beim zweiten Teilge
triebe schneiden sich die zweite Hauptachse - zum distalen Ende gehörig - und die Achsen von
zwei Übertragungsgliedern.
Ergänzend zum 3. Patentanspruch wird im kennzeichnenden Teil des 4. Patentanspruches hervor
gehoben, daß die Achsen der jeweiligen Getriebeglieder der zwei Teilmechanismen jeweils in einer
Ebene liegen.
Eine vorteilhafte Dimensionierung gemäß dem Patentanspruch 5 besteht
in gleich großen Schnittwinkeln der Gelenkachsen, wie sie vorher im 3. Patentanspruch genannt
wurden, wodurch in der Nullstellung, d. h. in der gestreckten Stellung des Vielgelenkmechanismus,
alle Gelenkachsen in einer Ebene liegen und sich der Mechanismus in einer Totlage befindet.
Das günstige Übersetzungsverhältnis ist schon herausgehoben worden und die dadurch möglichen
großen Handhabungskräfte. Dementsprechend hebt der Patentanspru
ch 6 hervor, daß in gestreckter Stellung (Nullstellung) des Mechanismus alle Gelenkachsen in
einer Ebene liegen und gemäß dem Patentanspruch 7 ein Raumschwenk
winkel zwischen distalem und proximalem Glied von 180° erreichbar ist.
In Null- und Endstellung (Schwenkwinkel 0 Grad, Schwenkwinkel 180 Grad) befindet sich der
Mechanismus in einer Totlage. Dies ist eine Besonderheit der hier vorgeschlagenen Struktur, da
gewöhnlich das Erreichen von Totlagen in Mechanismen nicht erwünscht oder unzulässig ist. In
einer Totlage ist das Übersetzungsverhältnis, d. h. das Verhältnis von Abtriebs- zu Antriebsbewe
gung, Null. In beiden, technologisch besonders wichtigen Stellungen besitzt der Mechanismus
folglich eine besonders hohe Steifigkeit. Dementsprechend erstreckt sich der
Patentanspruch 8 auf die beiden Sonderstellungen des Mechanismus, d. h. auf einen
Schwenkwinkel von 0 Grad und 180 Grad.
Es ist aus Gründen der Handhabung zweckmäßig, bei der konstruktiven Gestaltung des nichtebe
nen Mechanismus von einer Zylinderform in der Nullstellung auszugehen, d. h. in jener Stellung, in
der die Längsachse mit der Achse des Instrumentenschaftes fluchtet. Dabei ist zu berücksichtigen,
daß eine Bewegung der Getriebeglieder über die Totlage hinaus vermieden wird. Entsprechende
Anschläge gemäß dem Patentanspruch 9 in der Nullstellung und in der
maximal verschwenkten Stellung verhindern ein Durchschlagen des Führungsmechanismus.
Für die praktische Ausführung der Führungsmechanismen kann es gemäß
dem Patentanspruch 10 sinnvoll sein, mehrere Mechanismen zwangsläufig hintereinander zu
schalten.
Mit der Erfindung ergeben sich gegenüber den bisherigen technischen Lösungen wesentliche Vor
teile.
Die Erfindung benötigt zum Erreichen eines Abtriebsschwenkwinkels von 180 Grad deutlich
weniger Gelenke als bisherige technische Lösungen. Weniger Gelenke bedeuten einen verringerten
Fertigungs- und Montageaufwand und weniger Spiel.
Bei vorgegebenem Durchmesser des zylindrischen Hüllkörpers, den der Gelenkmechanismus
ausfüllen darf, erhöht sich durch Zugrundelegung eines sphärischen Getriebes die Länge der Dreh
gelenke zwischen den Hauptgliedern. Dies steigert die Steifigkeit des Mechanismus und läßt die
Wirkung eventuell noch vorhandenen Gelenkspieles geringer werden.
In den technologisch besonders wichtigen Stellungen, der Nullstellung und der Endstellung, hat
der Mechanismus eine sehr hohe Steifigkeit.
Für eine Schwenkbewegung des Abtriebsgliedes 3 um 180 Grad muß sich auch das Antriebs
glied 4 um 180 Grad drehen. Dies bedeutet eine Verringerung des durchschnittlichen Überset
zungsverhältnis um den Faktor 4 gegenüber bisherigen Lösungen, wie z. B. in der DE
94 16 957 U1 beschrieben.
Die konstruktive Gestaltung ermöglicht einen größeren Durchlaß in der neutralen Faser des Ge
lenkmechanismus, der zur Durchführung von Medienschläuchen zum Arbeitsglied (z. B. Zange,
Schere, Nähvorrichtung) äußerst wichtig ist.
Im weiteren soll die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1a, b, c - einen nichtebenen Führungsmechanismus, bestehend aus 2 Teilgetrieben in 3
verschiedenen Schwenkpositionen
Fig. 2a, b, c - die konstruktive Gestaltung der Getriebeglieder entsprechend Fig. 1 mit
Fig. 2a - Endstellung Schwenkwinkel 180 Grad
Fig. 2b - Zwischenstellung
Fig. 2c - Nullstellung - Schwenkwinkel 0 Grad.
1
- proximales Glied, Gestellglied
2
- Zwischenglied
3
- distales Glied, Abtriebsglied
4
- Antriebsglied
5
- erstes Übertragungsglied
6
- zweites Übertragungsglied
7
- Hauptachse I
8
- Hauptachse II
9
- Schnittpunkt der Hauptdrehachsen S0
10
- Achsschnittpunkt der ersten Masche S1
11
- Achsschnittpunkt der zweiten Masche S2
12
- Anschlag
Ein proximales oder Gestellglied 1 ist über ein Zwischenglied 2 mit einem distalen oder Abtriebs
glied 3 durch je ein Drehgelenk mit den Hauptdrehachsen 7 und 8 verbunden, die nicht parallel
sind und sich im Punkt S0 9 schneiden. Mit einem weiteren Drehgelenk ist im Gestellglied 1 das
Antriebsglied 4 gelagert, derart, daß es sich mit der Hauptdrehachse 7 im Punkt S1 10 schneidet.
Das Antriebsglied 4 wird über eine Zugstange von einem, sich in proximaler Richtung befindli
chen, manuellen oder motorischen Antrieb, z. B. über eine Ritzel-Zahnstangen-Paarung, angetrie
ben.
Im Zwischenglied 2 mit einem Drehgelenk, dessen Achse wiederum durch den Punkt S1 führt, ist
das erste Übertragungsglied 5 gelagert. Das erste Übertragungsglied 5 und das Antriebsglied 4
besitzen ein gemeinsames Drehgelenk, dessen Achse ebenfalls durch den Punkt S1 10 führt.
Der Punkt S1 10 verbleibt bei jeder Bewegung des Mechanismus relativ zu den einzelnen Getrie
begliedern fest. Die erste Masche des Mechanismus, gebildet von dem Gestellglied 1, dem Zwi
schenglied 2, dem ersten Übertragungsglied 5 und dem Antriebsglied 4, ist als sphärisches Getrie
be anzusehen.
Vorteilhafterweise spiegelsymmetrisch zu dieser ersten Masche, gespiegelt an einer Ebene, die
senkrecht auf dem gemeinsamen Drehgelenk des Zwischengliedes 2 und des ersten Übertra
gungsgliedes 5 steht und durch den Schnittpunkt der Hauptdrehachsen S0 9 verläuft, ist die zweite
Masche des Mechanismus aufgebaut. Die Verbindung zwischen erster und zweiter Masche wird
durch die an beiden Maschen beteiligten Drehgelenkglieder, das Zwischenglied 2 und das erste
Übertragungsglied 5 hergestellt, wobei das erste Übertragungsglied 5 die Antriebsbewegung vom
Antriebsglied 4 auf die zweite Masche leitet. Die Achsen der an der zweiten Masche beteiligten
Drehgelenke schneiden sich im Punkt S2 11. Auf diese Weise wird die Bewegung des Abtriebs
gliedes 3 um eine virtuelle Drehachse, entstehend durch zwei Teilschwenkungen um die Haupt
drehachsen I 7 und II 8 erreicht.
Eine vorteilhafte Dimensionierung besteht in gleichgroßen Schnittwinkeln der Gelenkachsen an
den Gliedern 1 und 4, 3 und 6 und am ersten Übertragungsglied 5, wodurch in der Endstellung,
d. h. in der gestreckten Stellung des Vielgelenkmechanismus, alle Gelenkachsen in einer Ebene
liegen und sich der Mechanismus in einer Totlage befindet.
Durch geeignete konstruktive Gestaltung der Getriebeglieder (Fig. 2) wird eine Bewegung dieser
und damit auch des Vielgelenkes über die Totlage hinaus vermieden. Dies schafft andererseits die
Voraussetzungen für eine sehr hohe Steifigkeit des Instrumentes in der gestreckten und der maxi
mal verschwenkten Stellung.
Claims (10)
1. Führungsmechanismus auf der Grundlage eines Vielgelenkes, bevorzugt für die Minimal
Invasive Chirurgie, gekennzeichnet dadurch, daß ein nichtebener Mechanismus nur aus ebe
nen Drehgelenken besteht, deren Hauptachsen I (7) und II (8) zueinander nicht parallel sind.
2. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem
proximalen Endglied oder Gestellglied (1) und dem distalen Endglied oder Abtriebsglied (3)
des Mechanismus nur ein Getriebeglied, das Zwischenglied (2) eingefügt ist.
3. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der nichtebene
Mechanismus sich in 2 Teilmechanismen derart aufspalten läßt, daß sich die Gelenkachsen
des ersten Teilgetriebes im Achsschnittpunkt der ersten Masche S1 (10) und die Gelenk
achsen des zweiten Teilgetriebes im Achsschnittpunkt der zweiten Masche S2 (11)
schneiden.
4. Führungsmechanismus nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Ach
sen der jeweiligen Getriebeglieder der zwei Teilmechanismen miteinander schneiden und je
weils in einer Ebene liegen.
5. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die von den
Achsen eingeschlossenen Winkel an den Getriebegliedern (1) und (4) sowie (2) und (5) so
wie (3) und (6) jeweils gleichgroß sind.
6. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß in ge
streckter Stellung (Nullstellung) des nichtebenen Mechanismus alle Gelenkachsen in einer
Ebene liegen.
7. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 3, 4 und 5 gekennzeichnet dadurch, daß ein Raum
schwenkwinkel zwischen distalem (3) und proximalem Endglied (1) von 180 Grad erreichbar
ist.
8. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß sich der
Mechanismus sowohl in der Nullstellung, d. h. jener Stellung, in der seine Längsachse mit der
Achse des Instrumentenschaftes fluchtet, als auch in seiner maximal verschwenkten Stellung
in einer Totlage oder singulären Stellung befindet.
9. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 6, 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Me
chanismus konstruktiv so gestaltet ist, daß in Nullstellung des Mechanismus eine Zylinder
form entsteht und daß in der Nullstellung und in der maximal verschwenkten Stellung des
Mechanismus durch speziell gestaltete Anschläge (12) ein Durchschlagen vermeidbar ist.
10. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich mehrere dieser
Mechanismen zwangsläufig nacheinander schalten lassen, indem das Abtriebsglied (3) des
ersten Mechanismus mit dem Getriebeglied (1) des zweiten Mechanismus identisch ist und
das zweite Übertragungsglied (6) des ersten Mechanismus mit dem Antriebsglied (4) des
zweiten Mechanismus über ein Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis von zumindest
näherungsweise "-1" gekoppelt ist.
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DE (1) | DE19638801C2 (de) |
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