DE4303311A1 - Modularer, in einer Ebene symmetrisch schwenkbarer, miniaturisierter Gelenkmechanismus für die Anwendung in der Medizin - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen an eine Trägereinrichtung ange­ koppelten, vielgliedrigen, in einer Ebene symmetrisch schwenk­ baren Gelenkmechanismus, der aus mehreren hintereinandergekop­ pelten Teilgetrieben besteht. Das erste davon ist auf der Trä­ gereinrichtung montiert. Am letzten, fernen Teilgetriebe ist ein Werkzeug aufsetzbar, das über eine durch die Teilgetriebe hindurchgehende Antriebseinrichtung bedient werden kann.

Der Gelenkmechanismus ist zum Arbeiten in nicht unmittelbar oder schwer zugänglichen Räumen vorgesehen, in denen Hinder­ nisse umgangen werden müssen bzw. nicht berührt werden dürfen und in denen mit einem gewissen Kraftaufwand hantiert werden muß. Der Antrieb des aufgesetzten Werkzeugs erfolgt durch die Trägereinrichtung und den Gelenkmechanismus hindurch.

In der OS 31 35 088 wird ein Auslegerarm für ein Handhabungs­ gerät beschrieben, der aus mehr als drei gelenkig miteinander zu einer Gliederkette verbundenen Gliedern besteht. Zum Verän­ dern der Form des Auslegerarms dient ein einziges Antriebsele­ ment, durch das von einem Grundkörper eine Bewegung in den Auslegerarm eingeleitet wird.

Im ersten vorgestellten Fall sind die Stellelemente Stangen, die jeweils auf das übernächste Glied der Gliederkette über­ greifen. Im zweiten Fall sind die Stellelemente Zahnräder und/oder Zahnradsegmente, über die die Schwenkung der Glieder­ kette erfolgt. In beiden Fällen ist vom Platzbedarf und vom Bauteileaufwand her eine räumliche Minimisierung des Ausleger­ arms nur unter sehr großem Aufwand bzw. überhaupt nicht mög­ lich, da einerseits die Gestänge aus Gründen der Festigkeit Mindestabmessungen aufweisen müssen und andererseits die in­ einandergreifenden Zahnräder und Zahnradsegmente immer ein Verdrehspiel besitzen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist, einen auf ei­ ner Trägereinrichtung aufsitzenden Gelenkmechanismus bereitzu­ stellen, der hin und her in einer Ebene und um eine gestreckte Ausrichtung symmetrisch schwenkbar ist, der genügend steif in einer beliebig eingeschwenkten Position haltbar ist und über den mit einem an seinem fernen Ende aufgesetzten Werkzeug un­ ter Einhalten der Position mit einem gewissen Kraftaufwand ma­ nipuliert werden kann. Der Gelenkmechanismus und die ihn tra­ gende Trägereinrichtung sollen zudem in äußeren Maßen ausrei­ chend klein und schlank sein, damit sie als Instrument bzw. Instrumententräger in der minimal invasiven Chirurgie einsetz­ bar sind.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 lösen diese Auf­ gabe erfindungsgemäß durch den grundsätzlichen Aufbau der Teilgetriebe aus zwei Bauteilen und deren jeweils gleicharti­ ger Bewegung während des Schwenkens.

Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen des Gelenkmechanismus und zwei Antriebsvarianten durch die Trägereinrichtung hindurch. Letztere sind in den Ansprüchen 7 und 8 gekennzeichnet. Im Anspruch 9 schließlich wird dann auf­ grund der Aufgabenstellung die äußere Form für den Einsatz des auf der Trägereinrichtung aufgesetzten Gelenkmechanismus in der minimal invasiven Chirurgie gekennzeichnet.

Die beiden Bauteile eines Teilgetriebes lassen sich mit moder­ nen Fertigungsmethoden so klein und maßhaltig fertigen, daß ein spielarmes Schwenken des Gelenkmechanismus in einer Ebene durchgeführt werden kann. Der Schwenkbereich liegt in dieser Ebene symmetrisch zur gestreckten Ausrichtung des Gelenkmecha­ nismus. Die Teilgetriebe sind gegenseitig austauschbar. Ihre konstruktive Gestaltung ist so, daß beim Aneinanderkoppeln aufwendige Justierarbeit entfällt. Desweiteren sind in den Koppelbereichen der Gelenke durch die konstruktive Gestaltung Gelenkzapfen entbehrlich, wodurch das Spiel auf ein Minimum reduziert bleibt. Der Schwenkbereich kann durch die Anzahl an­ einandergekoppelter Teilgetriebe leicht erweitert oder verrin­ gert werden.

Zwei Ausführungsformen der Erfindung, die für den Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie vorgesehen sind, werden in der Zeichnung vorgestellt und nachstehend beschrieben. Zur theore­ tischen Erläuterung werden zwei Figuren hinzugezogen und be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 den am Ende der Trägereinrichtung angekoppelten Gelenkmechanismus mit am fernen Ende aufgesetzten Werkzeug bzw. chirurgischen Instrument;

Fig. 2 zwei hintereinanderliegende, zerlegte Teilgetriebe;

Fig. 3 Darstellung des symmetrischen Schwenkbereichs des Gelenkmechanismus;

Fig. 4 Schwenkung eines Teilgelenks und eines unmittelbar benachbarten im Koordinatensystem.

Den mit der Trägereinrichtung 1 gekoppelten Gelenkmechanismus 2 samt aufgesetztem Instrument 3, das als Greifer angedeutet ist, zeigt Fig. 1. In der perspektivischen Darstellung kommt die Zwangsläufigkeit der hintereinandergekoppelten Teilgetriebe zum Ausdruck.

In diesem Durchführungsbeispiel ist die Schwinge 5 des ersten Teilgetriebes 4 starr am fernen Ende der Trägereinrichtung 1 in ihrem Gelenkpunkt Ao und die Koppel 6 des ersten Teilge­ triebes in ihrem Gelenkpunkt Bo drehbar befestigt. Die Schwinge 5 des ersten Teilgetriebes ist als Winkelhebel ausge­ bildet und wird über eine Antriebseinrichtung, die durch die Trägereinrichtung führt, ausgelenkt.

Um das Durchführen der zusammengebauten Anordnung durch einen Trokar zu ermöglichen, haben die Trägereinrichtung 1, die Kop­ pel 6 und das Instrument 3 einen größten gemeinsamen Durchmes­ ser bzw. Querausdehnungen, der auf jeden Fall darunter liegt bzw. die darunter liegen.

Zwei aufeinanderfolgende Teilgelenke von einem anderen Durch­ führungsbeispiel sind in zerlegter Darstellung in Fig. 2 dar­ gestellt. In zusammengebauter und gestreckter Ausrichtung ha­ ben die beiden Teilgetriebe 4 eine zylindrische Hüllfläche. Die Teilgetriebe 4 bestehen, wie in Fig. 1 dargestellt, aus zwei Funktionsteilen, nämlich der Schwinge 5 und der Koppel 6. In diesem Durchführungsbeispiel besteht die Schwinge aus zwei spiegelbildlichen Hälften 5a und 5b mit den Sacklöchern Bo und B, in die kegelförmige Auswüchse 12 der Koppeln 6 eingreifen bzw. einschnappen und damit zusätzliche Gelenkzapfen über­ flüssig machen. Jede Koppel 6 hat einen Durchlaß 8, der hier eine zylinderische Bohrung ist und zwischen den Achsen Bo und B hindurchgeht. Durch diesen hindurch können zusätzliche, für die chirurgische Arbeit am unmittelbaren Operationsort notwen­ dige Einrichtungen führen. Dieser Durchlaß 8 oder auch Kanal 8 hat mindestens eine lichte Weite von 20% des Durchmessers der zylindrischen Hüllfläche. Die Hälften 5a, 5b der Schwinge 5 werden in zusammengebauten Zustand über die vier Erhöhungen 7 auf Distanz gehalten.

Die Hälften 5a, 5b haben je eine halbinselförmige Ausbuchtung A, die beim Zusammenbau der Schwinge 5 in die jeweils unmit­ telbar benachbarte Schwinge 5 in eine dafür vorhandene Ein­ buchtung Ao eingerastet wird. Die Ausbuchtung A bildet einen Lagerbock, um den das anschließende Teilgetriebe schwenkt. Die Schwenkbewegung der Teilgetriebe ist auch hier zwangläufig und gleichartig.

Fig. 3 zeigt in abstrahierter Darstellung den symmetrischen Schwenkbereich des Gelenkmechanismus 2, der hier aus vier hin­ tereinandergekoppelten Teilgetrieben besteht. Ein Teilgetriebe 4 besteht aus zwei Teilen:

• - der Schwinge 5, durch den Teil Ao-A der neutralen Faser 10 angedeutet,
• - und der Koppel 6, durch den neutralen Teil Bo-B angedeutet.

Typisch für die Teilgetriebe sind, daß die jeweilige Koppel 6 die Schwinge 5 kreuzt.

Das erste Teilgetriebe 4 ist um seine Gelenkachse Ao bzw. die Schwenkwurzel 11 an der Trägereinrichtung 1 schwenkbar. Diese ist hier nicht angedeutet. Im allgemeinen geht von der Schwenkwurzel 11 die neutrale Faser in Form des Polygonzugs Ao-A, Ao-A, Ao-A, . . . aus. In gestreckter Ausrichtung wird sie zur Geraden 10, die in jeder Schwenklage ihre gesamte Länge beibehält.

Fig. 2 und 3 verdeutlichen den modularen Aufbau der einzel­ nen, in ihrer konstruktiven Gestaltung und in ihren kinemati­ schen Abmessungen identischen Teilgetriebe 4. Die Zwangsläufig­ keit wird durch die Ausbildung der Struktur als eine Nachein­ anderschaltung geschlossener, viergliederiger Maschen Ao-Bo-B- A erreicht. Mit einem Antrieb, an der Wurzel oder am fernsten Teilgetriebe 4 ansetzend, wird die Schwenkung in der Ebene vollführt. Die Anzahl gekoppelter Teilgetriebe 4 bestimmt den Schwenkbereich.

Der abstrahierte Aufbau eines Teilgetriebes 4 ist in Fig. 4 dargestellt. Ein zugehöriges Koordinatensystem hat seinen Ur­ sprung im Punkt Ao. Die neutrale Teilfaser Ao-A, ist hier um den Winkel phi gegen die Abszisse entgegen dem Uhrzeigersinn ausgelenkt. Bewirkt wird die Schwenkung durch Einwirkung auf die Koppel 6 am Punkt Bo oder durch die Einwirkung auf die Schwinge 5 am Punkt Ao. Daraus ergibt sich die Winkelbeziehung zwischen zwei unmittelbar benachbarten Teilgetrieben:

• - schwenkt die erste Schwinge um den Koordinatenursprung um den Winkel phi, dann schwenkt die folgende um den Winkel psi, und zwar so daß das Verhältnis i = psi:phi = 2besteht. Diese Beziehung konnte mit den Durchführungsbei­ spielen nach Fig. 1 und 2 mit einer Genauigkeit in den Endstellungen von kleiner als 0,02% eingehalten werden.

Die Vorteile der oben beschriebenen Erfindung liegen zunächst in der konstruktiven Möglichkeit der Miniaturisierung der Teilgetriebe 4 bzw. ihrer jeweils beiden Bauteile, der Schwinge 5 und der Koppel 6, aufgrund des einfachen mechani­ schen Aufbaus. Mit den aneinander gekoppelten, konstruktiv gleichen Teilgetrieben 4 läßt sich ein Gelenkmechanismus 2 re­ alisieren, der in gestreckter Ausrichtung eine zylinderische Hüllkontur besitzt, die klein genug gehalten werden kann, da­ mit ein Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie (MIC) gege­ ben ist. Der Aufbau ist modular, d. h. mit geringem Aufwand ist die Anzahl der Teilgetriebe des Mechanismus vom Anwender, z. B. vom Chirurgen, rasch und beliebig zu vergrößern oder zu verkleinern. Der Schwenkbereich des Gelenkmechanismus ist da­ durch leicht vorgebbar und in jedem Fall symmetrisch zur ge­ streckten Ausrichtung. Der Antrieb des Gelenkmechanismus kann auf prinzipiell zwei verschiedene Arten erfolgen:

• 1. Die Antriebsbewegung erfolgt durch Anlenken einer Zugstange auf eines mit der Trägereinrichtung verbundenen Getriebe­ glieder (Fig. 1), wodurch die Schwenkung an der ersten Schwinge oder an der ersten Koppel eingeleitet wird.
• 2. Am fernsten Teilgetriebe ist ein Seil oder Band oder ähnli­ ches mit seinem einen Ende befestigt und wird entlang dem Gelenkmechanismus bis zur Trägereinrichtung geführt, um eine dortige Antriebseinrichtung umgelenkt und wieder ent­ lang des Gelenkmechanismus zum fernsten Teilgetriebe zu­ rückgeführt, wo es mit seinem anderen Ende ebenfalls veran­ kert wird. Hier wird die Schwenkung am fernsten Teilge­ triebe eingeleitet.

Die Zwangsläufigkeit der Teilschwenkungen der Teilgetriebe ist durch ihre Konstruktion vorgegeben, wodurch sich auch der Quo­ tient der jeweiligen Schwenkwinkel psi und phi einstellt.

Weitere Antriebseinrichtungen zum Betreiben des am letzten Teilgetriebe aufgesetzten Instruments können entlang der an­ einanderkoppelnden neutralen Faserteilen innerhalb oder seit­ lich entlang des Gelenkmechanismus verlaufen.

Der Einsatzbereich des auf der Trägereinrichtung aufgesetzten Gelenkmechanismus ist nicht allein auf die Chirurgie be­ schränkt. Einsatzmöglichkeiten sind in der Handhabungstechnik oder Robotertechnik gegeben. Dazu hätte nur eine Modifizierung bzw. eine entsprechende Dimensionierung für den vorgesehenen Anwendungsfall zu erfolgen.

Bezugszeichenliste

 1 Trägereinrichtung
 2 Gelenkmechanismus
 3 Werkzeug, Instrument
 4 Teilgetriebe
 5 Schwinge
 5a Hälfte
 5b Hälfte
 6 Koppel
 7 Erhöhung
 8 Durchlaß, Kanal
 9 Ausrichtung
10 Faser
11 Schwenkwurzel
12 kegelförmiger Auswuchs

Claims (10)

1. Modularer, in einer Ebene symmetrisch schwenkbarer, minia­ turisierter Gelenkmechanismus für die Anwendung in der Me­ dizin zum Umgehen von Hindernissen und kraftvollem Hantie­ ren in nicht unmittelbar zugänglichen Hohlräumen, bestehend aus mehreren hintereinandergekoppelten, zwangläufigen Teil­ getrieben, von denen das erste nahe Teilgetriebe an der Trägereinrichtung angekoppelt und am freien Ende des letz­ ten, fernen Teilgetriebes ein Werkzeug aufsetzbar ist, und der Antrieb zur Schwenkung des Gelenkmechanismus durch die Trägereinrichtung hindurch erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Gelenkmechanismus aus konstruktiv in den Abmessungen identischen, miniaturisierten Teilgetrieben (4) besteht, und diese Teilgetriebe jeweils aus nur zwei Bauteilen (5, 6), einer Koppel (6) und einer Schwinge (5), beste­ hen, wobei diese aneinandergekoppelten Teilgetriebe (4) bei einer Schwenkung alle eine ähnliche Bewegung voll­ führen;
• - jedes Teilgetriebe (4) so dimensioniert ist, daß bei Auslenkung seiner Neutralen Ao-A um den Winkel phi gegen die gestreckte Ausrichtung die Neutrale Ao-A des unmit­ telbar folgenden Teilgetriebes um den Winkel psi gegen die gestreckte Ausrichtung ausgelenkt wird, und zwar so daß gilt: i = psi:phi = 2.

2. Gelenkmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkmechanismus in neutraler Auslenkung von einer zylinderischen Fläche umhüllt werden kann, deren Durchmes­ ser geringer als der Abstand der Gelenkpunkte Ao-A der Schwinge (5) ist.

3. Gelenkmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Gelenkstellung ein zentraler, kanalartiger freier Durchlaß (8) entlang der Neutralen Ao-A der aneinan­ dergekoppelten Teilgetriebe besteht.

4. Gelenkmechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Gelenkmechanismus (2) entlang und beidseitig der Neutralen Ao-A als auch beidseitig der Schwenkebene ein Übertragungsmechanismus zum Antreiben eines am fernen Ende aufgesetzten Werkzeugs (3) integriert ist.

5. Gelenkmechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsmechanismus als Wellenleitung mit homo­ kinetischen Gelenken, z. B. mit Kreuzgelenken in Form einer Gelenkwelle, ausgebildet ist.

6. Gelenkmechanismus nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkbereich durch die Anzahl Teilgetriebe (4) bestimmt ist und das Krümmungsverhalten des Gelenkmechanis­ mus (2) unwesentlich von dieser Anzahl beeinflußt wird.

7. Gelenkmechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß über eine auf eines der beiden mit der Trägereinrich­ tung (1) verbundenen Getriebeglieder des ersten Teilgetrie­ bes (4) wirkende Zug- und Druckstange die Schwenkung aus­ führbar ist.

8. Gelenkmechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß über ein durch ein am fernen Teilgetriebe (4) befestig­ tes, durch sämtliche aneinandergekoppelten Teilgetriebe (4) zur Basis geführtes und von diesem zurück zu dem fernen Teilgetriebe reichendes, zugbelastbares Maschinenelement die Schwenkung ausführbar ist.

9. Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägereinrichtung (1) einen ähnlich kleinen oder den gleichen kleinen Durchmesser aufweist, wie eine den gestreckten Gelenkmechanismus (2) umhüllende zy­ linderische Fläche, so daß beide in zusammengebauter Anord­ nung durch eine Trokarhülse geringen Durchmessers führbar und als Instrument in der minimal invasiven Chirurgie ein­ setzbar sind und für diesen Verwendungszweck der Gelenkme­ chanismus (2) samt Trägereinrichtung (1) aus einem für das menschliche Gewebe verträglichen Material aufgebaut ist.

10. Gelenkmechanismus nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke als entweder lösbare oder auch unlösbare, durch form- und/oder kraftschlüssig inein­ andergreifende oder ineinanderschnappende Konturen, Profi­ lierungen, Ausformungen und dergleichen Drehverbindungen ausgebildet sind, so daß dadurch zusätzliche Gelenkzapfen entbehrlich sind.