DE4303311A1 - Modularer, in einer Ebene symmetrisch schwenkbarer, miniaturisierter Gelenkmechanismus für die Anwendung in der Medizin - Google Patents
Modularer, in einer Ebene symmetrisch schwenkbarer, miniaturisierter Gelenkmechanismus für die Anwendung in der MedizinInfo
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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
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.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4303311A DE4303311A1 (de) | 1993-02-05 | 1993-02-05 | Modularer, in einer Ebene symmetrisch schwenkbarer, miniaturisierter Gelenkmechanismus für die Anwendung in der Medizin |
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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DE4303311A1 true DE4303311A1 (de) | 1994-08-11 |
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ID=6479705
Family Applications (1)
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