DE4415057C2

DE4415057C2 - Modulares ebenes Koppelgetriebe für einen Vielgelenkmechanismus

Info

Publication number: DE4415057C2
Application number: DE19944415057
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Mueglitz; Peter Dautzenberg; Bernhard Neisius; Otto Baldinus; Anton Neuberth
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2014-04-30
Also published as: DE4415057A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares, ebenes Koppelgetriebe für einen, in einer Ebene schwenkbaren Vielgelenkmechanismus bzw. eine Vielgelenkkette aus mehreren solcher mehrgliedrigen, identischen und zwangläufig hinterein andergeschalteten Getrieben, deren Einzel- oder Grundelemente in einer Ebene zumindest teilweise beweglich gegeneinander oder drehbar, senkrecht zu ihr jedoch fixiert sind, insbeson dere für einen einseitig an einer Basis gehaltenen, miniaturi sierten vielgliedrigen Gelenkarm für Geräte zum Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffes vom Patentanspruch 1.

Solche Vielgelenkmechanismen werden unter anderem zum Einsatz von Endoskopen verwendet, wobei durch die Drehung des Endosko pes an einem solchen eine schirmförmige Arbeitsfläche ent steht. Dabei werden für den Mechanismus natürlich möglichst geringe Abmessungen angestrebt. Die bisherige Grenze bei der Miniaturisierung wurde durch die bekannten Fertigungsverfahren der Feinwerktechnik bestimmt.

Vielgelenkmechanismen für Koppelgetriebe mit den unterschied lichsten Merkmalen sind, wie bereits erwähnt, unter anderem als Endoskope aus den DE-OSen 37 07 787, 35 04 824, 33 20 565 und der US-PS 34 19 238 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Koppelge triebe der eingangs erwähnten Art mit kleineren Abmessungen seiner Elemente zu schaffen, welches sich, bzw. dessen Elemente sich mit den neueren Methoden der Mikrostrukturierungstechnik herstellen lassen. Als eine solche wird insbesondere das LIGA- Verfahren angesehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung ein Getriebe vor, wie es durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 dargestellt ist. Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche 2 und 3 zu sehen.

Die Erfindung gibt somit ein Getriebe an, dessen Elemente nur in einer Ebene strukturiert sind, wodurch die sonst übliche Gestaltung ebener Mechanismen in mehreren orthogonalen Ebenen vermieden wird. Das Getriebe, bzw. seine Elemente kann daher mittels Methoden der Mikrostrukturierungstechnik, wie z. B. dem LIGA-Verfahren mit höchster Präzision und mit kleinsten Abmes sungen hergestellt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Konstruktionsprinzip wird ein Ver zicht auf, gewöhnlich zur drehbaren Verbindung zweier Glieder notwendige Gelenkzapfen erreicht. Sämtliche Getriebeglieder und -elemente lassen sich durch Ausschneiden aus ebenen, plat tenartigen Halbzeugen hochgenau fertigen. Ein Umspannen des Bauteiles während der Bearbeitung, das die Fertigungsgenauig keit stets negativ beeinflußt, ist nicht mehr erforderlich. Für Abmessungen der Getriebeglieder im Bereich von wenigen Millimetern bietet sich als Fertigungsverfahren das Drahtero dieren, für Bereiche unter dieser Größenordnung die LIGA-Tech nik an. Die Getriebeglieder sind durch ihre ebene Kontur und ihre Höhenausdehnung senkrecht zu dieser vollständig beschrie ben und für diese Verfahren bestens geeignet.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Getriebes werden im folgenden und anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:

die Fig. 1 die kinematische Struktur des Getriebes,

die Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Getriebes,

die Fig. 3 mehrere hintereinandergeschaltete Getriebe und

die Fig. 4 eine perspektivische Darstellung von solchen.

Die Figuren zeigen ein modulares ebenes Koppelgetriebe für einen, in einer Ebene schwenkbaren Vielgelenkmechanismus bzw. eine Vielgelenkkette aus mehreren solcher mehrgliedrigen, identischen und zwangläufig hintereinandergeschalteten Getrie ben, deren Einzel- oder Grundelemente in einer Ebene zumindest teilweise beweglich gegeneinander oder drehbar, senkrecht zu ihr jedoch fixiert sind. Das Getriebe ist insbesondere für einen einseitig an einer Basis gehaltenen, miniaturisierten vielgliedrigen Gelenkarm für Geräte zum Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie vorgesehen, wie er abschnittsweise darge stellt ist.

Das Getriebe, dessen kinematisches Schema und die kinematische Kette daraus als Vielgelenkmechanismus in der Fig. 1 schema tisch dargestellt sind, besteht in seiner Grundform gem. der Fig. 2 aus den einzelnen Elementen 2 bis 5, wobei die Elemente 3, 4 und 5 zusammen jeweils nur einmal pro Grundelement 2, 6, 10, 20 usw. vorhanden sind. Die Getriebe können in beliebiger Anzahl, z. B. 5-fach wie in der Fig. 3 dargestellt, hinterein ander geschaltet werden. Die wichtigsten Teile davon sind die Grundelemente bzw. Getriebeglieder 2, 6, 10 usw., die wie die übrigen Elemente relativ flach und plattenförmig, dabei in ih rer Form identisch, jedoch jeweils paarweise zueinander spie gelbildlich hintereinander zusammenhängend in einer Ebene an geordnet sind.

Jedes Grundelement z. B. 2 oder 6 greift dabei an dem nachgeordneten mittels eines ebenen Gelenkes zur gegenseitigen Beweglichkeit an, wobei an jedem Grundelement zusätzlich be wegliche Hebel 3, 4, 5 und 7, 8, 9 angelenkt sind, die die Be wegung des jeweiligen Grundelementes, z. B. 2 auf das nachge ordnete 6 und weiter übertragen und an diesem dazu ebenfalls mittels ebenen Gelenken beweglich angelenkt sind. Unter einem ebenen Gelenk ist dabei jeweils ein in einer Ebene beweglicher Lagerkopf - in den Figuren jeweils mit ′ bezeichnet - und eine diesen in der Ebene aufnehmende Kalotte - in den Figuren je weils mit ′′ bezeichnet - zu verstehen. Eine Gelenkhälfte ist demnach entweder ein Lagerkopf′ oder eine Kalotte′′ bzw. La gerschale.

Wie bereits erwähnt, besteht jedes Getriebe aus einem Getriebeglied z. B. 2, 6, 10, 30, 40 usw., einem Winkelhebel z. B. 3 und zwei Zugstäben z. B. 4, 5, die jeweils in einer Ebene liegen. Ein wichtiges Element ist dabei der paarweise spiegelbildlich pro Getriebeelement zueinander angeordnete Winkelhebel, z. B. 3 oder 7, der mit Hilfe der Zugstäbe, z. B. 4 und 5, als Koppeln die Verbindung zwischen einem n-ten und einem (n-2)ten Getriebeglied herstellt. Der Winkelhebel ist jeweils an einem Getriebeglied, z. B. der Hebel 7 an 6, gela gert und überträgt die Bewegung des vorstehenden Getriebe gliedes auf das nächste, z. B. der Hebel 7 die Bewegung des Getriebegliedes 2 auf das übernächste 10. Dies gilt für alle Getriebeglieder, so daß pro Getriebeglied jeweils ein Winkel hebel und zwei Zugstäbe bzw. Koppeln vorhanden sind. Die Ver wendung des Winkelhebels ermöglicht es, Kreuzungen von Getrie begliedern vollständig zu vermeiden. Dies wird weiterhin durch die bereits oben erwähnten Gelenke erreicht. Jedes Gelenk 11 bis 20 usw. besteht dabei aus einer zylindrischen Lagerschale ′′ und einem in dieser gelagerten Lagerzapfen ′ als Gelenk hälften, wobei die Lagerschale eine die Mitte des Zapfens übergreifende Ausnehmung und der Zapfen einen Kopf im Grundma terial des jeweiligen Elementes bilden.

Die Lagerschalen ′′ müssen zur Sicherstellung einer form- und stoffschlüssigen Verbindung die Lagerzapfen ′ mit einem Winkel von mehr als 180° umschließen, so daß an keinem Gelenk ein Schwenkwinkel von ca. ± 30° überschritten wird.

Jedes Getriebeglied besitzt jeweils fünf solcher Gelenkhälf ten, das Element 2 z. B. die Pos. 11′′, 12′, 13′, 14′ und 15′, von denen eine, z. B. 12′, die Ankoppelstelle des Getriebe gliedes 2 an das nächste 6 und eine weitere, z. B. 11′′, auf der anderen Seite des Getriebegliedes 2 gelegene, die Ankop pelstelle an das vorhergehende, in der Fig. 2 die Basis 1, oder ein anderes vorgeschaltetes Getriebeglied bilden. Die Winkelhebel (3 bzw. 7 usw.) weisen je drei (15′′, 17′ und 18′), die Zugstäbe (4, 5 bzw. 9 usw.) je zwei Gelenkhälften (20′′, 17′′ bzw. 18′′, 19′′ usw.) auf.

Von den Gelenkhälften jedes Getriebegliedes sind an der einen Seite zwischen den beiden Gelenkhälften, z. B. bei 2 die 11, 12, zum Ankoppeln der Getriebeglieder aneinander zwei weitere Gelenkhälften, z. B. bei 2 die 13′, 14′ und bei 6 die 19′ und die 23′, und auf der anderen Seite eine weitere Gelenkhälfte, bei 2 die 15′ angeordnet. An den beiden weiteren, z. B. 14′ bei 2 und 23′ bei 6 sind jeweils Zugstäbe, z. B. 8, 22 usw. der folgenden Getriebeglieder 10, 20, 30 jeweils mit einer ih rer Gelenkhälften 14′′, 24′′ angelenkt.

An der letzten, noch übrigen Gelenkhälfte, bei 2 die 15′ eines Getriebegliedes ist nun der Winkelhebel 3 jeweils spiegelbild lich pro Element mit seiner mittleren Gelenkhälfte 15′′ ange lenkt, wobei die beiden an dem Winkelhebel sitzenden Zugstäbe 4, 5 wiederum mit ihren zweiten Gelenkhälften 19′′, 20′′ an weiteren Gelenkhälften 19′ und 20′, jeweils einer an dem vor geschalteten 1 und einer an dem nachgeschalteten Getriebeglied 6, 10, 20 usw., angelenkt sind.

Das erste Getriebeglied 2 ist dabei an der Basis 1 auf die selbe Weise wie die späteren an den vorhergehenden angelenkt, wobei die Gelenkköpfe 11′ und 20′ an der Basis 1 funktionell den entsprechenden der Getriebeglieder entsprechen. Ebenso entspricht der erste Zugstab 21 in seiner Funktion den Zugstä ben 5, 9 usw. Durch dies Hintereinanderschaltung mittels der Gelenke und der Hebel entsteht nun die gewünschte Struktur, bei welcher sich eine Zugbewegung an dem ersten Zugstab 21 nur über Drehungen in den einzelnen Gelenken in eine gekrümmte Verformung der gesamten Struktur umwandeln läßt.

Die Getriebeglieder 2, 6, 10, 30, 40 usw., die Winkelhebel 3, 7, 24, 25 usw. und die Zugstäbe 4, 5, 8, 9, 26, 27, 28 usw. sind flach und mindestens teilweise eben, besitzen senkrecht zur Oberfläche ausgearbeitete Seitenflächen und sind mittels ober- und unterhalb von ihnen angebrachten Haltewangen 31, - in den Fig. 2 und 3 gestrichelt dargestellt -, unter Auf rechterhaltung ihrer gegenseitigen Schwenkbarkeit in der Bewe gungsebene senkrecht dazu fixiert. Die Haltewangen 31 weisen je eine, parallel zur Strukturachse 26 verlaufende Bohrung 32 auf, die zusammen hintereinanderliegend bei montierter Struk tur zwei zu dieser Achse 26 parallele Kanäle innerhalb und durch die ganze Struktur durchgehend bilden.

Als Herstellungsverfahren zur Erzeugung eines solchen, im Vorstehenden beschriebenen Koppelgetriebes, d. h. zur Herstel lung der Getriebeglieder, der Winkelhebel und der Zugstäbe wird vorteilhafterweise ein Verfahren der Mikrostrukturie rungstechnik angewendet. Dabei werden die Einzelteile aus ebe nen, flachen Ausgangsmaterialien, z. B. durch das LIGA-Verfah ren oder durch Drahterodieren erzeugt. Ebenso können die seit lichen Haltewangen 31 durch ein solches Verfahren der Mi krostrukturierungstechnik hergestellt werden.

Die Montage der Getriebestruktur erfolgt durch einfaches Ineinanderstecken der einzelnen Getriebeglieder und ist mit den Methoden der Mikrotechnik einfach zu realisieren. Zur seitlichen Sicherung werden danach die Seitenwangen 31 auf die zentralen Getriebeglieder 2, 6 usw. oben und unten aufgesetzt und auf nicht mehr dargestellte Weise gegenseitig fixiert. Die Seitenwangen 31 sind an der Erzeugung der Führungsbewegungen nicht beteiligt und müssen hinsichtlich der Genauigkeit der Fertigung im Vergleich zu den Getriebegliedern, den Winkelhe beln und den Zugstäben nur geringeren Anforderungen genügen.

Sie besitzen, wie bereits erwähnt, in der Ebene der neutralen Faser bzw. der Strukturachse 26 liegende Durchgangsbohrungen 32 zur Energie- und Medienführung an das am Ende der Getrie bestruktur befestigte, nicht mehr dargestellte chirurgische Werkzeug.

Bezugszeichenliste

1 Basis
2 Getriebeglied
3 Winkelhebel
4 Zugstab
5 Zugstab
6 Getriebeglied spiegelbildlich
7 Winkelhebel
8 Zugstab
9 Zugstab
10 Getriebeglied
11 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
12 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
13 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
14 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
15 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
16 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
17 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
18 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
19 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
20 Gelenk, ′-kopf, ′′-kalotte
21 erster Zugstab
22 Zugstab
23 Gelenk
24 Winkelhebel
25 Winkelhebel
26 Strukturachse
27 Zugstab
28 Zugstab
29 Zugstab
30 Getriebeglied
31 Seitenwangen
32 Bohrung
40 Getriebeglied

Claims

1. Modulares ebenes Koppelgetriebe für einen, in einer Ebene schwenkbaren Vielgelenkmechanismus bzw. eine Vielgelenk kette aus mehreren solcher mehrgliedrigen, identischen und zwangläufig hintereinandergeschalteten Getrieben, deren Einzel- oder Grundelemente in einer Ebene zumindest teil weise beweglich gegeneinander oder drehbar, senkrecht zu ihr jedoch fixiert sind, insbesondere für einen einseitig an einer Basis gehaltenen, miniaturisierten vielgliedrigen Gelenkarm für Geräte zum Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie, mit den folgenden Merkmalen:

a) jedes einzelne Getriebe weist mindestens ein Getriebe glied als Grundelement auf, welches an dem nachgeordne ten mittels eines Lagers zur gegenseitigen Beweglichkeit angreift,
b) die Getriebeglieder weisen als Lager jeweils Gelenkhälf ten ebener Gelenke auf, von denen eine die Ankoppel stelle zweier Getriebeglieder aneinander und eine wei tere, auf der anderen Seite des Getriebegliedes gele gene, die Ankoppelstelle an das vorhergehende oder an das nachgeordnete Getriebeglied bildet,
c) an jedem Grundelement sind zusätzlich bewegliche Winkel hebel mit je drei und Zugstäbe mit je zwei Gelenkhälften angelenkt, die die Bewegung des jeweiligen Grundelemen tes auf das nachgeordnete übertragen und an diesem dazu ebenfalls beweglich angelenkt sind,
gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
d) jedes Getriebe besteht aus einem Getriebeglied (z. B. 2, 6, 10, 30, 40 usw.), einem Winkelhebel (z. B. 3) und zwei Zugstäben (z. B. 4, 5) in derselben Ebene, wobei aufeinanderfolgende Getriebeglieder (z. B. 2, 6) in ih rer Form identisch, jedoch paarweise zueinander spiegel bildlich zusammenhängend in einer Ebene angeordnet sind,
e) die Getriebeglieder (2, 6 usw.) weisen zusammen mit denen zum Ankoppeln insgesamt jeweils fünf Gelenkhälften (′oder′′) ebener Gelenke (11 bis 15) auf,
f) an der einen Seite jedes Getriebegliedes (2, 6) sind zwischen den beiden Gelenkhälften (z. B. 11, 12 bei 2) zum Ankoppeln aneinander zwei weitere Gelenkhälften (bei 2 die 13′ und 14′), auf der anderen Seite eine weitere Gelenkhälfte (bei 2 die 15′) angeordnet, von denen
g) an den beiden weiteren (14′ bei 2 und 23′ bei 6) jeweils andere Zugstäbe (z. B. 8, 22 usw.) der folgenden Getrie beglieder (10, 20, 30) jeweils mit einer ihrer Gelenk hälften (14′′, 24′′) angelenkt sind,
h) an der letzten Gelenkhälfte (bei 2 die 15′) eines Ge triebegliedes ist der Winkelhebel (3) mit seiner mittle ren Gelenkhälfte (15′′) angelenkt ist,
i) letztlich sind die beiden Zugstäbe (4, 5) mit ihren zweiten Gelenkhälften (19′′, 20′′) an weiteren Gelenk hälften (19′ und 20′) jeweils einer an dem vorgeschalte ten (1) und einer an dem nachgeschalteten Getriebeglied (6, 10, 20 usw.) angelenkt.

2. Koppelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeglieder (2, 6, 10, 30, 40 usw.), die Win kelhebel (3, 7, 24, 25 usw.) und die Zugstäbe (4, 5, 8, 9, 26, 27, 28 usw.) flach und mindestens teilweise eben sind, sowie senkrecht zur Oberfläche ausgearbeitete Seitenflächen besitzen und mittels ober- und unterhalb von ihnen ange brachten Haltewangen (31) unter Aufrechterhaltung ihrer ge genseitigen Schwenkbarkeit in der Bewegungsebene senkrecht dazu fixiert sind.

3. Koppelgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewangen (31) je eine, parallel zur Struktur achse (26) verlaufende Bohrung (32) aufweisen, die hinter einanderliegend bei montierter Struktur zusammen zwei zu dieser Achse (26) parallele Kanäle innerhalb der Struktur bilden.