WO2014005689A2 - Chirurgische instrumentenanordnung und antriebsstranganordnung für ein, insbesondere robotergeführtes, chirurgisches instrument und chirurgisches instrument - Google Patents

Chirurgische instrumentenanordnung und antriebsstranganordnung für ein, insbesondere robotergeführtes, chirurgisches instrument und chirurgisches instrument Download PDF

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WO2014005689A2
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Wolfgang Schober
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    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/50—Sealings between relatively-movable members, by means of a sealing without relatively-moving surfaces, e.g. fluid-tight sealings for transmitting motion through a wall

Definitions

  • One aspect of the present invention relates to a surgical
  • Instrument assembly a manipulator surgery system with such
  • Manipulator-guided instrument assembly and a method for populating a manipulator of such.
  • EP 1 015 068 A1 discloses a manipulator surgery system with a manipulator-guided surgical instrument whose degrees of freedom are actuated by a drive train arrangement in the manipulator, which, in particular with regard to sterility requirements, links the instrument to the instrument
  • An object of one aspect of the present invention is to provide an improved surgical instrument. This object is achieved by a surgical instrument assembly with the
  • a robotic minimally invasive surgical instrument generally has an instrument shaft.
  • a distal or intracorporeal instrument shaft end can still be moved by the robot in a maximum of four degrees of freedom (three axes of rotation through the trocar point and one translation in the direction of the shaft axis).
  • such a clamp can be closed or an endoscope optics can be reoriented.
  • WO 2009/079301 A1 proposes to arrange a six-axis force-moment sensor between instrument shaft and end effector bearing.
  • a disadvantage of this solution can be clearly illustrated with reference to FIG. 34: there, as described in more detail below, an instrument shaft 20 is shown on which an end effector in the form of a clamp with two blades 2.1, 2.2 is arranged. The blade 2.1 is by two opposing drive trains 21, 22 in their
  • a force-moment sensor as suggested by WO 2009/079301 A1, can not give a teleoperateur feedback about the forces exerted by the clamp, since it is independent of the Actually impressed clamping forces F E i, F E 2 no forces or moments in
  • An object of one aspect of the present invention is to provide an improved surgical instrument and / or to improve its control.
  • the claims 23-25 provide a drive module, an instrument shaft or instrument with such a drive train arrangement under protection, the
  • Claims 26-28 a manipulator assembly with such an instrument, a method or control means for controlling such an instrument.
  • Another aspect of the present invention relates to, in particular
  • robot-guided, surgical instrument having an instrument shaft with at least one degree of freedom and a drive unit for its actuation and an instrument shaft and a drive unit.
  • a robot-guided surgical instrument with four drive units which are arranged pie slice-like manner on a base plate and each having a plurality of drive modules.
  • the drive modules each have a plurality of displaceable or rotatable output members for actuating
  • the drive units are each actively telescoped against the base plate in order to extend or retract their instrument shaft through a common guide cannula.
  • the output members are distal to the Eintriebsgliedern or in one
  • An object of one aspect of the present invention is to provide an improved surgical instrument. This object is achieved by a surgical instrument having the features of claim 29. Claim 33 sets up an instrumentation for
  • a robot-guided and / or minimally invasive surgical instrument and a drive module and instrument shaft of such an instrument and a method for connecting them.
  • WO 2011/143022 A1 discloses a robot-guided minimally invasive instrument with an instrument shaft which is introduced by a robot through a natural or artificial small opening in the patient.
  • an extracorporeal drive module is detachably connected to the instrument shaft.
  • An object of one aspect of the present invention is to provide an advantageous surgical instrument.
  • Claim 56 provides a drive module for such an instrument under protection, claim 57 an instrument shaft, claim 58 a method for their connection.
  • the subclaims relate to advantageous developments. According to one aspect of the present invention, one, in particular
  • a manipulator-guided surgical instrument assembly comprises a modular motor drive unit having an output assembly with one or more
  • the instrument assembly further comprises an instrument shaft, which in one embodiment is intended to be partially inserted into a patient, in particular through an opening for minimally invasive surgery, in particular also endoscopy.
  • the instrument shaft may be wholly or partially rigid or flexible and / or have an end effector, in particular a scalpel, a pair of scissors, forceps, clamp, an optical recording and / or illumination means, in particular an optical fiber end, a CCD chip (so-called "Chip-on-the-tip endoscope), an LED or the like.
  • an actuatable, in particular bendable, endoscope can represent an instrument shaft within the meaning of the present invention.
  • An instrument shaft in the sense of the present invention generally has one or more degrees of freedom, in particular one or more degrees of freedom for positioning, in particular orientation, and / or for actuating an end effector. In one development, it has two, three or more degrees of freedom, in particular rotational degrees of freedom
  • it has a drive arrangement with one or more
  • a driving element is understood in particular to mean a one-part or multi-part element or component which is directly or indirectly actuated by an associated output element of the drive unit or is adjustable in an adjustment direction and intended to actuate a degree of freedom of the instrument.
  • it may in particular be unidirectionally or bidirectionally coupled to the end effector, in one embodiment mechanically, in particular by means of one or more cables, rods, gears, hydraulically, pneumatically or the like, wherein under a unidirectional coupling in particular a
  • Coupling is understood that the degree of freedom can be actuated by an adjustment of the input element only in a direction sense, for example by a cable only in a pulling direction under a bidirectional coupling according to a particular coupling such that the degree of freedom can be actuated in opposite directions by an adjustment of the input element , For example, by a push rod in the tensile and compressive direction.
  • the instrument shaft is detachably connectable to the drive unit, the
  • Interface can be coupled together.
  • instrument shaft releasably connected to the drive unit, the output arrangement and the
  • the instrument arrangement is then also referred to briefly as an instrument.
  • two or more different drive units and / or two or more different instrument shafts may be provided, which are selectively connectable to an instrument shaft or a drive unit and may differ in particular in the number of actuable degrees of freedom.
  • the instrument arrangement or the instrument in particular the drive unit or the instrument shaft, is releasably attached in one embodiment to a manipulator and can this purpose in a training a corresponding
  • one aspect of the present invention relates to a method for populating a manipulator, wherein a
  • the manipulator may have one or more, in particular at least six, preferably seven or more degrees of freedom in order to (redundantly) guide the instrument, in particular its
  • this interface each has a one-sided bond between one or more pairs of mating drive-in and drive-in elements.
  • a one-sided binding or coupling is present in particular, as usual in mechanics, understood that a Ab- and a drive element are coupled together such that a movement of the one of the Ab- and the input element in one direction or a sense of direction forcibly guided causes a movement of the other of the Ab- and the input element, a Movement of the one of the Ab- and the input element in the opposite direction or the opposite direction, however, causes no positively driven movement of the other of the Ab- and the input element.
  • a unilateral bond can be characterized in that between the input and input element, only compressive forces and no tensile forces can be transmitted directly or indirectly, and in the present case, for more compact representation, antiparallel pairs of forces, i. Torques, generically referred to as forces.
  • a one-sided binding can be characterized in accordance with the fact that between torque and input element directly or indirectly, only one torque is transferable in one direction, in the opposite direction, however, at least in
  • a two-sided bond is understood in particular to mean that it is in opposite directions
  • Such unilateral bonding may be beneficial over a sterile barrier.
  • Eintriebselement be arranged on opposite sides of a sterile barrier and contact them, wherein at least one of the Ab- and Eintriebselement is not connected to the sterile barrier or can be detached therefrom. In this way, a sterile barrier between the drive unit and the instrument shaft can be easily and compactly arranged.
  • the mechanical interface by means of the Ab and
  • Output elements each one or more pins and their associated
  • one or more input elements may each have one or more pins and their associated output elements corresponding recesses.
  • the pin or in the respective recess radially, in particular elastically and / or by separate body, expandable or widened, so that the pin in the recess, in particular axially and / or rotationally fixed, can be fixed or fixed ,
  • the pin can by the radial widening positively in the
  • a sterile barrier can in particular be arranged, in particular clamped, between pin and recess, and / or be arranged so simply and compactly between the drive unit and the instrument shaft.
  • This clamping means can manually or in a further development
  • a clamping means drive can be so weg- or force controlled that it expands radially after insertion of the pin into the recess, in particular by an adjustment or actuation of the drive assembly.
  • the pin may be formed in one or more parts with the Ab- or input element, in particular as a separate and / or elastic body, which can be releasably or permanently, in particular cohesively connected, preferably glued to the rest of Ab- or input element.
  • elastic body be made in a development of plastic, in particular polyurethane and / or silicone.
  • plastic in particular polyurethane and / or silicone.
  • the pin may have one or more separate, in particular lamellar, body, which are radially displaceable, in particular pivotable about an axis radially outwardly or translationally displaceable, in the pin or other Ab- or input member are guided and by radial displacement to the outside, in particular by
  • the pin can be a continuous or blind hole-like
  • a pin of the clamping means can pass through a through hole in the pin and on a
  • Clamping means drive opposite side have a flange whose diameter is larger than the through hole.
  • the pin between the flange and the clamping means drive can be axially compressed, so that it expands radially.
  • the pin may have a radially widening in the axial direction, in particular conical, contour, so that an axial displacement of the pin in the pin expands this radially, in particular elastically or by
  • Another aspect is between the recess and the one in it
  • the mechanical interface includes a rocker arm
  • a rocker arm is understood to mean, in particular, a lever which is rotatably mounted at one point, in particular one end, in a customary manner at one axially spaced therefrom, in particular an opposite end, positively forcibly guided by a rotatable or sliding link.
  • a sterile barrier can in particular be arranged, in particular clamped, between the rocker arm and the gate, and / or be arranged so simply and compactly between the drive unit and the instrument shaft.
  • an output element can be designed as a rocker arm and an associated input element as a backdrop.
  • a driving element can be designed as a rocker arm and an associated output element as a backdrop.
  • one or more output elements of the output arrangement can be guided in a translationally adjustable manner or
  • an output element may form an output shaft of a linear motor or may be coupled to such.
  • one or more input elements of the drive arrangement can be guided or actuated in a translationally adjustable manner.
  • a drive element may form or be coupled to a rod which is hinged to an end effector.
  • a driving element can also
  • one or more output elements of the output arrangement can be rotationally adjustably guided or actuated.
  • a rotationally adjustably guided or actuated for example, a
  • Output element form an output shaft of a rotary motor or be coupled with such. Additionally or alternatively, one or more input elements of the drive arrangement can be guided or actuated in a rotationally adjustable manner.
  • a drive element may be a shaft on which a pull cable winds to actuate an instrument degree of freedom.
  • Output elements coupled to a coupling means such that a translational movement of the coupling means is converted into a rotational movement of the element.
  • one or more output elements may be coupled to a coupling means such that a rotational movement of the
  • Coupling agent is converted into a translational movement of the element.
  • one or more input elements can be coupled to a (further) coupling means in such a way that a translatory movement of the element into a rotational movement is converted by the coupling means.
  • one or more input elements may be coupled to a (further) coupling means such that a rotational movement of the element is converted into a translational movement of the coupling means.
  • a coupling means may comprise a rotary thrust bearing, in particular a swivel joint which can be displaced translationally in a slide.
  • a coupling means may comprise a rotatably mounted lever or a rotatably mounted rocker or a lever with a pivot bearing point between two taps, for example, further pivot bearing points,
  • a coupling means have a toothing, in particular two intermeshing or intermeshing teeth, of which in a development a rotatory and the other also rotatory, in particular as a meshing spur toothing, or translationally, in particular as a worm or rack toothing, movably mounted is.
  • the instrument shaft has a flange, wherein the mechanical interface on a
  • the drive unit has a corresponding recess
  • the mechanical interface may be disposed on an end effector facing away from this flange, so that the drive unit also on an end arabgewandten side of the
  • Instrument shaft can be arranged, which is referred to herein as a muzzle-loader arrangement.
  • the mechanical interface may be disposed on a lateral surface of the flange of the instrument shaft, which is referred to herein as a side loader assembly.
  • one or more output elements and / or one or more input elements may be biased against their respective adjustment direction, in particular by a spring means.
  • a spring means In this way, even with a one-sided binding, one element can be tracked to the other by the spring means also counter to the binding direction.
  • two-sided bindings for example a radially expanded pin, an intermediate element arrangement or a rocker arm, a bias of a Ab- or input element against its adjustment advantageously reduce game.
  • two-sided bindings for example a radially expanded pin, an intermediate element arrangement or a rocker arm
  • a one-sided bond is formed, a further Ab- and associated input element can be provided, the one-sided binding to the one Ab- and input element is in opposite directions.
  • the one-sided binding to the one Ab- and input element is in opposite directions.
  • a compensation means for tolerance compensation may in particular have an elastic compliance of a withdrawal or input element, in particular in its adjustment direction.
  • a coupling means coupled to a withdrawal or input element can also provide elastic compliance in the adjustment direction of the
  • a sterile barrier which is arranged between the input and input element, have an elastic compliance.
  • An elastic compliance can in particular by an elastic Material which shows macroscopic deformations in normal operation, and / or by a corresponding shaping or bending soft design, in particular a local material dilution, preferably constriction defined or formed.
  • a compensating means may also be one, in particular
  • Output elements and / or an end face of a Eintriebselements be flat, in particular to advantageously represent a larger contact surface.
  • End face of a drive element be crowned, in particular, to
  • an end face of a withdrawal or input element may have at least one projection and an end face of a input or output element which can be coupled or coupled thereto, a corresponding recess into which this projection engages.
  • Instrument assembly or the instrument on a sterile barrier which is intended to wrap the drive unit, in particular airtight, and to be arranged between the drive unit and the instrument shaft, or which surrounds the drive unit sterile and between the drive unit and the
  • the sterile barrier can be designed like a film and / or as a disposable or disposable article.
  • the sterile barrier in the region of the mechanical interface on a loose in an adjustment of the Ab- and drive assembly may be formed in one embodiment by a cuff, which in an axial
  • the lots may be biased. This is understood in the present case in particular that the lots deforms elastically during an adjustment or actuation of the Ab- or input element against the bias and resets in opposite directions.
  • a multiple material which is provided for compensating for an adjusting movement of a withdrawal or input element is generally referred to as lots, which can be equally prestressed or tension-free or loose.
  • the lots has a bellows whose folding induces a bias in a basic configuration. The folding or the
  • Bellows may extend in an embodiment in the adjustment direction and / or transversely or transversely to this, whereby corresponding basic configurations and
  • Deformations can be represented.
  • the sterile barrier in the region of the mechanical interface has at least one non-contact, translationally displaceable seal.
  • This can in particular be designed as a gap or labyrinth seal and preferably be telescopic, i. two or more axially mutually displaceable and sealed parts, in particular rings, preferably concentric rings having.
  • the sterile barrier can be a compensation means for
  • Tolerance compensation in particular have an elastic compliance.
  • it can in particular have a local wall thickening in a contact region of a withdrawal and / or input element, in particular a one-sided bond, in order to provide more elastic travel.
  • the elastic compliance in particular a local Wall thickening, have a higher rigidity than a surrounding area of the sterile barrier in order to improve the transmission behavior.
  • the sterile barrier may have a local material change in the contact region of an input and / or output element,
  • the sterile barrier has at least one element extension in the region of the mechanical interface.
  • the latter can be detachably connected or connected to an output element base, which destructively penetrates the sterile barrier and forms an output element together with the element extension.
  • an element extension can be detachably connected or connected to a drive element base, which destructively penetrates the sterile barrier and forms a drive-in element together with the element extension.
  • a sterile, in particular sterilized input element base of the drive assembly of the sterile instrument shaft destructive penetrate the sterile barrier and be connected on the instrument shaft side facing away from the element extension, which then within the sterile barrier or sterile sheath with the
  • a sterile element extension can be placed on the instrument bar side in sterile contact with the sterile barrier before an output element base destructively passes through it and on the instrument shaft side with the element extension
  • Fastener for releasably connecting to the drive unit, which is intended, preferably exclusively from the outside on one of
  • the fastening element can be detachable, in particular positive or frictional, or inseparably connected to the instrument shaft, for example clipped or integrally formed with this.
  • the sterile barrier is closed at least in the area of contact with the fastening element, preferably in the region of the complete mechanical interface; in particular, it can be clamped without destruction or locking between latching projections and / or recesses of the drive unit and fastening element. In this way, no seal must be made when attaching the instrument shaft to the wrapped drive unit.
  • the fastening element is correspondingly designed without seals or without seals.
  • the fastening element can in particular be designed separately as a sterile disposable article or sterilizable adapter and can be fastened or fastened to the drive unit in a friction-locked and / or form-fitting manner, in particular by means of a clip connection.
  • attachment and coupling functionality can be separated and split on fastener and interface.
  • a surgical instrument has an instrument shaft on which an end effector is arranged, and a
  • the surgical instrument is a minimally invasive surgical instrument whose instrument shaft is intended for partial insertion into a patient, in particular by a trocar and / or local access whose circumference in one embodiment is at most twice the outer circumference of the instrument shaft part to be inserted equivalent.
  • the instrument may be a manipulator-guided instrument.
  • a mechanical and / or signal interface for coupling to a
  • a manipulator assembly with one or more manipulators, in particular six- or multi-axis robots, placed under protection, the one
  • the end effector has one, two or more translational degrees of freedom and / or one, two or more rotational degrees of freedom relative to the instrument shaft.
  • the one-piece end effector has a translatory or rotational degree of freedom and is for example as
  • the two-part end effector on two rotational degrees of freedom is designed for example as a pair of scissors, clamp or the like.
  • the end effector can in particular have an optical system for emitting and / or receiving electromagnetic radiation, in particular a laser exit or endoscope lens, and / or an opening for sucking in and / or discharging gas and / or liquid, which is surrounded by one or more degrees of freedom twisted and / or retracted or extended.
  • the drive has one or more motors, in particular electric motors, for actuating the degree of freedom or the end effector. Additionally or alternatively, the drive may also comprise electromagnetic, hydraulic and / or pneumatic actuators.
  • a drive train arrangement is provided according to one aspect of the present invention. This can be arranged in one embodiment as the instrument shaft side drive train arrangement on, in particular, an instrument shaft of a, in particular minimally invasive and / or manipulator-guided, surgical instrument. Additionally or alternatively, a drive train arrangement according to the invention as
  • a drive module of a, in particular minimally invasive and / or manipulator-guided, surgical instrument can be arranged. Accordingly, according to one aspect of the present invention, an instrument shaft and a drive module are provided with a drive train arrangement according to the invention under protection.
  • a powertrain assembly according to one aspect of the present invention includes one or more drive trains for actuating one or more degrees of freedom of an end effector of a surgical instrument relative to an instrument shaft by a drive.
  • a powertrain may in one embodiment, at least substantially, only
  • a drive train can transmit compressive forces, in particular, at least essentially, only compressive forces or tensile and compressive forces, in particular as a pressure rod or rod or plunger.
  • a drive train may also or only, at least substantially, transmit torques and / or have a transmission and / or transmission.
  • a drive train is designed as a solid shaft or hollow shaft or as a solid rod or hollow rod.
  • a drive train in the sense of the present invention in particular mechanically, transmits forces and / or movements between the drive and the end effector,
  • a measuring arrangement for detecting a load in one or more, in particular all drive trains is arranged on the drive train arrangement.
  • a generalized or minimal force is understood, in particular in the customary manner, to mean a load which, at one,
  • the generalized force is in one
  • a load in the sense of the present invention can in particular be a force, an antiparallel force pair or a torque, a tension, in particular a tensile, compressive and / or bending stress, and / or one, in particular elastic,
  • Clamping force F E i causes a torque about the pivot axis of the blade 2.1 with the rotational degree of freedom qi. This in turn causes corresponding loads Fsi, F S 2 in the instrument shaft side drive trains 21, 22 and these in turn loads F 1 t F 2 in drive module side drive trains 1 1, 12. It can be seen that by a measuring arrangement on the drive trains 21, 22 and / or at the drive trains 1 1, 12 directly the active or generalized loads are detected, which in the
  • Degrees of freedom of the end effector act and so in particular a teleoperateur can convey an advantageous feedback from a surgical area.
  • the surgical instrument may additionally have one
  • Measuring arrangement for detecting a load in the instrument shaft, in particular between instrument shaft and end effector (bearing) and / or between
  • a further advantage may be that the measuring arrangement for detecting at least one load in the drive train arrangement on the
  • Instrument shaft or on, in particular, a drive module is arranged and so an advantageous, in particular protected and / or remote from the surgical field or end effector, in particular extracorporeal and / or drive close
  • Measuring point can be provided.
  • the drive train arrangement comprises two or more, in particular opposing, drive trains for actuation
  • Fig. 34 illustrates: there, the blade is 2.1 in their degree of freedom q- ⁇ by the
  • Push rods, actuated, in turn, translational by the opposing Drive trains 1 1, 12 are actuated, for example ram, the one of
  • Electric motor 13 are actuated in opposite directions.
  • the measuring arrangement has at least one measuring means, which on one of the drive trains for detecting a load in this
  • the measuring arrangement has a first measuring means, which is arranged on a first drive train for detecting a load in this drive train, and a second measuring means, which is arranged on a second, in particular opposing, drive train for detecting a load in this drive train, the same degree of freedom of the first measuring means, which is arranged on a first drive train for detecting a load in this drive train, and a second measuring means, which is arranged on a second, in particular opposing, drive train for detecting a load in this drive train, the same degree of freedom of the
  • End monoors can be actuated by the first and second drive train.
  • the powertrain assembly includes a first driveline for actuating a first degree of freedom of the end effector and another first driveline for actuating a further degree of freedom of the end effector.
  • the drive train arrangement a second
  • the measuring arrangement has a first measuring means, which on the first drive train for actuating the first degree of freedom of the
  • End monomers for detecting a load in this drive train is arranged.
  • the measuring arrangement has a second measuring means, which on the second, in particular opposite, drive train for actuating the first degree of freedom of the end effector for detecting a load in this
  • the measuring arrangement has a further first measuring means, which is arranged on the further first drive train for actuating the further degree of freedom of the end effector for detecting a load in this drive train. Additionally or alternatively, the
  • a further second measuring means which on the further second, in particular opposing, drive train for actuating the other Degree of freedom of the end effector for detecting a load in this drive train is arranged.
  • two or more measuring means which are arranged on two, in particular opposing, drive trains for actuating the same degree of freedom of the end effector, signal-technically linked together.
  • they can be interconnected with each other in terms of line technology or, in particular in a control means, can be linked to one another in a computational manner or, in particular, be additive or subtractive.
  • a bias voltage in two drive trains to actuate the same degree of freedom, at least substantially, signal-technically compensated and thus preferably directly the resulting active or generalized load can be determined.
  • a first and a second measuring means the same of two, in particular opposite directions, drive trains for actuating the same
  • a compensatory linkage is understood in particular to mean a combination of the signals of the first and second measuring means in such a way that a predetermined load, in particular a load in a predetermined direction, is at least substantially compensated or the common, linked signal of the first and second measuring means, at least is substantially independent of a load detected by both the first and second measuring means.
  • the first and second measuring means which are arranged on a first or second drive train for actuating the same degree of freedom, may be linked together in two branches of a Wheatstone bridge circuit, in particular in two branches of a Wheatstone
  • the measuring arrangement may comprise a third measuring means, which is arranged opposite the first measuring means on the first drive train for detecting a load in this drive train, and a fourth measuring means which, in particular opposite the second measuring means, on the second drive train to capture a load is arranged in this drive train, wherein the first measuring means in a first branch, the second measuring means in a second branch, in particular in series with the first measuring means between a bridge input and
  • the third measuring means in a third branch in particular parallel to the second measuring means between the supply or excitation voltage
  • the fourth measuring means in a fourth branch in particular parallel to the first
  • Measuring means between the supply voltage, an electrical circuit,
  • a measuring means of the measuring arrangement can in one embodiment one or more
  • Strain gauge for, in particular electrical, magnetic, optical and / or acoustic, detecting a mechanical load.
  • These may be, in particular, strain gauges, preferably foil-like, whose resistance preferably changes with their elastic elongation, semiconductor strain gauges, optical, preferably fibrous, strain gauges, in particular Bragg or Fabry-Perot technology-based strain gauges such as FBG strain gauges ("optic fiber Bragg grating "), acoustic strain gauges in particular
  • one or more measuring means of the measuring arrangement are, at least substantially, for detecting an axial tensile and / or compressive load in one
  • Powertrain arranged on this drive train For example, a
  • Strain gauge at least substantially, be arranged or aligned in the longitudinal direction on a pull rope or push rod.
  • one or more measuring means of the measuring arrangement are arranged, at least substantially, in a recess of a drive train.
  • the measuring arrangement can be protected. Additionally or Alternatively, such a protrusion of the measuring arrangement over an outer contour of the drive train (s) can be reduced, in particular prevented, by the
  • Handling especially the operation and / or assembly can facilitate.
  • the drive train in the region of one or more measuring means may have a wall thickness reduction, in particular by the recess explained above.
  • the sensitivity of the measuring arrangement can be increased.
  • the drive train may have a cavity, in particular a cavity enlargement, in the region of one or more measuring means for reducing the wall thickness.
  • the drive train can have a, preferably thin-walled, sleeve, on the outside and / or inside of which one or more measuring means of the measuring arrangement are arranged.
  • the sleeve can be cohesively connected to other parts, in particular rods or shafts with full cross-section, connected to the drive train, in particular welded or - sticks, be.
  • a drive train arrangement is arranged on, in particular, a drive module of a surgical instrument with which an instrument shaft which has an end effector, in particular detachably, can be connected.
  • the drive module-side drive train arrangement may have a mechanical interface for coupling an instrument shaft-side drive train arrangement for actuating the end effector.
  • drive module side drive train can in particular a shaft of a
  • extracorporeal preferably behind a sterile barrier or in a sterile housing of the drive module, are detected.
  • Drive train arrangement on, in particular, be arranged in an instrument shaft of a surgical instrument with an end effector, with the one
  • the instrument shaft side drive train arrangement can in particular a
  • Instrument shaft side drive train arrangement of which at least one is arranged a measuring arrangement for detecting loads in this drive train arrangement are in an embodiment of the present invention via a
  • they can be translatorily coupled or coupled.
  • this is understood to mean, in particular, that a drive-shaft-side drive train and an instrument shaft-side drive train coupled thereto are connected to the drive train
  • Interface are translationally movable or moved to a
  • Drivetrain can be implemented in a rotational movement or can be.
  • a drive module side and a coupled instrument shaft side drive train can be rotatably coupled to the interface or be, said rotational movement in the interface in the further drive module side and / or instrument shaft side drive train are converted into a translational movement or can be.
  • a drive module-side drive train arrangement and an instrument shaft-side drive train arrangement of which at least one measuring arrangement for detecting loads in this drive train arrangement is coupled to one side via an interface coupled or releasably coupled.
  • this is to be understood in particular as meaning that a drive-shaft-side drive train coupled to or couplable to the instrument shaft side has a so-called unilateral bond or can only transmit forces or moments in one direction, in particular only compressive forces.
  • a drive module-side and a drive shaft arrangement coupled thereto or coupled thereto or coupled thereto are coupled via a, preferably foil-like and / or flexible sterile barrier.
  • the sterile barrier can in one embodiment translational movements of the
  • Drive train arrangements at the interface below preferably elastic, participate in deformation and / or movable, in particular displaceable and / or rotatable, mounted coupling elements.
  • an active or generalized load can be detected directly by the measuring arrangement according to the invention, thus improving feedback to a teleoperator. Accordingly, according to one aspect of the present invention, a manual teleoperating means of a surgical instrument based on one or more of the
  • a manual teleoperation means may in particular comprise one or more levers, handles, gloves, joysticks or a so-called
  • Teleoperateur to convey a haptic feedback on the operation process.
  • forces acting on the end effector can be impressed on the teleoperation means on the basis of loads detected by the measuring arrangement in order to provide the teleoperator with force feedback.
  • loads detected by the measuring arrangement can also be used for controlling, in particular controlling, the drive. For example, a desired force to be applied by a motor can be combined with an actual force in one
  • a control means for controlling a surgical instrument is adapted to further process one or more loads sensed by the measurement arrangement, in particular the drive and / or a manual teleoperation means based on the measurement arrangement control the recorded loads.
  • a means in the sense of the present invention may be designed as a hardware and / or software, in particular a data or signal-connected, preferably with a memory and / or bus system,
  • CPU microprocessor unit
  • the CPU may be configured to execute instructions implemented as a program stored in a memory system, to capture input signals from a data bus, and / or to output signals to a data bus.
  • Storage system may comprise one or more, in particular different, storage media, in particular optical, magnetic, solid state and / or other non-volatile media.
  • the program may be such that it is capable of embodying or executing the methods described herein so that the CPU may perform the steps of such methods and thereby control, in particular, the drive and / or the teleoperation means.
  • a surgical instrument has an instrument shaft and a releasably connectable, in particular
  • the instrument is in one embodiment
  • Instrument shaft and / or the drive unit one, in particular mechanical, signal and / or energy technology, in particular electrical, hydraulic and / or pneumatic, interface for attachment to a robot.
  • mechanical, signal and / or energy technology in particular electrical, hydraulic and / or pneumatic, interface for attachment to a robot.
  • the instrument is a minimally invasive surgical instrument whose instrument shaft is intended to be partially inserted into a patient through a local natural or artificial orifice, particularly a body orifice or trocar.
  • An instrument shaft according to an embodiment of the present invention has one or more degrees of freedom.
  • the instrument shaft has a, in particular at least substantially cylindrical, tube.
  • Joint freedom degree of a joint between two pieces of pipe or an elastic degree of freedom of a flexible tube In one embodiment, the
  • Instrument shaft an end effector, in particular a forceps, clamp or clamp, a scalpel, a drill, a needle or cannula for recording and / or introducing gaseous and / or liquid fluid and / or optics for emitting and / or receiving electromagnetic radiation, in particular an optical fiber end of an endoscope or laser.
  • an end effector in particular a forceps, clamp or clamp, a scalpel, a drill, a needle or cannula for recording and / or introducing gaseous and / or liquid fluid and / or optics for emitting and / or receiving electromagnetic radiation, in particular an optical fiber end of an endoscope or laser.
  • Instrument shaft can then be in particular a degree of freedom of the end effector, in particular a translational or rotary degree of freedom relative to the tube or a functional degree of freedom, in particular for opening or
  • a functional degree of freedom in the sense of the present invention may in particular be a possibility of movement of two end effector parts relative to one another
  • the tube may have a rotational degree of freedom relative to a proximal instrument housing of the instrument shaft.
  • the instrument shaft has one or more, in particular opposing, Eintriebsglieder.
  • a driving member is mounted in a translational or displaceable and / or rotational or rotatable manner in an interface of the instrument shaft in order to actuate a degree of freedom of the instrument shaft by means of a translatory or rotary movement. It can do this with a tube (part) or end effector of the
  • Instrument shaft coupled, in particular by a push rod, a pull rope or Jardintrum and / or a transmission, in particular for converting a translational and rotational movement into each other.
  • the instrument shaft in particular an interface of the instrument shaft for coupling with the drive unit, a Eintriebsgliedan extract with multiple input members on.
  • at least one degree of freedom of the instrument shaft can be actuated in opposite directions by two, in particular counter-rotating, input members, for example a pivotable end effector can be swiveled up and down by two opposing push rods.
  • a drive unit comprises a housing and one or more drive modules. At least one, preferably all drive modules each have a drive and an output member arrangement with one or more movable output members.
  • the drive can
  • the drive actuates exactly one output element.
  • the drive actuates, in particular in opposite directions, two output members.
  • One or more output members are in one embodiment translational or
  • Eintriebsgliedan extract can be coupled in one embodiment directly or via a coupling on one side or be. This is understood in the usual way that forces can be transmitted only in one Aktu réelleslegi from the output to the input member, while output and input member can move away from each other in the opposite direction.
  • a coupling on one side or be This is understood in the usual way that forces can be transmitted only in one Aktu réelleslegi from the output to the input member, while output and input member can move away from each other in the opposite direction.
  • an output member arrangement has a rotatable output member, in particular an output shaft of an electric motor or transmission, which can be coupled or coupled in a rotationally fixed manner to a corresponding rotatable driving member.
  • one or more drive modules in the, in particular closed, housing of the drive unit are each movably mounted and prestressed in a coupling direction or against the input member arrangement.
  • the coupling directions of two, preferably all, drive modules can, at least substantially, be parallel.
  • Coupling directions of two drive modules include an angle whose amount is preferably less than 90 °, in particular less than 45 °.
  • a drive module has a hydraulic, a pneumatic and / or an elastic spring means, in particular at least one hydraulic or pneumatic cylinder and / or a pressure and / or tension spring, for biasing, which captivates the drive module in the housing and in the coupling direction or is biased against the Eintriebsgliedan ever.
  • a hydraulic or pneumatic spring means may be designed switchable in a development, in particular in a non-pressurized state in which it, at least substantially, exerts no force.
  • the adjustment of the drive module in the housing after removal of the overpressure of a hydraulic or pneumatic spring means requires no appreciable operating force.
  • Magnet assembly may include one or more permanent or electromagnets disposed on the one of the housing and the drive module.
  • the other of the housing and the drive module may comprise one or more further electromagnets and / or hard or soft magnetic regions, in particular at least one further permanent magnet, which preferably faces this or these permanent magnet or electromagnet and of this magnetically permanent or energized is attracted or repelled.
  • at least one permanent or electromagnet is attached to the
  • Housing arranged on a side facing away from instrument shaft and,
  • At least one further electromagnet or hard or soft magnetic region preferably opposite this, at least one further electromagnet or hard or soft magnetic region, in particular at least one further
  • Permanent magnet arranged on the drive module. Additionally or alternatively, at least one permanent or electromagnet can be arranged on the housing on an instrument shaft side and, preferably opposite thereto, at least one further electromagnet or hard or soft magnetic region, in particular at least one further permanent magnet, be arranged on the drive module. Additionally or alternatively, at least one permanent or electromagnet on the drive module on a
  • soft magnetic region in particular at least one further permanent magnet, to be arranged on the housing.
  • soft magnetic region in particular at least one further permanent magnet, to be arranged on the housing.
  • Eintriebsgliedan otherwise be biased. While at a bias by a spring means, for example as a result of the relaxation of a mechanical spring or an increase in volume of a hydraulic or pneumatic volume, the biasing force decreases with increasing adjustment of the drive module in the housing, one (electro) magentician
  • the magnet arrangement has one or more optionally, in particular controlled, energizable electromagnets.
  • the bias voltage can optionally be impressed, in particular controlled.
  • a more compact representation is also governed by rules, i. the specification of a control variable based on a detected actual size, generically referred to as taxes.
  • the magnet arrangement has one or more, preferably non-magnetic, spacer elements which have a direct contact between an electric or permanent magnets on one of the housing of the drive unit and the drive module with a soft or hard magnetic area, in particular a (further) permanent magnet on the other of the case of the Drive unit and the drive module to prevent such a magnetic
  • Bias of the drive module can be established.
  • a, in particular mechanical and / or magnetic, retraction arrangement for retracting the drive module against the bias can be provided. So can in one embodiment a
  • Magnetic arrangement can be selectively activated to pull the drive module with (further) biasing a spring means of the drive arrangement away. If the energization of the magnet arrangement, preferably controlled, for example linear, reduced, the spring means builds up the bias.
  • a continuing education is based on the idea of the working area of the drive of the
  • Instrument shaft actuated and a different retraction area, in which the actuator actuates the retraction arrangement. Both areas can
  • the drive module can be preferably retracted by appropriate control of the drive, the motor against the bias, which, as explained above, the coupling of instrument shaft and drive unit advantageously simplified.
  • the drive unit has a drive module locking arrangement for locking the retracted drive module.
  • This can in particular be mechanical, preferably positive and / or frictional, and / or (electro) magnetic and / or pneumatic.
  • a bolt can be adjusted and secure the output module against a bias-induced adjustment in the coupling direction. In this way, the (more biased) drive module or its
  • Output arrangement in an embodiment also, when drive unit and
  • the angle, at least substantially, 90 ° or the coupling direction is, at least substantially, perpendicular or orthogonal to the longitudinal axis of the
  • Bias of the drive module at least partially, decoupled and they are improved.
  • the coupling direction may coincide, at least substantially, with an actuation direction of the take-off and / or drive-in link arrangement.
  • a coupling direction is understood to mean, in particular, a direction of movement in which a take-off or drive-in member is movably mounted and prestressed or is to be coupled with a corresponding input or output member.
  • Actuating direction is understood in particular a direction of movement, in the a driving or driving member is movable to actuate a degree of freedom of the instrument shaft.
  • an output element coupled to it and a drive element coupled thereto are designed as pressure rods or tappets coupled on one side
  • the longitudinal axis direction of the tappet pair, in which the end is biased against the input tappet represents the coupling direction.
  • This also represents the actuation direction in which the plunger pair is moved by the drive to actuate a degree of freedom of the instrument shaft.
  • an output element and a coupled input element are designed as shafts which are coupled in a rotationally non-rotatably coupled manner, the longitudinal axis direction of the shaft pair about which the pair of plungers is rotated by the drive represents one degree of freedom of the shaft
  • Actuating direction This also represents the coupling direction, in which the counter is biased against the input shaft.
  • an instrument shaft has a receptacle for, in particular positive, releasable attachment of a
  • the drive unit can be fastened or fastened releasably in the receptacle by a bayonet catch.
  • one of the drive unit and the receptacle have one or more projections which engage in corresponding recesses of the other of the drive unit and the receptacle due to a rotation of the drive unit in the receptacle.
  • one of the drive unit and the receptacle may have one or more projections, which engage as a result of displacement of the drive unit within the receptacle, preferably by applying a biasing force into corresponding recesses of the other of the drive unit and the receptacle and / or moved into this , In a bayonet catch.
  • Execution extends a recess transversely, in particular perpendicular, to an insertion direction of the drive unit in the receptacle, so that a projection after insertion of the drive unit in the receptacle can be moved transversely to the insertion direction in the recess and in this displaced position, the drive unit form-fitting against withdrawal from the recording secures.
  • this displacement is carried out by impressing the biasing force, so that the displacement is reversible after elimination of the biasing force to the
  • the receptacle can have a one-part or multi-part, in particular form-fitting, guide for introducing the drive unit in an insertion direction.
  • the guide may have one or more guide grooves and / or ribs, which are designed to correspond with corresponding ones
  • the receptacle in one embodiment may have an insertion opening for insertion of the drive unit in an insertion direction.
  • Insertion opening can be closed in a development, in particular by a pivotable and / or -schiebbare flap to secure the drive unit against the insertion direction, in particular set.
  • instrument shaft can be a drive unit locking arrangement for, in particular positive and / or frictional,
  • the receptacle relative to a longitudinal axis of the
  • the drive unit first, at least partially, in the receiving position to move, in particular pivoted receiving insert, and then move the receptacle into a locking position, in particular to pivot, the drive unit preferably in the locking position of the receptacle form-fitting is fixed. In this way, in particular the access to the recording can be improved and at the same time a fixing functionality of the drive unit can be integrated in the receptacle.
  • the insertion direction may be in one embodiment, at least substantially, perpendicular to the longitudinal axis of the instrument shaft.
  • the insertion opening can then be arranged in particular on the side facing away from the instrument shaft, in particular in order to facilitate a drive unit change in the case of instrument shafts partially inserted into a patient.
  • the Insertion be arranged in an embodiment on the instrument shaft side facing, in particular, to an interference between a plurality
  • the insertion direction at least substantially, be parallel to the longitudinal axis of the instrument shaft.
  • the insertion opening can then in turn be arranged, in particular, on the side facing away from the instrument shaft, in particular in order to partially replace a drive unit change into one
  • one or more movable input members of an input member assembly are for actuating a degree of freedom of an instrument shaft, at least substantially, perpendicular to one
  • the input members not projecting parallel to the longitudinal axis of the instrument shaft, as in the aforementioned WO 201 1/143022 A1 the case, but according to this aspect at least substantially, vertically, in one embodiment advantageously do not interfere with or even less with deformations of the instrument shaft the coupling of the drive and input arrangement. In this way, preferably in particular a longitudinal vibration in the instrument shaft, at least partially decoupled.
  • Instrument shaft to improve, in one embodiment of the present invention, a input member assembly of the instrument shaft and / or an output member assembly of the drive unit in a recess, in particular in the coupling direction, can be arranged.
  • the drive unit can be a, in particular convergent and / or movable, displacement means for displacing the input member arrangement of the instrument shaft in a
  • the movable displacement means may in particular one or more rotatable Have roles that protrudes above average during insertion
  • the input members are preferably, at least in
  • a surface converging in the insertion direction in particular bevelled or convex, may adjoin a direction diverging in the insertion direction, in particular in the opposite direction or convex, in order to protrude from the receptacle even when the drive unit is being executed
  • a surgical instrument includes a drive module having one or more rotatable output members.
  • Output member is in one embodiment, an output shaft of an actuator of the
  • the surgical instrument in particular an electric motor or a gear coupled thereto.
  • one output member is infinitely rotatable, in another embodiment by at most 360 °, preferably at most 215 °.
  • the surgical instrument further has an instrument shaft, which is releasably connectable to the drive module, in particular connected.
  • the instrument shaft has one or more, in particular intracorporeal, degrees of freedom.
  • the instrument shaft has a rigid, articulated or flexible tube, at the distal end of which an end effector, in particular a scalpel, a forceps, scissors, clamp, needle, pipette or the like can be arranged.
  • the end effector may be an opening for the entry and / or exit of electromagnetic radiation, in particular an optic of a camera or a laser, and / or gaseous and / or liquid fluid, in particular a Saugtial. Rinse nozzle, exhibit.
  • the end effector may have one or more functional degrees of freedom, such as the opening and closing of a forceps or aperture.
  • the end effector may have one or more kinematic degrees of freedom, such as rotating and / or displacing a forceps or aperture.
  • An intracorporeal degree of freedom of the instrument shaft can in particular be a functional or kinematic degree of freedom of an end effector or a joint or elastic degree of freedom of the articulated or flexible one
  • the tube has one or more rotational degrees of freedom about its longitudinal axis. These can be by intra- and / or extracorporeal
  • the instrument shaft has one or more slidably guided input members, which are coupled to an output member of the drive module or when the drive module and instrument shaft are interconnected.
  • An input member actuates in one embodiment one or more degrees of freedom of the instrument shaft.
  • several input members can actuate the same degree of freedom.
  • Pressure medium preferably, at least substantially, parallel to a
  • Displacement axis of the input member is.
  • a driving member is positively and / or between two end stops, slidably guided.
  • a rotational movement of at least one output member in an interface between the drive module and the instrument shaft is thus converted into a translational, in particular linear, movement of a drive member coupled to the output member.
  • take-off and input member according to one aspect in the interface
  • the interface in particular a straight or linear, groove and a guide member which is guided displaceably in the groove when Ab- and Eintriebsglied are coupled together.
  • the groove is arranged on, in particular, the input member.
  • the groove may be transverse, in particular at least substantially perpendicular to a displacement axis of the displaceably guided input drive member or may include an angle therewith, the amount of which is preferably between 45 ° and 90 °.
  • the guide element is, preferably eccentrically, arranged on the rotatable output member. The axis of rotation of the rotatable output member is in a development transverse, in particular at least substantially perpendicular to a displacement axis of the slidably guided input member and / or the groove.
  • the axis of rotation with the displacement axis and / or with the groove each include an angle whose amount is preferably between 45 ° and 90 °.
  • the groove may be disposed on the output member, the guide member corresponding to the input member.
  • the input member is slidably guided on the instrument shaft in one embodiment. Additionally or alternatively, it may be displaceably guided on the drive module connected to the instrument shaft. In particular, the input member with a larger game, in particular loose, slidably guided on the instrument shaft and with a smaller clearance, in particular at least substantially free of play, be guided on the drive module displaceable when it is connected to the instrument shaft. As a result, the more complex, more precise guidance can be shifted to the drive module and so the
  • Instrument shaft easier and / or cheaper, in particular easier to sterilize and / or be designed as a disposable or be.
  • Instrument shaft and drive module are connected, this assumes the - more precise - leadership of the input member.
  • the input member is captive, in particular form-fitting, secured to the instrument shaft.
  • the guide element has one or more rotatably mounted rolling elements for contacting the groove. This can be done in one
  • the guide element has a pin, on which at least one rolling body is slidably mounted in the form of a race, which can also represent a rolling element in the sense of the present invention.
  • one or more concentric rings the interior of which (st) is arranged on the pin and whose exterior (s) makes contact with the groove, and of which at least one is mounted radially on the inside and / or outside, are made more compact and more compact generically referred to as rolling elements, even if they perform no rolling or rolling movement.
  • a plurality of circumferentially distributed rolling elements in particular a ball, needle or cylindrical roller bearing, are arranged between the pin and the race.
  • one or more rolling elements in particular an outer ring ball, needle or cylindrical roller bearing are arranged on the pin, which contact the groove when Ab- and input element are coupled.
  • a clearance between the groove and the guide element in the displacement axis can be advantageous.
  • a precise backlash-free coupling in this axis is advantageous for precise actuation of the instrument shaft by the drive module. Therefore, in one
  • Embodiment of the present invention a tolerance element provided, which braces the output member and the input member in the displacement axis of the input member when the input and input member are coupled together.
  • the tolerance element has a Toleranzelementnut, which is preferably, at least substantially parallel to the groove of the interface and is penetrated by the guide element when the input and input element are coupled.
  • the tolerance element on the input member and / or the guide element is guided displaceably and biased against this elastic.
  • the input member or guide element may be formed integrally with the input member or guide element, in particular by a cavity in which an integral leg can spring, which is mounted on one or both sides.
  • the tolerance element is slidably guided and biased in a parallel embodiment to a displacement axis of the displaceably guided input member.
  • the tolerance element can be axially guided and prestressed on the guide element.
  • the groove and the groove can be axially guided and prestressed on the guide element.
  • Guide element in particular a rolling element of the guide element, and / or the tolerance element, in particular opposing, complementary bevels on.
  • tolerance element also bias the tolerance element (also) in displacement axes and thus improve the leadership of the guide element in the groove.
  • One or more of the bevels may be convex, in particular arcuate in a development, preferably in the manner of an axial spherical roller bearing with asymmetric barrel rollers.
  • Guide element mounted axially displaceable in a design. As a result, it can be inserted axially into or out of the groove.
  • the axially displaceably mounted guide element is axially biased. In this way, it can automatically enter into the groove in one embodiment and / or be secured in this elastic.
  • a link for axial displacement of the guide element is provided. In this way, by rotating the output member, the guide element can first be displaced over the gate and thus brought into and / or out of engagement with the groove.
  • the scenery can be one or more
  • the gate has two mutually spaced in the direction of rotation opposing bevels on which the projection runs in rotationally spaced apart rotational positions and the guide element in this way in the different rotational positions in the opposite direction axially displaces.
  • the range of rotation for the axial displacement of the guide element adjoins a rotational region of the output member for actuating the input element coupled therewith. In this way, by (further) rotating the output member the input member connected or disconnected and then or previously the input member be actuated.
  • the guide element can be axially displaceably mounted and biased on the Ab- or input member. Similarly, the guide element can be mounted axially displaceable together with the Ab- or input member and
  • the output member on the drive module and / or the input member on the instrument shaft preferably parallel to the axis of rotation of the output member, be slidably mounted and biased.
  • a guide wall of the groove has an opening for insertion of the drive module and the instrument shaft to be coupled or decoupled from each other before or during release of the drive module and instrument shaft
  • the opening may in particular be formed by a shortened leg of an open or U-shaped or otherwise closed or O-shaped leg pair, which in turn may define the groove.
  • Rotary position of the output member corresponds.
  • the groove is formed asymmetrically to the axis of rotation of the output member and / or a displacement axis of the input member. In a further development, it extends, at least substantially, only up to this axis of rotation.
  • the input member is connected to exactly one tension and / or pressure means which, at least substantially, is parallel to a displacement axis of the input member. This allows a movement of the input member advantageously precise and easy in an actuation of a degree of freedom of the
  • a surgical instrument according to the present invention can be used in particular as a minimally invasive and / or robot-guided instrument.
  • the instrument in particular the instrument shaft and / or the drive module, an interface for connection to a robot.
  • a robot is accordingly provided with an instrument, preferably releasably connected via an interface, under protection, as disclosed herein.
  • a drive module or instrument shaft for such a surgical instrument is provided under protection having one or more grooves or guide elements of the disclosed herein interface of the surgical instrument to
  • Fig. 1 a mechanical interface of an instrument assembly according to an embodiment of the present invention
  • Figures 2-6 mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention
  • FIG. 16 mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention.
  • FIG. 20 shows an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention
  • FIG. 21 shows an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention.
  • Fig. 22 a pin and a clamping means of
  • Fig. 24 mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention
  • Fig. 25 Steps of the path controlled Ankoppelvorgangs the
  • FIG. 26 various arrangements or joining directions of a
  • Instrument shaft to a drive unit of a
  • Figs. 27 to 29 mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention.
  • Fig. 30 mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention with a sterile barrier having a loose in the direction of adjustment;
  • Fig. 31 mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention with a sterile barrier having a non-contact translationally displaceable seal;
  • Fig. 32 is a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention having a sterile barrier having an element extension releasably connected to a threaded or base member base; 33 shows an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention with a fastening element in the form of a sterile adapter 4;
  • Fig. 34 a part of a surgical instrument after a
  • Fig. 35 a signaling linkage of measuring means a
  • FIG. 36 shows a control means or method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 37 shows a partial section of a part of a robot-guided surgical instrument according to one embodiment of the present invention
  • Fig. 38 a drive module and coupled thereto
  • Fig. 39 a drive module and coupled thereto
  • FIG. 40A a drive module with a retraction arrangement according to a further embodiment of the present invention in Figure 38 corresponding representation in a coupled state with a Eintriebsgliedan elbow state.
  • Fig. 42 (a): a drive unit and an instrument shaft of a
  • FIG. 43 (a) shows a drive unit and an instrument shaft of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention in Fig. 42 (a), respectively
  • Fig. 45 (a): a drive unit and an instrument shaft of a
  • Fig. 46 (b) a drive unit and an instrument shaft of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention in Fig. 42 (a), respectively
  • Fig. 47 a surgical instrument according to an embodiment of the
  • Figs. 48A, 48B an interface of the surgical instrument of Fig. 47 in perspective views
  • Fig. 49 (a), (b): Steps in coupling a guide member with a groove of the interface of Fig. 48;
  • FIG. 50 an interface of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a partial section
  • Fig. 51 A, 51 B an interface of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention in
  • FIG. 52 shows an interface of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a corresponding manner in FIG. 51B;
  • FIG. 52 shows an interface of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a corresponding manner in FIG. 51B;
  • FIGS. 53A, 53B show an interface of a surgical instrument according to FIG.
  • Fig. 54 an interface of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 55A-55D an interface of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a plan view in the direction of a displacement axis (FIGS. 55A, 55B) and in a perspective view (FIGS. 55C, 55D), respectively Input member are not coupled to each other (FIGS. 55A, 55C, 55D) or coupled together (FIG. 55B).
  • FIG. 1 shows a mechanical interface of an instrument arrangement according to an embodiment of the present invention with two opposing output elements 10A, 10B of an output arrangement of a modular motor drive unit 1. These are coupled to two input elements 20A and 20B of a drive arrangement of an instrument shaft 2.
  • a sterile barrier 3 surrounds the drive unit 1 and is arranged between it and the instrument shaft 2.
  • Ab- and input elements 10A, 10B and 20A, 20B are guided translationally adjustable in the drive unit 1 and the instrument shaft 2.
  • the output elements 10A, 10B are formed with a rocker 10C
  • Coupled coupling means such that a rotational movement of the
  • Coupling means 10C which is indicated in Fig. 1 by a rotary arrow, in a
  • the coupling means 10C may, for example, with an output shaft of an electric motor of
  • the input elements 20A, 20B are coupled to a further coupling means designed as a rocker 20C such that a translatory movement of the elements 20A, 20B into a rotational movement of the
  • Coupling 20C is implemented. At the coupling means 20 C, for example, axially spaced from each other pull cables or push rods of
  • Instrument shaft 2 can be fixed, actuated by the one degree of freedom of an end effector, for example, a pair of scissors is opened or a scalpel is rotated (not shown).
  • the rotational movement of the coupling means 20C For example, transmitted via gears or - be implemented again in a translational movement - about a worm gear.
  • Double means 10C on the output elements 10A, 10B, these on the input elements 20A, 20B and this in turn on the further coupling means 20C can transmit only compressive forces.
  • the removal and input elements are designed in the embodiment as plunger, which are adjusted along their longitudinal axes, for example by a linear actuator or a joint kinematics.
  • the sterile barrier 3 is located between the plungers. Since only compressive forces can be transmitted with a pair of plungers, a closed kinematic loop is formed by the second plunger pair. The second pair of plungers is moved in the opposite direction to the first, so that driving forces can be transmitted in both directions.
  • a parallelogram kinematics is provided in the mechanical interface.
  • the coupling of the instrument shaft to the drive unit is simple and can alternatively be along or transversely to the movement or adjustment of the plunger 10A - 20B.
  • the plungers 10A, 10B of the drive unit 1 are covered by the sterile barrier 3.
  • the instrument shaft 2 is joined to the drive unit 1 in such a way that the plungers 10A, 20A or 10B, 20B initially oppose each other at a certain distance. Subsequently, the output side is pressed onto the drive side.
  • the angular position of the rocker arm or rocker 10C, 20C here is arbitrary, since the positions of both sides during the coupling process equalize.
  • Fig. 2 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the coupling means 10C, 20C and plungers 10A, 10B and 20A, 20B wherein the friction forces depend inter alia on the lever position and the contact surfaces, in particular their geometry and surface. Therefore, in one embodiment of the present invention, as illustrated by way of example in FIG. 2, in at least one unilateral contact of a coupling means (in FIG. 2 by way of example: 10C, 20C) and withdrawal or input element (in FIG. 2 by way of example: 10A, 10B and 20A, 20B respectively), a roller 30 is arranged, whereby the friction can be reduced.
  • a coupling means in FIG. 2 by way of example: 10C, 20C
  • withdrawal or input element in FIG. 2 by way of example: 10A, 10B and 20A, 20B respectively
  • Fig. 3 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • Coupling means 10C and the input elements 20A, 20B and the further coupling means 20C each coupled together by a one-sided binding with sliding (Fig. 1) and rolling contact (Fig. 2).
  • at least one output element in FIG. 3 by way of example: 10A, 10B
  • a coupling means in FIG. 3 by way of example: 10C
  • at least one input element in FIG 3 exemplarily: 20A, 20B
  • a (further) coupling means in FIG. 3 by way of example: 20C
  • FIG. 3 by way of example: 20C are coupled to one another by at least one coupling rod (in FIG.
  • Fig. 4 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • only one pair of plungers 10A, 20A is provided for transmitting power to actuate a degree of freedom.
  • the input element 20A is biased counter to its adjustment by a spring 50. This represents when removing one in the adjustment Actuating force or actuated movement of the output element against this adjustment direction the plunger pair 10A, 20A against the adjustment back.
  • Fig. 5 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • At least one is
  • the preferably formed as a threaded spindle coupling means (in Fig. 5 by way of example: 10C) has in one embodiment depending on a section with right and left hand threads, on each of which a
  • FIG. 5 left a perspective partial section of the interface, in the middle or right side view at different positions of the
  • Output elements 10A, 10B shown.
  • Fig. 6 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention.
  • Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • At least one is
  • Output element in Fig. 6 by way of example: 10A, 10B
  • a coupling means in Fig. 6 by way of example: 10C
  • / or at least one input element in Fig. 6 by way of example: 20A, 20B
  • a (further) coupling means in Fig 6 exemplarily: 20C
  • coupling agents in Fig. 6 by way of example: 10C, 20C
  • pinion with which the output elements designed as racks
  • Driving elements (in Fig. 6 by way of example: 20A, 20B) each in the opposite direction mesh and so implement a rotational in a translational movement. As she is on
  • Output elements are biased against their adjustment direction or to each other, can thereby advantageously also backlash in the tooth engagements 10A-10C, 10B- I OC, 20A-20C and 20B-20C reduced or eliminated.
  • Fig. 7 shows various embodiments of the facing end faces of
  • Fig. 7 (b) shows a crowned and a flat face forming a point contact
  • Fig. 7 (c) a spherical projection engaging a tapered recess and forming a ring contact
  • Fig. 7 (i.e. ) a conical projection which engages in a conical bore or recess and forms a surface contact
  • Fig. 7 (e) has two spherical end faces or
  • Present invention at least a one-sided bond on a point contact between Ab- and input element.
  • FIG. 8 shows a compensation of positional and orientation deviations of the plunger contact surfaces by deliberately introduced pliability.
  • compliance is provided by a flexurally soft design of a removal and / or input element (in FIG. 8 (a), for example, 10A or 20A). educated.
  • a compliance can be formed by an elastic deformation of the sterile barrier, as shown by way of example in FIG. 8 (b).
  • the sterile barrier is preferably made wholly or partly of an elastomer.
  • Driving element as shown in Fig. 8 (a), may be particularly advantageous in view of the transmission behavior.
  • compliance in one embodiment of the present invention may include a progressive spring characteristic to compensate for smaller tolerances and, at the same time, larger ones
  • a compliance can be provided in a coupling means, as shown by way of example in Fig. 8 (c). Due to the closed kinematic chain, it is principally a statically overdetermined system. To compensate for manufacturing and assembly tolerances in the kinematic chain and to produce backlash, differences in length of the plunger pairs are compensated by a flexible design of a coupling agent.
  • FIG. 9 In one embodiment, which is indicated by way of example in FIG. 9, has a
  • Balancing means for tolerance compensation in a displacement direction (vertical in Fig. 9) displaceable bearing or a displaceable in the direction of adjustment bearing axis of a coupling means (in Fig. 9 by way of example: 10C).
  • This is in an embodiment in a carriage, which is arranged displaceably within the drive unit, rotatably mounted.
  • This thrust bearing allows a shift in the direction of the plunger movement. In this direction, for example by a spring or by static adjustment, a force is applied, which biases the plunger pairs in the interface against each other (indicated in Fig. 9 by the dashed arrow of force).
  • a resilient compensating element 3.1 is integrated in the sterile barrier. By compressing this element, a preload is built up in the kinematic loop and at the same time compensated for differences in length by a different compression. In particular, so that not too large compliances are introduced, which are unfavorable to the Regulating behavior, the compensating element 3.1 in a development on a progressive spring behavior. This can in particular by an appropriate choice of material and / or geometric design of the
  • FIGS. 1 to 10 show, in particular, various advantageous couplings of a drive shaft on the instrument shaft side to a mechanical interface according to the invention, as described above, for example, with reference to FIGS. 1 to 10, but also below with reference to the other figures.
  • Fig. 1 1 shows a coupling of a cable 60 to the input elements.
  • Degree of freedom of the instrument shaft in particular an end effector (not shown) to actuate in both directions, is formed in the instrument shaft with the rotatably mounted rocker 20C, a kinematic loop between the two plungers 20A, 20B.
  • the plungers are each coupled to the rocker with a rotary thrust bearing 20D.
  • the rocker pulley With the rocker pulley is firmly connected, which is wrapped by the cable 60.
  • a positive and / or cohesive connection between the roller and cable is possible.
  • By a suitable choice of the pulley diameter can optionally be made an adaptation of the interface hub to the required Seilhub.
  • other, in particular elliptical, cross sections are possible.
  • Fig. 12 shows a coupling of an instrument-side cable 60 to the mechanical interface according to a further embodiment.
  • the pulley which forms an element of a coupling means according to the present invention, additionally provided with a toothing 20E, which meshes with a toothed portion of an instrument-side plunger (in Fig. 12 by way of example: 20B).
  • the additional translation of this gear stage advantageously allows even better adaptation of the ram stroke to the cable stroke.
  • a degree of freedom can also be actuated by an open cable pull (in FIG. 13 by way of example: 60) or by push rods (not shown) whose ends with input elements (in Fig. 13 by way of example: 20A, 20B) or a coupled coupling means may be coupled.
  • an open cable pull in FIG. 13 by way of example: 60
  • push rods not shown
  • ends with input elements in Fig. 13 by way of example: 20A, 20B
  • a coupled coupling means may be coupled.
  • the Seilhub can be adjusted.
  • the leverage of the two rope rockers can be the same.
  • the two bearings of the rope rockers are shown offset from each other for clarity. In one embodiment, these bearings of the rope rockers can coincide coaxially.
  • the closed kinematic loop between withdrawal and input elements is formed by a further instrument-side rocker, which is in each case coupled to the instrument-side tappets 20A, 20B via a rotary thrust bearing 20D.
  • FIG. 14 the closed kinematic loop between withdrawal and input elements is formed by a further instrument-side rocker, which is in each case coupled to the instrument-side tappets 20A, 20B via a rotary thrust bearing 20D.
  • this additional rocker is dispensed with and, instead, the preload of the interface is built up via the cable, through which there is a closed kinematic loop anyway.
  • a bias of the mechanical interface can also be used for biasing an instrument shaft side cable, which increases the complexity of the instrument side
  • Output elements of one embodiment can also be combined with arrangements or features of a drive element of another embodiment.
  • a drive element of another embodiment For example, in the embodiment of FIG. 14 instead of the input side
  • Rotary thrust bearing 20D analogous to the output-side arrangement and an arrangement or coupling with coupling rods (see., Output side coupling rod 40 in Fig. 14) conceivable.
  • Fig. 16 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention.
  • the interface has an output element in the form of a pin 100 and a drive element with a recess 200, wherein the pin in the recess by a
  • Clamping means is radially elastically expandable. This version is suitable for
  • the drive pin 100 is translationally guided in the drive unit 1 and actuated and in a instrument shaft side recess in the form of a
  • Coupling socket 200 introduced.
  • the thin-walled sterile barrier 3 is arranged between the drive unit and the instrument shaft.
  • connection of the drive pin 100 and the coupling socket 200 can be non-positive or positive and off or independent of the instrument drive.
  • Tolerances are arranged in the drive unit, so that these interfaces are particularly advantageous for inexpensive disposable instrument shafts.
  • Positioning and attachment of the instrument shaft relative to the drive unit are carried out in a development by a separate functional unit, as described below.
  • the bearing of the coupling elements is therefore preferably chosen so that high demands on the shape and position tolerances are avoided and the connection of the input and input element, at least in
  • the coupling bush in the instrument shaft has play in the radial direction, i. the coupling socket is not clearly guided in the radial direction. If the
  • Instrument shaft is not coupled to the drive unit, the radial bearing ensures that the coupling sleeve with sufficient accuracy
  • Tense bearings The bearing of the coupling bush in the instrument shaft has in a development on two stops in the axial or adjustment direction.
  • the required power stroke can be set individually for each instrument shaft and the drive unit can be used for different instrument shafts. Due to the geometric design of the coupling elements, the radial
  • FIGS. 19 shows various couplings of pin 100 and recess 200: in an embodiment which is indicated by way of example in FIGS. 19 (a), (b) and (d), the pin and recess are frictionally engaged by elastically expanding one,
  • FIG. 19 (d) or a plurality of parts (FIGS. 19 (a), (b)), which for this purpose has an elastic body (in FIG. 19 (a), (b) by way of example: 100.1) may have, whose diameter by elastic
  • Embodiment which is exemplified in Fig. 19 (c) in combination with the positive connection, has a clamping means (in Fig. 19 (c) by way of example: 100.2) a conical outer shape and is axially adjustable in the pin 100 to this from the inside radially expand.
  • the clamping means 100.2 has a flange to the elastic pin by axial compression radially expand.
  • the clamping means 100.2 is formed hydraulically or pneumatically, the pin 100 is through
  • a sterile protective cover 3 is arranged between pin and recess and allows due to their elasticity the above-described shape or
  • the clamping movement or the clamping means (in FIG. 19 by way of example: 100.2) can be actuated by the instrument drive or independently thereof.
  • FIG. 20 (a) shows by way of example a drive unit 1 with three output elements in the form of pins, FIG. 20 (b) an instrument shaft 2 couplable therewith with three input elements which have corresponding recesses.
  • a pin of a Ab- or input member may be non-elastically radially expandable and this one or more radially slidably guided, preferably lamellar, separate body (in Fig. 20 (a), for example, 100.1), as exemplified in FIG. 20 (a) is shown.
  • Figs. 21 to 23 show sections through a drive unit 1 and an instrument shaft 2 coupled thereto with a (stroke) pin interface according to a further embodiment of the present invention.
  • Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • a clamping means drive in the form of an electric motor 100.3 and a threaded spindle 100.2, for example a
  • Threaded spindle 100.2 for example, a ball or roller screw, is driven away from the electric motor 100.3.
  • the threaded spindle is supported by a spindle bearing in the drive unit 1.
  • a with the threaded spindle 100.2 meshing spindle nut 100.4 is rotatably connected to the crank pin 100.
  • the crankpin is in turn guided in a thrust bearing 100.5, the only one
  • the pin 100 has a plurality of separate bodies in the form of lamellar clamping levers 100.1, which are distributed uniformly on the circumference of the crank pin.
  • the clamping levers 100.1 are rotatably mounted in the distal end of the crank pin 100 (on the right in FIG. 22) in this and thereby guided radially displaceable, so that a radial deflection of
  • FIG. 23 shows steps of the path controlled coupling operation of the output arrangement and the drive arrangement by means of the mechanical interface with one another, namely a situation before the coupling of input and input element 100, 200 (FIG. 23 (a)), establishing the clamping after insertion of the drive pin in the
  • Fig. 23 (a) shows the situation before coupling.
  • the drive unit 1 is covered by a sterile sheath 3 and the instrument shaft is fixed to the drive unit 1.
  • the drive pin 100 has moved to a lower limit position.
  • a compression spring 200.1 in the instrument shaft assists in the coupling process by ensuring that the coupling sleeve 200 is also in a lower limit position.
  • Fig. 23 (b) shows the situation immediately after docking. By extending the pin 100 from the drive unit 1 of this is in the clutch box of the
  • Fig. 24 shows mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention. Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • Fig. 24 is the Hubzapfen- or clamping means drive
  • the clamping force is not applied in contrast to the embodiment of Figs. 21 to 24 by a dependent of the actuator of the output element or pin forced operation.
  • the coupling between Ab- and input element is made by elastic expansion of the drive pin 100 and can be positive or positive.
  • a clamping mechanism or means of the drive pin is radially expanded.
  • the clamping means for this purpose has a detent ball mechanism, in a not shown
  • Modification may for example have an expanding mandrel, a toggle mechanism or a star wheel. To the clamping force over the entire
  • the clamping means in an embodiment of the present invention, as exemplified in Fig. 24, generally designed so that it has a kinematic dead center.
  • this is understood to mean, in particular, that there is a kinematic region in which the clamping means remains stably open or does not couple the input and output elements, and another, separated from it by a dead center
  • the clamping means for this purpose has a plurality of detent balls 100.6 distributed on the circumference of the drive pin 100 and an actuating pin 100.2 with a ball head whose diameter is greater than the inner ring defined by the detent balls not radially widened.
  • the clamping means is actuated or actuated by the actuating pin 100.2 is advanced into the drive pin 100 and thus the detent balls 100.6 are pressed radially outward.
  • a separate elastic body in the form of an expansion sleeve 100.1 is widened in diameter, which can be notched or slotted in order to keep the actuating force as low as possible. This sleeve avoids advantageous point contact between the detent balls and the sterile barrier, which surrounds the pin 100 (not shown), and allows a more uniform
  • the actuating pin 100.2 is advanced beyond the dead center of the detent ball mechanism, so that the detent balls behind the ball head of the actuating pin reset slightly radially inward to maintain the clamping force stable.
  • actuator for the actuation of the Ab- or input element can serve in particular a spindle drive, as has been explained for example with reference to FIG. 22, wherein the clamping mechanism or the clamping means can be actuated depending on or independent of the actuator.
  • the feed movement of the drive unit acts on the actuating pin 100.2, as explained with reference to FIG. 23.
  • FIG. 25 shows steps of the force-controlled coupling process of the output arrangement and drive arrangement by means of the mechanical interface of FIG. 24
  • FIG. 23 corresponding representation, to which reference is made.
  • Fig. 25 (a) shows the situation before coupling.
  • Fig. 25 (b) shows the situation immediately after coupling: To reliably insert the drive pin in the clutch box of the instrument shaft, the output element 100 is against an end stop in
  • Instrument shaft in particular have a flange, wherein the mechanical interface on an end effector facing, End monoorabgewandten or lateral surface of this flange is arranged.
  • the drive unit 1 can be designed as a "backloader”, “front loader” or “side loader”.
  • FIG. 26 shows advantageous joining directions of an instrument shaft to a drive unit of an instrument arrangement according to various embodiments
  • the instrument shaft is transverse to the direction of insertion of the instrument in the Patients attached to the drive unit, which is referred to as a "side loader".
  • the instrument arrangement shown in FIG. 26 may in particular be one of the embodiments explained with reference to one of the other figures, so that reference is made to the description thereof.
  • Fig. 27 shows a mechanical interface of an instrument assembly according to another embodiment of the present invention, in a perspective view (Fig. 27 (a)), and two sections in different stroke positions (Figs. 27 (b), (c)).
  • Fig. 27 (a) shows a perspective view
  • Figs. 27 (b), (c) shows a two sections in different stroke positions
  • a radially undulating gap is formed between the pin and the recess, in which a radially displaceable, axially fixed intermediate element arrangement is arranged to transmit a translational movement across a sterile barrier.
  • instrument shaft side coupling bushing 200 formed with a circumferential ring profile on the inside.
  • Pin and coupling bush are designed so that in the assembled state between these components a, preferably equidistant, Wavy gap forms.
  • rod-shaped intermediate elements 100.7 of an intermediate element arrangement are introduced, which are fixed in space in a cage sleeve 100.8 and are displaceable only in the radial direction.
  • the thin, foil-like sterile barrier (not shown) is between the clutch box and
  • the intermediate elements of the intermediate element arrangement may be sleeve-shaped, on whose front sides balls are rotatably arranged in order to reduce the frictional resistance.
  • Figs. 28, 29 show mechanical interfaces of instrument assemblies according to further embodiments of the present invention. Features which correspond to the other embodiments are designated by identical reference symbols, so that only the differences are discussed below and, moreover, the entire description is referred to.
  • the mechanical interface on a rocker arm in particular to transmit a translational drive movement across a sterile barrier.
  • Design of the Sterilbarriere It must be designed only for the tilting movements of the lever and can therefore be easily produced in a development as a plastic molding, for example made of thermoplastic elastomer or silicone, in particular as a deep-drawn film.
  • the inclination angle of the lever can be adjusted in one embodiment by a rotary drive, in particular an electric motor, optionally with an intermediate gear.
  • the sterile barrier can wrap the entire drive unit and also be slipped over the lever.
  • a lever in Fig. 28, 29 by way of example: 1000 generally on its contact or sterilbarrierenabgewandten side (bottom in Fig.
  • rocker arm in FIGS. 28, 29 by way of example: 1000
  • the rocker arm in one embodiment is coupled in a form-fitting manner with a coupling part, in particular, as indicated in the embodiments of FIGS. 28, 29, in a groove of a coupling part (in FIG , 29 for example: 2000).
  • the rocker arm can in particular with a
  • Output element of the output assembly of the drive unit to be coupled or represent such, the coupling part to be correspondingly coupled to a drive element of the drive assembly of the instrument shaft or such
  • Drive element of the drive assembly of the instrument shaft be coupled or represent such, the coupling part to be correspondingly coupled to an output element of the output assembly of the drive unit or represent such.
  • the coupling part 2000 may be guided translationally adjustable by a thrust bearing 2000.1 in a design which is exemplified in Fig. 28.
  • a thrust bearing 2000.1 in a design which is exemplified in Fig. 28.
  • Instrument shaft tapped as a translational movement or in the
  • Interface is non-linear and is therefore computationally compensated in a further development or in the drive unit control.
  • a rocker arm By a rocker arm is mounted gimbal in a development, movements in two degrees of freedom can be transmitted.
  • Fig. 28 For this purpose, for example, the illustration of Fig. 28 as a sectional view in two mutually perpendicular planes to think.
  • an interface with rocker arm for the actuation of three degrees of freedom may be formed.
  • the coupling part which is positively coupled with the rocker arm can likewise be rotatably mounted or guided in a rotary bearing. This version can also for
  • FIGS. 30 to 32 show instrument arrangements according to another
  • Embodiments of the present invention with a sterile barrier, which - at least in OP operation - a drive unit wrapped and arranged between the drive unit and a coupled with this by means of a mechanical interface instrument shaft.
  • Interface may be in particular those of the other embodiments and figures, so that with the other embodiments matching features are denoted by identical reference numerals and will be discussed below only on the differences and otherwise reference is made to the entire description.
  • the sterile barrier can generally be designed, in particular, in one piece and / or as a film tube.
  • the sterile barrier is airtight or envelops the drive unit airtight.
  • a transmission of a drive or adjusting movement takes place from a down to a
  • Sterile barrier in the area of the mechanical interface at least one
  • the prestressed lots is formed in a development as an elastic bellows, in particular as an elastomeric bellows, preferably as a corrugated membrane (in FIG. 30 (a) by way of example: 3.2) or corrugated bellows (in FIG. 30 (b) by way of example: 3.3), which is direct integrated into the sterile sheath or integrally formed with this, in particular ur- or reshaped, is.
  • the sterile barrier in the region of the mechanical interface at least one, in particular in the region of each driven element each one, non-biased lots in an adjustment of the Ab- and drive assembly.
  • prestressed, loose is in a development as, preferably elastic, cuff, in particular as a thermoplastic or elastomeric cuff (in Fig. 30 (c) by way of example: 3.4) formed, which is integrated directly into the sterile sheath or formed integrally therewith, in particular ur- or reshaped, is.
  • a thermoplastic or elastomeric cuff in Fig. 30 (c) by way of example: 3.4
  • FIG. 30 (a) shows an embodiment as a planar corrugated membrane 3.2
  • FIG. 30 (b) as a corrugated bellows 3.3, the cross section of which may be, in particular, cylindrical or conical.
  • Both Bellows store loose in the adjustment (vertical in Fig. 30), in which by the folding or preformed waves a restoring bias is impressed upon actuation of the output element (in Fig. 30, for example, 10A, 100 or 1000) in the adjustment of the occurring stroke compensated.
  • the sterile barrier in the region of the mechanical interface has at least one,
  • a translationally displaceable seal in FIG. 31 by way of example: 3.5.
  • this can be designed as an axially displaceable gap seal.
  • a development which is indicated by way of example in FIG. 31 (b)
  • it can be designed as a labyrinth seal.
  • a translationally displaceable seal may preferably be telescopic, in particular as a single-stage or multistage telescoping sleeve (in FIG. 31 (c) by way of example: in three stages).
  • 32 shows a further embodiment of the sterile barrier in the region of the mechanical interface, in particular at least one, preferably each Ab- or
  • Input element characterized by a very simple structure and manufacturing
  • the sterile barrier has, for at least one, preferably each withdrawal or input element, a sterile element extension which can be detachably connected to an element base which destructively penetrates the sterile barrier.
  • a sterile element extension which can be detachably connected to an element base which destructively penetrates the sterile barrier.
  • an output element base 1 1 exemplarily penetrates the sterile barrier 3 and is detachably connected with its passage region to a driven element extension 3.6, for example as 10A, 10B, 100 or 1000 is explained in the other embodiments and figures.
  • the sterile barrier has, in the region of the element bases penetrating it, one, preferably annular, thickening 3.7, for example by glued-on plastic discs or urgeformte local wall thickness increases and / or local material change.
  • the sterile barrier can again be designed as a thin membrane.
  • a sterile projection 3.6 is added to a pin.
  • the thin membrane of the sterile barrier is pierced inside the reinforcing ring.
  • the fixation of the sterile extension can in particular friction, substance and / or
  • FIG. 33 shows an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention with a sterile barrier 3, which encloses a drive unit 1 at least in OP operation and between the drive unit and an instrument shaft 2 coupled thereto by means of a mechanical interface
  • Drive unit 1 instrument shaft 2 and / or mechanical
  • Interface 3 may be, in particular, those of the other embodiments and figures, so that features which correspond to the other embodiments are denoted by identical reference numerals and will subsequently be discussed only with respect to the differences and, moreover, reference is made to the entire description.
  • the instrument arrangement has a fastening element in the form of a sterile adapter 4 for the detachable connection of the instrument shaft 2 to the drive unit 1, which is or is arranged on a surface of the sterile barrier facing away from the drive unit.
  • the drive unit 1 which in the embodiment shown in FIG. 33 has, for example, a plurality of crank pins 100, is surrounded by the sterile sheath 3.
  • the covers for the output elements are integrated, in the embodiment shown in FIG. 33 exemplified as elastomer bellows as described above with reference to FIG. 30.
  • the sterile adapter 4 is fixed from the outside to the sterile packaged drive unit. The adapter 4 thus does not interact with the output elements 100, but merely provides a mechanical interface for fastening the instrument shaft 2 to the enclosed drive unit 1.
  • the adapter 4 is positively and / or frictionally, for example by latching or clip connections, with instrument shaft and drive unit connected or connected, wherein the sterile sheath 3 also between locking projections and -aussparungen of drive unit and adapter is tight or passage-free, so as to maintain sterility.
  • the instrument shaft 2 and / or a fastener or an adapter 4 have a correspondingly configured attachment interface, for example, corresponding recesses, latches or the like.
  • Fig. 34 shows a portion of a robotic minimally invasive surgical procedure
  • the blade 2.1 has a rotational freedom qi with respect to the instrument shaft 20.
  • two drive trains 21, 22 are on the side of the instrument shaft Drive train arrangement in opposite directions hinged to the blade 2.1.
  • Drive trains 21, 22 may be, for example, push rods or plungers which are mounted so as to be translationally movable in the instrument shaft.
  • the drive module has two opposing drive trains 1 1, 12 of a drive module side
  • Drive train arrangement which can be actuated in opposite directions via a rocker by an electric motor 13 of a drive of the drive module.
  • the drive trains 1 1, 12 may also be push rods or plungers, which are mounted translationally movable in the drive module.
  • a flexible sterile barrier 4 is optionally arranged, via which the instrument shaft side and the drive module side drive train arrangement are detachably coupled to one another.
  • the drive train arrangements are coupled on one side in translation: the
  • Push rods or plungers 1 1 and 21 or 12 and 22 are translationally displaceable and can transmit to each other across the sterile barrier away only compressive forces.
  • the drive module side drive train arrangement is biased against the interface, as biased in Fig. 34 by a spring 5 by a spring Storage of the electric motor 13 indicated with coupled drive train arrangement.
  • DehnmessstMails 33 arranged a measuring arrangement.
  • DehnmessstMails 34 of the measuring arrangement arranged.
  • the first measuring means 31 are in a first branch
  • the second measuring means 32 in a second branch
  • the third measuring means 33 in a third branch
  • the fourth measuring means 34 in a fourth branch of a Wheatstone
  • the second measuring means 32 is arranged in series with the first measuring means 31 between a supply voltage U E , the third measuring means 33 parallel to the second measuring means 32 between the supply voltage, and the fourth measuring means 34 parallel to the first measuring means 31 between the supply voltage.
  • Embodiment at least substantially, a linear relationship between the adjusted by the bias of the spring 5, i. actively the blade 2.1 actuating force and twice the detected by the strain gauge 31 elongation, advantageously thus additionally a signal-technical amplification of the detected load.
  • the active or generalized loads Fi, F 2 are detected by the measuring means 31 - 34 and the drive and the teleoperation means based on these Controlled loads controlled.
  • the teleoperator for example, a haptic feedback about the clamping forces exerted by the end effector on a lumen, or on the resistance, which opposes the lumen of the terminal 2.1, 2.2.
  • Fig. 36 shows a more compact representation of a part of a
  • Control means as well as a method according to an embodiment of the present invention.
  • a control means 3 which may for example be implemented in a controller of the robot which carries the minimally invasive surgical instrument of Fig. 34, receives from the measuring arrangement 31-34 (see also Fig. 35) the linked output signal U A , which explained above, in particular, is proportional to twice the load F in the drive train 1 1.
  • the control means 3 determines a command S, which outputs it, for example, to a motor control of the electric motor 13 or a teleoperation means in the form of a mirror instrument (not shown), so that the motor 13 a desired desired force in the drive train 1 1 realized or the mirror instrument the
  • Teleoperateur imparts a virtual load that corresponds to the forces acting on the end effector forces F E i, F E2 .
  • Motor control of the electric motor 13 or the mirror instrument controls such that the motor 13, the desired desired force in the drive train 1 1 realized or the mirror instrument the teleoperateur gives the virtual load corresponding to the forces acting on the end effector forces F E1 , F E2 .
  • Fig. 37 shows a part of a robot-guided, minimally invasive surgical instrument according to an embodiment of the present invention in a partial section.
  • the instrument has an instrument shaft 31 and a drive unit 30 detachably connected thereto.
  • the instrument shaft has an interface 42 for attachment to a robot 40 which is covered by a sterile sheath 41.
  • the instrument shaft has several degrees of freedom, of which in
  • the instrument shaft has a tube 54 which is opposite to a
  • Instrument shaft housing 53 is rotatably mounted in a pivot bearing 55.
  • Two opposing Switzerlandtrumme 57c, 57d act in opposite directions a gear 58 and are each with subsequently explained in detail input members in the form of
  • Eintriebsst Congressel 34/37 and 35/38 each form a pair of plugs, which is designated in Fig. 37 with 45a - 45d.
  • the plunger pairs 45c, 45d By opposing actuation of the plunger pairs 45c, 45d, the tube 54 is rotated in the pivot bearing 55 in both directions and so this
  • an end effector is arranged (not shown) having at least one degree of freedom relative to the tube and / or at least one functional degree of freedom, such as the opening and closing of a pair of pliers.
  • Two counter-rotating pull racks 57a, 57b counteract the end effector in opposite directions and are each coupled with input members, explained below, in the form of input rams 37, 38 (see Fig. 38), which in turn are driven by output members in the form of output rams 34, 35 (cf. 38) are actuated.
  • the Eintechnischsstministerel 37, 38 are translational in the embodiment or
  • the drive unit 30 has a housing 49, in the example of two
  • Drive modules 47a, 47b are arranged to actuate the above-described degrees of freedom of the instrument shaft 31.
  • the drive modules each have a drive in the form of an electric motor 44a or 44b and a
  • Output link assembly with two translationally movable output members, which form the output rams of the plunger pairs 45a, 45b and 45c, 45d.
  • tappet pairs 34/37 and 35/38 can equally represent the abovementioned tappet pairs 45a and 45b or 45c and 45d.
  • the drive 44 which may be the drive 44a or 44b of FIG. 37, actuates
  • Embodiment via an optional, flexible sterile barrier 32 coupled on one side.
  • the Eintriebsst Congressel 37, 38 are coupled via coupling rods with a rocker, which in turn aktuiert the Glastrumme 57.1, 57.2 in opposite directions, which may be the Switzerlandtrumme 57 a, 57 b or 57 c, 57 d of FIG. 37.
  • Coupling rods and rocker form a transmission, which is demarcated dash-dotted in Fig. 38.
  • the drive modules are, as indicated in Fig. 37, 38, in the housing 49 of the
  • Drive unit 30 in each case in a coupling direction (horizontally in Fig. 37, vertically in Fig. 38) movably supported and biased against the input member assembly 37, 38.
  • the coupling directions of the two drive modules 47a, 47b are parallel to each other (see Fig. 37) and to the respective actuation direction in which the links are movable to actuate the degrees of freedom of the instrument shaft.
  • the drive modules may have a compression spring, which captivates the drive module in the housing and biases in the coupling direction or against the input member arrangement. This is designated in FIG. 37 with 46a or 46b, in FIG. 38 together with 46.
  • the drive module instead has a magnet arrangement for biasing the drive module.
  • the magnet arrangement has an electromagnet 100 on the housing 49 of the drive unit on a side facing the instrument shaft (bottom in FIG. 41) and opposite thereto, a permanent magnet 101 which is arranged on the drive module 47.
  • an electromagnet 103 is disposed on the housing on an instrument shaft facing away from the instrument shaft (top in Fig. 41) and opposite thereto a permanent magnet 104 on the
  • Electromagnets 100 and 103 can be tightened.
  • the energized solenoid 100 magnetically pulls the drive module 47 in
  • Coupling direction (down in Fig. 41) and thus biases its output member assembly 34, 35 against the input member assembly (not shown in Fig. 41) before.
  • the energized solenoid 103 may be the opposite pole
  • one of the two electromagnets 100, 103 omitted. Additionally or alternatively, in a modification instead of the
  • Electromagnet 100 and / or 103 also be provided a permanent magnet.
  • the biasing action of a permanent magnet 101 can be achieved by energizing the
  • Electromagnet 103 reduced, in particular canceled. If, in a modification, instead of the electromagnet 103 a permanent magnet is arranged, which is opposite to the permanent magnet 104 or magnetically attracts it, or the permanent magnet 104 through a soft magnetic region of the electromagnet 103 .
  • the magnet arrangement has a plurality of, preferably non-magnetic, spacer elements 102, which provide direct contact between the magnet Permanent or electromagnet 100 on the housing of the drive unit with the soft or hard magnetic region, in particular (further) permanent magnets 101 on the drive module prevent.
  • preferably non-magnetic spacers 105 prevent direct contact between the magnet Permanent or electromagnet 100 on the housing of the drive unit with the soft or hard magnetic region, in particular (further) permanent magnets 101 on the drive module prevent.
  • FIG. 39 shows a drive module and a drive-in link arrangement coupled thereto in accordance with a further embodiment of the present invention in a representation corresponding to FIG. 38.
  • Features consistent with the other embodiments are designated by identical reference numerals, so that reference is made to the description thereof and will be discussed below only the differences.
  • a drive module 47 can be movably mounted directly in the housing 49 of the drive unit 30, in particular in a form-fitting manner, for example by one or more grooves and / or ribs.
  • an output member assembly may be movably supported within the housing of the drive unit, the drive, in particular a drive module housing 47.1, in which it is supported mounted on the output member assembly and, in particular elastic and / or permanent and / or electromagnetic, tied to the housing of the drive unit and thereby biased in the coupling direction.
  • the output rams 34, 35 each in thrust bearings of the housing 49 of the
  • Figs. 40A, 40B show a drive module and a coupled thereto
  • FIG. 40A shows the drive module in a state coupled to the input drive arrangement
  • FIG. 40B shows the retracted and locked drive module.
  • Electromagnet 100 and / or 103, the drive module 47 are withdrawn against the bias. This can in particular a coupling and uncoupling of
  • a correspondingly energized magnet arrangement constitutes a magnetic retraction arrangement for retracting the drive module from the bias.
  • the drive has an output means in the form of a rocker 59, with which the output rams 34, 35 are coupled in opposite directions via coupling rods.
  • the drive requires only a limited angular range, which thus defines an Aktuier Scheme. From this a retraction area is delimited by a mechanical stop 60 for the rocker 59, which projects for this purpose from a housing of the drive module 47.1.
  • Permanent magnets 101 and / or 104 to be combined.
  • a drive module locking arrangement may be provided for locking the retracted drive module.
  • this has a spring-loaded and manually or automatically releasable latch 61, by means of which the output module, which is withdrawn against the prestressing, is secured in a form-fitting manner.
  • the drive module locking arrangement may also be formed magnetically.
  • a magnet in particular a
  • Permanent magnet 101 magnetically attracts a soft magnetic region or opposite pole permanent magnet 104 of the drive module, thereby the (more biased) drive module can be magnetically locked.
  • the retraction arrangement is also designed to release the lock or to adjust the drive module in the coupling direction.
  • Counterstop be provided, on which the output means is supported when it is adjusted in a different from the Aktu réelles- and retraction area feed area.
  • a corresponding counter-stop 106 is disposed on the housing of the drive unit and defines one of
  • the coupling direction (horizontally in the figures), in which the drive module 47 (a, b) is movably supported and biased in the housing 49 of the drive unit, includes a longitudinal axis of Instrument shaft 31 (vertically in the figures) an angle, the in
  • the receptacle 80 of the embodiment of Fig. 42 (a) has a chamfered insertion opening 140 for inserting the drive unit 30 in an insertion direction, the insertion direction being parallel to the longitudinal axis of the instrument shaft 31 (vertical in Fig. 42 (a)).
  • the insertion port 140 is disposed on the instrument shaft facing away from the top (Fig. 42 (a) at the top).
  • Instrument shaft for example, the Eintriebsst Schemeel 37, 38, as described above with reference to Fig. 38 - 41, are perpendicular to the longitudinal axis of the instrument shaft 31 to the receptacle 80 ago, the interface or contact plane of the Eintriebsgliedan extract 45.2 is parallel to the longitudinal axis ,
  • Instrument shaft 31 arranged in a recess 142.
  • Fig. 43 (a) substantially corresponds to that of Fig. 42 (a).
  • a bayonet closure with at least one projection 151 on the housing 49 of the drive unit is provided, which engages in a recess 150 of the receptacle 80 as a result of rotation of the drive unit.
  • the projection 151 may engage the recess 150 of the receptacle 80 instead of being twisted, this displacement preferably taking place by impressing the biasing force. The user thus inserts the drive unit (vertically from above in Fig.
  • Fig. 43 (b) substantially corresponds to that of Figs. 42 (a), 43 (a).
  • the receptacle 80 has in this embodiment a multi-part form-fitting guide for inserting the drive unit 30 in the insertion direction.
  • the guide has a plurality of guide grooves 152 which cooperate positively with corresponding projections 153 on the housing 49 of the drive unit 30 in order to fix this in a form-fitting manner in the receptacle 80 of the instrument shaft 31.
  • the guide grooves 152 are formed substantially L-shaped, so that the
  • Drive unit in turn can be determined positively due to a rotation in the recording.
  • the drive unit twisted after insertion into the receptacle and thereby positively locked is biased counter to the insertion direction, for example by corresponding oversize or elastic spring means (not shown), thus frictionally reversing and thus Release the drive unit
  • the protrusions 153 may be displaced (horizontally to the left in Fig. 43 (b)) into the short leg of the recesses 152 perpendicular to the insertion direction be moved, this shift is again preferably carried out by impressing the biasing force.
  • the user thus inserts the drive unit (vertically from above in Fig. 43 (b)) into the receptacle.
  • the projections 153 slide in the long legs of the L-shaped recesses 152 up to their kink.
  • a coupling process is initiated, in which the interfaces are acted upon by the biasing force.
  • the projections 153 of the drive unit are displaced perpendicularly to the insertion direction in the recesses 152 and thus the drive unit is locked in a form-fitting manner.
  • FIG. 44 (a) substantially corresponds to that of FIG. 43 (b), wherein here a guide rib 161, which extends in the insertion direction, is inserted into a guide groove 160 of the receptacle 80 which is complementary thereto and is fixed by frictional engagement, for example or is.
  • the receptacle generally has, in addition to the insertion opening, another opening (left in Fig. 44 (a)), in particular, a signal and / or energy-related connection of the drive unit to improve (not shown).
  • the insertion direction is perpendicular to the longitudinal axis of the instrument shaft.
  • the insertion opening is arranged on the instrument shaft facing away from the side (left in Fig. 44 (b)).
  • a drive unit interlocking arrangement for interlocking the drive unit 30 in the receptacle 80 in the form of a movable biased latch 167 which locks in the drive unit 30 when placed in the receptacle 80
  • drive unit locking arrangement can also be provided in the other embodiments, in particular in addition or as an alternative to a positive fixing, in particular a bayonet lock, or a frictional attachment.
  • the receptacle 80 of the embodiment of FIG. 44 (b) has one or more
  • FIG. 45 (a) substantially corresponds to that of FIG. 44 (b), wherein the insertion opening can be closed by a pivotable flap 170 in order to fix the drive unit 30 positively against the insertion direction.
  • the receptacle 80 is pivotable relative to the longitudinal axis of the instrument shaft. This makes it possible, the drive unit 30, as indicated in Fig. 45 (b) by movement arrows, first in the in a
  • Receiving position introduce pivoted receptacle, and then to pivot the recording in a locking position, wherein the drive unit is then fixed positively in this locking position of the receptacle.
  • the drive unit 30 has a convergent one
  • Displacement means for displacing the input member assembly of the
  • the convergent displacement means of the embodiment of Fig. 46 (a) has a convex, particularly oblique or elliptical surface which converges in a first portion 180a in the insertion direction and so on
  • a converging surface 180b which is also divergent in the insertion direction and also convex in the embodiment of FIG. 46 (a), adjoins the surface 180a which converges in the insertion direction, in order to provide input members which protrude from the receptacle 80 even when the drive unit 30 is executed
  • movable displacement means in the form of a plurality of rotatable rollers 181 a, 181 b, which during insertion above projecting input members of
  • Fig. 47 shows schematically a surgical instrument according to an embodiment of the present invention with an instrument shaft 20.
  • the instrument shaft has a rigid, hinged or flexible tube 22 at the distal end thereof an end effector 21 is arranged, which has one or more functional and / or kinematic degrees of freedom.
  • a drive module 25 is releasably connected to the instrument shaft at an interface 24.
  • the tube 22 may be fixed to the instrument housing 23 or rotatably supported, so that the tube 22 has a rotational degree of freedom about its longitudinal axis.
  • Figs. 48A, 48B show this interface in different perspective
  • Each drive train has an actuator in the form of an electric motor-gear unit 31 ', the output shaft of an infinitely rotatable output member of the
  • a drive member 32 ' is coupled, which is guided in a thrust bearing 34' positively in a shift axis B 'slidably in the instrument shaft.
  • the input member is by a traction means or a push rod 36 with the
  • End effector 21 connected to actuate this (not shown), wherein the push rod is parallel to the displacement axis B '.
  • the input member is displaceable between two end stops 37.1, 37.2 (compare Fig. 53, not shown in Fig. 48).
  • a linear groove 33 ' is arranged, which is perpendicular to the displacement axis B'.
  • a guide member 30 ' is arranged eccentrically on the rotatable output member and slidably guided in the groove when Ab and
  • Input member are coupled together.
  • Output member is perpendicular to the displacement axis B 'of the slidably guided input member and the groove.
  • the guide element 30 ' has a pin on which a rolling element in the form of a race is sliding or roller bearings.
  • a rolling element in the form of a race is sliding or roller bearings.
  • an outer ringless roller bearing can be arranged on the pin.
  • Figs. 49 (a), (b) show steps in coupling the guide member with the groove
  • Figs. 49 (c) - (f) show steps in actuating the driven member by the driven member.
  • FIG. 49 (a) the drive module and the instrument shaft are connected to each other, wherein the output member and the input member 32 'are not yet coupled together.
  • the driven member cf movement arrow A 'in Fig. 48A, 49 (c)
  • the guide member 30' rotates into the groove through an opening in the upper guide wall of the groove 33 'in Fig. 49 (see movement arrow F in Fig .49 (a)) and so coupled - initially one-sided - output member and input member (Fig. 49 (b)).
  • the guide wall of the groove (upper in the figures) has an opening for inserting the guide element by turning the guide
  • Abtriebsgliedes which is formed by a shortened leg of an open or U-shaped leg pair, which in turn defines the groove.
  • FIG. 50 shows in a corresponding manner an interface of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a partial section.
  • a drive module 125 and instrument shaft 120 are shown for a better overview, in particular only one drive train for actuating a degree of freedom of the instrument shaft shown, further drive trains can be constructed analogously and arranged, for example, parallel to the drive train shown.
  • Each drive train has an actuator, for example in the form of an electric motor-gear unit, 131, whose output shaft is an infinitely rotatable output member of the drive module.
  • a drive member 132 is coupled, which in a thrust bearing (not shown) positively guided in a displacement axis B '"slidably in the instrument shaft and connected by a traction means or a push rod 136 with the end effector, which is parallel to the displacement axis B '"is.
  • a linear groove (cut in Fig. 50) is arranged, which is perpendicular to the displacement axis B '"and an axis of a guide member 30, which is arranged eccentrically on the rotatable driven member and slidably guided in the groove when Ab and
  • the axis of rotation of the rotatable output member is perpendicular to the displacement axis B '"of the slidably guided input member and the groove.
  • Guide element 130 is supported via a radial bearing 140 on a frame 139 of the actuator 131.
  • a tolerance element 132.3 is provided.
  • the tolerance element is displaceably guided on the input member 132 parallel to its displacement axis B "and elastically prestressed therewith by a spring means 132.4 are coupled.
  • the tolerance element has a Toleranzelementnut, which is parallel to the groove in the input member 132 and is penetrated by the guide member 130.2 when the input and input member are coupled.
  • the guide element has a rotatably mounted rolling elements in the form of a sliding or roller bearing race 130.2 Contacting the groove in the input element.
  • a rotatably mounted rolling element in the form of a sliding or roller bearing race 130.1 for contacting the Toleranzelementnut arranged.
  • outer ringless roller bearings may instead be provided.
  • the guide element 130 is mounted axially displaceable in the driven member.
  • Tolerance element groove on or be executed from these. It is biased by an axial spring (not shown) against the grooves, so that it automatically enters this.
  • a link 138 for axial displacement of the guide member is rotatably connected to the frame 139. It has a slope in the direction of rotation, on which a collar of the guide element runs. In this way, by turning the driven member in the direction indicated by a movement arrow A '"in FIG. 50, the guide element 130. 2 can be axially displaced (to the left in FIG. 50) and thus disengaged from the grooves a modification, not shown, through the backdrop, the guide element in
  • the slide can have a further bevel which is spaced apart in the direction of rotation and inserts the collar of the guide element axially into the groove against the direction A '' when the driven member rotates Pre-tension can be reduced or eliminated by an axial spring.
  • Fig. 51 A, 51 B show in perspective view (Fig. 51 A) and a partial section (Fig. 51 B) an interface of a surgical instrument to another
  • Embodiment of the present invention corresponds essentially to the
  • the tolerance element is formed integrally with the input member 132 ", through a cavity 333.3 into which an integral one
  • Leg 333.1 can spring, which is mounted on both sides (left, right in Fig. 51 A).
  • the guide element 330 which is guided by a roller bearing 330.2 in the groove 333.2 of the input member 132 ", can be seen in the partial section of FIG. 51 B.
  • the guide element 330 is supported on the leg via a further roller bearing 330.1
  • FIG. 52 shows, in a corresponding manner in FIG. 51B, a partial section of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention. This corresponds essentially to the embodiment of FIG. 50, so that reference is made to the description thereof and below only the differences are discussed.
  • an inner ring 230.3 of an outer ringless rolling bearing with rolling elements 130.1, 130.2 is arranged on a journal 130 'of the guide element.
  • rolling elements 130.2 acts as
  • Tolerance element that braces the guide element and thus the output member against the input member 132 'in a displacement axis B lv of the input member when the input and input member are coupled together.
  • the left-hand race 130.1 shown in FIG. 52 which can be slidably mounted radially on the input element 132 'and / or radially inward on the inner ring 230.3, and the right-hand tolerance element 130.2 shown in FIG radially outside of the input member 132 'and / or radially inward on the inner ring 230.3 to be slidably mounted or slide, rolling elements in the context of the present invention, rolling elements 130.1, 130.2 and inner ring 230.3 together thus an outer ringless roller bearing in the context of the present invention.
  • FIG. 53 shows an interface of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention in various positions. This essentially corresponds to the explanations explained above, so that reference is made to the description thereof and below only the differences are discussed.
  • Input element 32 "asymmetric to the axis of rotation of the output member 31"
  • output member 31 "and input member 32" are uniquely coupled to one another, if the groove 33 "is thought to extend beyond the axis of rotation, in particular symmetrically with respect thereto (extends to the left) in FIG. 53), it becomes clear that the guide element 30 "could then engage in the groove 33" in each case in two rotational positions symmetrical to the displacement axis B "
  • FIGS. 53A -> 53B again illustrates the functional principle of the interface according to an embodiment of the invention. If the output element 31 "rotates in the direction indicated by the movement arrow A" in FIG. 53, the input element 32 "coupled thereto is shifted in its thrust bearing (hatched in FIG. 53) in its displacement axis B". In order to limit this shift, in particular when the output member is uncoupled, two end stops 37.1, 37.2 are provided on which the input members accumulate on the end faces 32.1 "and 32.2".
  • Embodiment shows, generally a distance B of an end face of the input member from a center line of the groove in the input member at least equal to the full stroke plus half the groove width, with the designations of Fig. 53:
  • H total stroke of the input member
  • D groove width
  • Fig. 54 shows an interface of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention. This essentially corresponds to the explanations explained above, so that reference is made to the description thereof and below only the differences are discussed.
  • FIGS. 55A-55D show an interface of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a plan view in the direction of a displacement axis (FIGS. 55A, 55B) and in a perspective view (FIGS. 55C, 55D), respectively Einretesglied not coupled together (Fig. 55A) or
  • the input member 32 ' is guided in a thrust bearing 34' with a larger clearance, in particular loosely, displaceably on the instrument shaft.
  • it is in a thrust bearing 340 with a smaller clearance, in particular at least substantially free of play, on the actuator 31 'of the

Abstract

Eine erfindungsgemäße chirurgische Instrumentenanordnung weist nach einem Aspekt eine modulare motorische Antriebseinheit (1), die eine Abtriebsanordnung mit wenigstens einem Abtriebselement (10A, 10B; 100; 1000) aufweist; und einen Instrumentenschaft (2), der lösbar mit der Antriebseinheit verbindbar ist und eine Antriebsanordnung mit wenigstens einem Eintriebselement (20A, 20B; 200; 2000) auf, wobei die Abtriebsanordnung und die Antriebsanordnung mittels einer mechanischen Schnittstelle miteinander koppelbar sind, die wenigstens eine einseitige Bindung (10A- 20A, 10B, 20B); einen Zapfen (100) und eine Aussparung, wobei der Zapfen in der Aussparung radial, insbesondere elastisch und/oder durch wenigstens einen separaten Körper (100.1), aufweitbar ist, und/oder zwischen dem Zapfen und der Aussparung ein in radialer Richtung wellenförmiger Spalt ausgebildet ist, in dem eine radial verschiebbare, axial feste Zwischenelementanordnung (100.7) angeordnet ist; und/oder einen Kipphebel (1000) aufweist; und/oder wobei die chirurgische Instrumentenanordnung eine Sterilbarriere (3), die dazu vorgesehen ist, die Antriebseinheit zu umhüllen und zwischen der Antriebseinheit und dem Instrumentenschaft angeordnet zu werden, und die im Bereich der mechanischen Schnittstelle eine, insbesondere vorgespannte, Lose (3.2; 3.3; 3.4) in einer Verstellrichtung der Ab- und Antriebsanordnung, eine berührungslose translatorisch verschiebbare Dichtung (3.5), ein Ausgleichmittel zum Toleranzausgleich (3.1) und/oder einen Elementfortsatz (3.6) aufweist, der lösbar mit einem von einer Ab- und einem Eintriebselementbasis (11; 21) verbindbar ist, welches die Sterilbarriere zerstörend durchgreift; und/oder ein Befestigungselement (4) zur lösbaren Verbindung mit der Antriebseinheit aufweist, welches dazu vorgesehen ist, auf einer der Antriebseinheit abgewandten Oberfläche der Sterilbarriere angeordnet zu werden. Eine erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung weist nach einem weiteren Aspekt wenigstens einen Antriebsstrang (11, 12, 21, 22) zur Aktuierung eines Freiheitsgrades (q1) eines Endeffektors (2.1, 2.2) eines, insbesondere robotergeführten, chirurgischen Instruments relativ zu einem Instrumentenschaft (20) durch einen Antrieb (13) und eine an dem Antriebsstrang angeordnete Messanordnung (31-34) zum Erfassen einer Last (F1, F2) in dem Antriebsstrang auf.

Description

Beschreibung
Chirurgische Instrumentenanordnung und Antriebsstranganordnung für ein, insbesondere robotergeführtes, chirurgisches Instrument und chirurgisches Instrument
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine chirurgische
Instrumentenanordnung, ein Manipulatorchirurgiesystem mit einer solchen
manipulatorgeführten Instrumentenanordnung sowie ein Verfahren zum Bestücken eines Manipulators eines solchen.
Beispielsweise aus der EP 1 015 068 A1 ist ein Manipulatorchirurgiesystem mit einem manipulatorgeführten chirurgischen Instrument bekannt, dessen Freiheitsgrade durch eine Antriebsstranganordnung im Manipulator aktuiert werden, was insbesondere in Hinblick auf Sterilitätsanforderungen die Anbindung des Instruments an den
Manipulator erschwert.
Die DE 10 2009 060 987 A1 offenbart ein chirurgisches Manipulatorinstrument mit einer eigenen Antriebseinheit zur Aktuierung von Freiheitsgraden des Instruments, das eine mechanische Schnittstelle mit einem Kupplungselement aufweist, das in eine Hinterschnitt-Ausbuchtung eines weiteren Kupplungselements eingreift, ohne auf Sterilitätsanforderungen einzugehen.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes chirurgisches Instrument zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch eine chirurgische Instrumentenanordnung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 , 11 bzw. 12 gelöst. Anspruch 13 stellt ein
Manipulatorchirurgiesystem mit einer solchen Instrumentenanordnung unter Schutz, Anspruch 14 ein Verfahren zum Bestücken eines Manipulators eines solchen
Manipulatorchirurgiesystems. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte
Weiterbildungen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Antriebsstranganordnung zur Aktuierung wenigstens eines Freiheitsgrades eines Endeffektors eines,
insbesondere robotergeführten, chirurgischen Instruments, ein Antriebsmodul und einen Instrumentenschaft eines solchen Instruments, ein Instrument mit einem solchen Instrumentenschaft und/oder Antriebsmodul, eine Manipulatoranordnung mit wenigstens einem solchen Instrument, welches durch einen Manipulator geführt ist, sowie ein Verfahren und ein Steuermittel zum Steuern eines solchen Instruments, insbesondere seines Antriebs und/oder eines manuellen Teleoperationsmittels.
Ein robotergeführtes minimalinvasives chirurgisches Instrument weist allgemein einen Instrumentenschaft auf. Bei durch einen Trokar teileingeführtem Instrumentenschaft kann ein distales bzw. intrakorporales Instrumentenschaftende noch in maximal vier Freiheitsgraden durch den Roboter bewegt werden (drei Drehachsen durch den Trokarpunkt und eine Translation in Richtung der Schaftachse).
Um in einem minimalinvasiven Operationsgebiet mehr Freiheitsgrade zur Verfügung zu haben, ist es aus der WO 2009/079301 A1 bekannt, einen Endeffektor gelenkig an dem distalen Instrumentenschaftende zu lagern und durch eine
Antriebsstranganordnung zusätzlich zu aktuieren. Beispielsweise kann so eine Klemme geschlossen oder eine Endoskop-Optik umorientiert werden.
Um einem Teleoperateur, der den Chirurgieroboter bedient, eine haptische
Rückmeldung aus dem Operationsgebiet zu geben, schlägt die WO 2009/079301 A1 vor, zwischen Instrumentenschaft und Endeffektorlager einen sechsachsigen Kraft- Momenten-Sensor anzuordnen. Ein Nachteil dieser Lösung lässt sich anschaulich anhand der Fig. 34 erläutern: dort ist, wie nachfolgend näher beschrieben, ein Instrumentenschaft 20 gezeigt, an dem ein Endeffektor in Form einer Klemme mit zwei Klingen 2.1 , 2.2 angeordnet ist. Die Klinge 2.1 ist durch zwei gegensinnige Antriebsstränge 21 , 22 in ihrem
Drehfreiheitsgrad qi gegen den Instrumentenschaft verstellbar, die Klinge 2.2 entsprechend. Greift die Klemme an einem Lumen (nicht dargestellt) an, wirken auf sie die Reaktionskräfte FEi bzw. FE2. Diese Kräfte bewirken in der in Fig. 34 dargestellten Konstellation keine Kräfte im Instrumentenschaft 20, da ihre
Resultierende verschwindet. Entsprechend kann ein Kraft-Momenten-Sensor, wie ihn die WO 2009/079301 A1 vorschlägt, einem Teleoperateur keine Rückmeldung über die von der Klemme ausgeübten Kräfte vermitteln, da er unabhängig von den tatsächlich aufgeprägten Klemmkräften FEi , FE2 keine Kräfte oder Momente im
Instrumentenschaft erfasst.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes chirurgisches Instrument zur Verfügung zu stellen und/oder dessen Steuerung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsstranganordnung zur Aktuierung eines
Endeffektors eines chirurgischen Instruments mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Die Ansprüche 23-25 stellen ein Antriebsmodul, einen Instrumentenschaft bzw. ein Instrument mit einer solchen Antriebsstranganordnung unter Schutz, die
Ansprüche 26-28 eine Manipulatoranordnung mit einem solchen Instrument, ein Verfahren bzw. Steuermittel zum Steuern eines solchen Instruments. Die
Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein, insbesondere
robotergeführtes, chirurgisches Instrument mit einem Instrumentenschaft mit wenigstens einem Freiheitsgrad und einer Antriebseinheit zu dessen Aktuierung sowie einen Instrumentenschaft und eine Antriebseinheit.
Aus der WO 201 1/143022 A1 ist ein robotergeführtes chirurgisches Instrument mit vier Antriebseinheiten bekannt, die tortenstückartig an einer Basisplatte angeordnet sind und jeweils mehrere Antriebsmodule aufweisen. Die Antriebsmodule weisen jeweils mehrere verschieb- oder drehbare Abtriebsglieder zum Aktuieren von
Eintriebsgliedern eines mit der Antriebseinheit verbundenen Instrumentenschaftes auf.
Die Antriebseinheiten sind jeweils gegen die Basisplatte aktiv teleskopierbar, um ihren Instrumentenschaft durch eine gemeinsame Führungskanüle ein- bzw. auszufahren. Die Abtriebsglieder stehen zu den Eintriebsgliedern hin distal bzw. in einer
Koppelrichtung vor, die zur Längsachse des Instrumentenschaftes parallel ist, und sind in dieser distalen Richtung elastisch vorgespannt, um einen spielfreien Kontakt sicherzustellen.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes chirurgisches Instrument zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch ein chirurgisches Instrument mit den Merkmalen des Anspruchs 29 gelöst. Anspruch 33 stellt einen Instrumentenschaft für ein
chirurgisches Instrument unter Schutz, Anspruch 37 eine Antriebseinheit. Die
Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein, insbesondere
robotergeführtes und/oder minimalinvasives, chirurgisches Instrument sowie ein Antriebsmodul und einen Instrumentenschaft eines solchen Instruments und ein Verfahren zu deren Verbinden.
Beispielsweise aus der WO 2011/143022 A1 ist ein robotergeführtes minimalinvasives Instrument mit einem Instrumentenschaft bekannt, der durch einen Roboter durch eine natürliche oder künstliche kleine Öffnung in den Patienten eingeführt wird. Zur Aktuierung intrakorporaler Freiheitsgrade, insbesondere eines Endeffektors, ist ein extrakorporales Antriebsmodul lösbar mit dem Instrumentenschaft verbunden.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes chirurgisches Instrument zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein chirurgisches Instrument mit den Merkmalen des Anspruchs 44 gelöst. Anspruch 56 stellt ein Antriebsmodul für ein solches Instrument unter Schutz, Anspruch 57 einen Instrumentenschaft, Anspruch 58 ein Verfahren zu deren Verbinden. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine, insbesondere
manipulatorgeführte, chirurgische Instrumentenanordnung eine modulare motorische Antriebseinheit auf, die eine Abtriebsanordnung mit einem oder mehreren
Abtriebselementen aufweist. Unter einem Abtriebselement wird vorliegend
insbesondere ein ein- oder mehrteiliges Element bzw. Bauteil verstanden, welches durch einen Motor, insbesondere einen Elektromotor, der Antriebseinheit direkt oder indirekt akuier- bzw. in einer Verstellrichtung verstellbar und dazu vorgesehen ist, einen Freiheitsgrad des Instruments zu aktuieren. Die Antriebseinheit kann in einer Ausführung kabellos oder kabelbasiert mit Energie versorgt und/oder gesteuert werden. Die Instrumentenanordnung weist weiter einen Instrumentenschaft auf, der in einer Ausführung dazu vorgesehen ist, teilweise in einen Patienten eingeführt zu werden, insbesondere durch eine Öffnung zur minimalinvasiven Chirurgie, insbesondere auch Endoskopie. Der Instrumentenschaft kann ganz oder teilweise steif oder flexibel ausgebildet sein und/oder einen Endeffektor aufweisen, insbesondere ein Skalpell, eine Schere, Zange, Klemme, ein optisches Aufnahme- und/oder Beleuchtungsmittel, insbesondere ein Lichtleiter-Ende, ein CCD-Chip (sogenanntes„chip-on-the-tip Endoskop), eine LED oder dergleichen. Insofern kann insbesondere auch ein aktuierbares, insbesondere abwinkelbares, Endoskop einen Instrumentenschaft im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen. Ein Instrumentenschaft im Sinne der vorliegenden Erfindung weist allgemein einen oder mehrere Freiheitsgrade auf, insbesondere einen oder mehrere Freiheitsgrade zum Positionieren, insbesondere Orientieren, und/oder zum Betätigen eines Endeffektors. In einer Weiterbildung weist er zwei, drei oder mehr Freiheitsgrade, insbesondere Drehfreiheitsgrade, zum
Orientieren und/oder einen oder mehrere, insbesondere maximal einen, Freiheitsgrad zum Betätigen, insbesondere Öffnen bzw. Schließen, eines Endeffektors auf. Zur Aktuierung weist er eine Antriebsanordnung mit einem oder mehreren
Eintriebselementen auf. Unter einem Eintriebselement wird vorliegend insbesondere ein ein- oder mehrteiliges Element bzw. Bauteil verstanden, welches durch ein zugeordnetes Abtriebselement der Antriebseinheit direkt oder indirekt akuier- bzw. in einer Verstellrichtung verstellbar und dazu vorgesehen ist, einen Freiheitsgrad des Instruments zu aktuieren. Es kann hierzu insbesondere uni- oder bidirektional mit dem Endeffektor gekoppelt sein, in einer Ausführung mechanisch, insbesondere mittels eines oder mehrerer Seilzüge, Stangen, Zahnräder, hydraulisch, pneumatisch oder dergleichen, wobei unter einer unidirektionalen Koppelung insbesondere eine
Koppelung derart verstanden wird, dass der Freiheitsgrad durch eine Verstellung des Eintriebselements nur in einem Richtungssinn aktuierbar ist, beispielsweise durch einen Seilzug nur in einer Zugrichtung, unter einer bidirektionalen Koppelung entsprechend insbesondere eine Koppelung derart, dass der Freiheitsgrad durch eine Verstellung des Eintriebselements gegensinnig aktuierbar ist, beispielsweise durch eine Schubstange in Zug- und Druckrichtung.
Der Instrumentenschaft ist lösbar mit der Antriebseinheit verbindbar, die
Abtriebsanordnung und die Antriebsanordnung mittels einer mechanischen
Schnittstelle miteinander koppelbar. In einer Weiterbildung ist der Instrumentenschaft lösbar mit der Antriebseinheit verbunden, die Abtriebsanordnung und die
Antriebsanordnung mittels der mechanischen Schnittstelle miteinander gekoppelt. Die Instrumentenanordnung wird dann auch kurz als Instrument bezeichnet. In einer Ausführung können jedoch auch zwei oder mehr verschiedene Antriebseinheiten und/oder zwei oder mehr verschiedene Instrumentenschäfte vorgesehen sein, die wahlweise mit einem Instrumentenschaft bzw. einer Antriebseinheit verbindbar sind und sich insbesondere in der Anzahl der aktuierbaren Freiheitsgrade unterscheiden können. Zur kompakteren Darstellung wird daher vorliegend im Allgemeinen von einer Instrumentenanordnung im Sinne eines Satzes von einer oder mehr Antriebseinheiten und einem oder mehr Instrumentenschäften gesprochen, die lösbar miteinander verbindbar bzw. verbunden sind.
Die Instrumentenanordnung bzw. das Instrument, insbesondere die Antriebseinheit oder der Instrumentenschaft, ist in einer Ausführung lösbar an einem Manipulator befestigt und kann hierzu in einer Weiterbildung eine entsprechende
Anbindungsschnittstelle aufweisen. Entsprechend betrifft ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestücken eines Manipulators, wobei eine
Antriebseinheit und ein Instrumentenschaft lösbar miteinander verbunden und ihre Ab- und die Antriebsanordnung mittels der mechanischen Schnittstelle miteinander gekoppelt werden. Der Manipulator kann in einer Ausführung ein oder mehrere, insbesondere wenigstens sechs, vorzugsweise sieben oder mehr Freiheitsgrade aufweisen, um das Instrument (redundant) zu führen, insbesondere seinen
Endeffektor in einem Patienten zu positionieren.
Ein Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Ausgestaltung der
mechanischen Schnittstelle, mittels der Ab- und Antriebsanordnung miteinander koppelbar bzw. gekoppelt sind.
Nach einem Aspekt weist diese Schnittstelle je eine einseitige Bindung zwischen einem oder mehreren Paaren einander zugeordneter Ab- und Eintriebselemente auf. Unter einer einseitigen Bindung bzw. Koppelung wird vorliegend insbesondere, wie in der Mechanik üblich, verstanden, dass ein Ab- und ein Eintriebselement derart miteinander gekoppelt sind, dass eine Bewegung des einen von dem Ab- und dem Eintriebselement in einer Richtung bzw. einem Richtungssinn zwangsgeführt eine Bewegung des anderen von dem Ab- und dem Eintriebselement bewirkt, eine Bewegung des einen von dem Ab- und dem Eintriebselement in der entgegengesetzten Richtung bzw. dem Gegensinn hingegen keine zwangsgeführte Bewegung des anderen von dem Ab- und dem Eintriebselement bewirkt.
Insbesondere kann eine einseitige Bindung dadurch gekennzeichnet sein, dass zwischen Ab- und Eintriebselement direkt oder indirekt nur Druckkräfte und keine Zugkräfte übertragbar sind, wobei vorliegend zur kompakteren Darstellung auch antiparallele Kräftepaare, d.h. Drehmomente, verallgemeinernd als Kräfte bezeichnet werden. Eine einseitige Bindung kann entsprechend dadurch gekennzeichnet sein, dass zwischen Ab- und Eintriebselement direkt oder indirekt nur ein Drehmoment in einer Richtung übertragbar ist, in der Gegenrichtung hingegen, wenigstens im
Wesentlichen, kein Drehmoment übertragbar ist. Unter einer zweiseitigen Bindung wird vorliegend entsprechend insbesondere verstanden, dass gegensinnige
Bewegungen von Ab- oder Eintriebselement zwangsgeführt auf das jeweils andere Element übertragen werden, insbesondere, dass zwischen Ab- und Eintriebselement direkt oder indirekt Druck- und Zugkräfte bzw. gegensinnige Drehmomente
übertragbar sind.
Eine solche einseitige Bindung kann vorteilhaft über eine Sterilbarriere hinweg wirken. Insbesondere können in einer Ausführung ein Ab- und ein zugeordnetes
Eintriebselement auf gegenüberliegenden Seiten einer Sterilbarriere angeordnet sein und diese kontaktieren, wobei wenigstens eines von dem Ab- und Eintriebselement nicht mit der Sterilbarriere verbunden ist bzw. sich von dieser lösen kann. Auf diese Weise kann einfach und kompakt eine Sterilbarriere zwischen der Antriebseinheit und dem Instrumentenschaft angeordnet werden.
Nach einem Aspekt weist die mechanische Schnittstelle, mittels der Ab- und
Antriebsanordnung miteinander koppelbar bzw. gekoppelt sind, je wenigstens eine Aussparung, die in einem Element von einem oder mehreren Paaren einander zugeordneter Ab- und Eintriebselemente ausgebildet ist, und je einen Zapfen auf, der an dem anderen Element dieses Paares ausgebildet und in diese Aussparung einführbar bzw. eingeführt ist. Insbesondere können also ein oder mehrere
Abtriebselemente je einen oder mehrere Zapfen und ihnen zugeordnete
Eintriebselemente entsprechende Aussparungen aufweisen. Gleichermaßen können ein oder mehrere Eintriebselemente je einen oder mehrere Zapfen und ihnen zugeordnete Abtriebselemente entsprechende Aussparungen aufweisen. Nach einem Aspekt sind der bzw. die Zapfen in der jeweiligen Aussparung radial, insbesondere elastisch und/oder durch separate Körper, aufweitbar bzw. aufgeweitet, so dass der Zapfen in der Aussparung, insbesondere axial- und/oder drehfest, fixierbar bzw. fixiert ist. In einer Ausführung kann ein Zapfen durch das radiale
Aufweiten reibschlüssig in der Aussparung fixiert werden bzw. sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Zapfen durch das radiale Aufweiten formschlüssig in der
Aussparung fixiert werden bzw. sein. Eine Sterilbarriere kann insbesondere zwischen Zapfen und Aussparung angeordnet, insbesondere geklemmt, sein bzw. werden und so einfach und kompakt zwischen der Antriebseinheit und dem Instrumentenschaft angeordnet werden.
In einer Ausführung ist ein Klemmmittel zum radialen Aufweiten eines oder mehrerer in je eine Aussparung eingeführter Zapfen der mechanischen Schnittstelle
vorgesehen. Dieses Klemmmittel kann in einer Weiterbildung manuell oder
mechanisch aktuiert werden, insbesondere durch einen eigenen, vorzugsweise elektromotorischen, Klemmmittelantrieb. Es kann insbesondere mechanisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder elektromagnetisch aktuiert werden. Beispielsweise kann ein Klemmmittelantrieb derart weg- oder kraftgesteuert werden, dass er nach einem Einführen des Zapfens in die Aussparung, insbesondere durch eine Verstellung bzw. Aktuierung der Antriebsanordnung, diesen radial aufweitet. Der Zapfen kann ein- oder mehrteilig mit dem Ab- bzw. Eintriebselement ausgebildet sein, insbesondere als separater und/oder elastischer Körper, der mit dem übrigen Ab- bzw. Eintriebselement lösbar oder unlösbar, insbesondere stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise verklebt sein kann.
Zur elastischen radialen Aufweitung kann der Zapfen, insbesondere dessen
elastischer Körper, in einer Weiterbildung aus Kunststoff, insbesondere Polyurethan und/oder Silikon hergestellt sein. Zur nicht-elastischen Aufweitung kann der Zapfen ein oder mehrere separate, insbesondere lamellenartige, Körper aufweisen, die radial verschieblich, insbesondere um eine Achse radial nach außen verschwenkbar oder translatorisch verschiebbar, in dem Zapfen bzw. übrigen Ab- bzw. Eintriebselement geführt sind und durch radiale Verschiebung nach außen, insbesondere durch
Verschwenken, dieses im Sinne der vorliegenden Erfindung radial aufweiten können. In einer Ausführung kann der Zapfen eine durchgehende oder sacklochartige
Innenbohrung aufweisen, die beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch mit Druck beaufschlagt wird, um den Zapfen radial aufzuweiten. Ein Stift des Klemmmittels kann eine Durchgangsbohrung in dem Zapfen durchgreifen und auf einer einem
Klemmmittelantrieb gegenüberliegenden Seite einen Flansch aufweisen, dessen Durchmesser größer ist als die Durchgangsbohrung. Durch Spannen des Flansches durch den Klemmmittelantrieb zu diesem hin kann der Zapfen zwischen Flansch und Klemmmittelantrieb axial komprimiert werden, so dass dieser sich radial aufweitet. Gleichermaßen kann der Stift eine sich in axialer Richtung radial erweiternde, insbesondere konische, Kontur aufweisen, so dass eine axiale Verschiebung des Stiftes im Zapfen diesen radial aufweitet, insbesondere elastisch oder durch
Verschieben von separaten Körpern radial nach außen.
Nach einem anderen Aspekt ist zwischen der Aussparung und dem in diese
eingeführten Zapfen ein in radialer Richtung wellenförmiger Spalt ausgebildet, in dem eine Zwischenelementanordnung mit einem oder mehreren Zwischenelementen angeordnet ist, die - insbesondere durch einen fest mit der Antriebseinheit oder dem Instrumentenschaft verbundenen Käfig - radial verschiebbar und axial fest geführt sind. Wird nun der Zapfen (die Aussparung) axial verschoben, verschiebt sich
entsprechend auch dessen (deren) wellenförmige, der Aussparung (dem Zapfen) zugewandte Außen(lnnen)wand. Dies verstellt formschlüssig die entsprechenden Zwischenelemente in radialer Richtung, die ihrerseits formschlüssig eine
entsprechende Axialverschiebung der Aussparung (des Zapfens) erzwingen. Auf diese Weise kann insbesondere eine Axialverschiebung von Zapfen bzw. Aussparung auf die Aussparung bzw. den Zapfen formschlüssig zwangsgeführt übertragen werden. Eine Sterilbarriere kann wiederum insbesondere zwischen Zapfen und Aussparung, insbesondere zwischen Zapfen und Zwischenelementanordnung oder zwischen Zwischenelementanordnung und Aussparung angeordnet, insbesondere geklemmt, sein bzw. werden und so einfach und kompakt zwischen der Antriebseinheit und dem Instrumentenschaft angeordnet werden. Nach einem Aspekt weist die mechanische Schnittstelle je einen Kipphebel zur
Koppelung von einem oder mehreren Paaren von Ab- und Eintriebselementen auf. Unter einem Kipphebel wird vorliegend in fachüblicher Weise insbesondere ein Hebel verstanden, welcher an einer Stelle, insbesondere einem Ende, drehbar gelagert und an einer hiervon axial beabstandeten Stelle, insbesondere einem gegenüberliegenden Ende, formschlüssig durch eine dreh- oder verschiebbare Kulisse zwangsgeführt wird. Eine Sterilbarriere kann insbesondere zwischen Kipphebel und Kulisse angeordnet, insbesondere geklemmt, sein bzw. werden und so einfach und kompakt zwischen der Antriebseinheit und dem Instrumentenschaft angeordnet werden. Insbesondere kann ein Abtriebselement als Kipphebel und ein zugeordnetes Eintriebselement als Kulisse ausgebildet sein. Gleichermaßen kann ein Eintriebselement als Kipphebel und ein zugeordnetes Abtriebselement als Kulisse ausgebildet sein.
In einer Ausführung eines der vorgenannten Aspekte können ein oder mehrere Abtriebselemente der Abtriebsanordnung translatorisch verstellbar geführt bzw.
aktuierbar sein. Beispielsweise kann ein Abtriebselement eine Abtriebsachse eines Linearmotors bilden oder mit einer solchen gekoppelt sein. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Eintriebselemente der Antriebsanordnung translatorisch verstellbar geführt bzw. aktuierbar sein. Beispielsweise kann ein Eintriebselement eine Stange, die mit einem Endeffektor gelenkig verbunden ist, bilden oder mit einer solchen gekoppelt sein. Gleichermaßen kann ein Eintriebselement auch
beispielsweise mit einem Zugseil zur Aktuierung eines Instrumentenfreiheitsgrades verbunden sein.
Gleichermaßen können ein oder mehrere Abtriebselemente der Abtriebsanordnung rotatorisch verstellbar geführt bzw. aktuierbar sein. Beispielsweise kann ein
Abtriebselement eine Abtriebsachse eines Drehmotors bilden oder mit einer solchen gekoppelt sein. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Eintriebselemente der Antriebsanordnung rotatorisch verstellbar geführt bzw. aktuierbar sein.
Beispielsweise kann ein Eintriebselement eine Welle sein, auf die ein Zugseil zur Aktuierung eines Instrumentenfreiheitsgrades aufwickelt.
In einer Ausführung eines der vorgenannten Aspekte sind ein oder mehr
Abtriebselemente derart mit einem Koppelmittel gekoppelt, dass eine translatorische Bewegung von dem Koppelmittel in eine rotatorische Bewegung von dem Element umgesetzt wird. Gleichermaßen können ein oder mehr Abtriebselemente derart mit einem Koppelmittel gekoppelt sein, dass eine rotatorische Bewegung von dem
Koppelmittel in eine translatorische Bewegung von dem Element umgesetzt wird. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehr Eintriebselemente derart mit einem (weiteren) Koppelmittel gekoppelt sein, dass eine translatorische Bewegung von dem Element in eine rotatorische Bewegung von dem Koppelmittel umgesetzt wird.
Gleichermaßen können ein oder mehr Eintriebselemente derart mit einem (weiteren) Koppelmittel gekoppelt sein, dass eine rotatorische Bewegung von dem Element in eine translatorische Bewegung von dem Koppelmittel umgesetzt wird.
In einer Weiterbildung kann ein Koppelmittel ein Drehschublager aufweisen, insbesondere ein in einer Kulisse translatorisch verschiebbares Drehgelenk.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Koppelmittel einen drehbar gelagerten Hebel oder eine drehbar gelagerte Wippe bzw. einen Hebel mit einem Drehlagerpunkt aufweisen, der zwischen zwei Abgriffen, beispielsweise weiteren Drehlagerpunkten,
Seilbefestigungen oder dergleichen angeordnet ist. Insbesondere auf diese Weise kann eine rotatorische Bewegung des Koppelmittels mechanisch in eine
translatorische Bewegung eines Ab- oder Eintriebselements umgesetzt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Koppelmittel eine Verzahnung aufweisen, insbesondere zwei ineinandergreifende bzw. miteinander kämmende Verzahnungen, von denen in einer Weiterbildung eine rotatorisch und die andere ebenfalls rotatorisch, insbesondere als kämmende Stirnverzahnung, oder translatorisch, insbesondere als Schnecken- bzw. Zahnstangenverzahnung, beweglich gelagert ist. In einer Ausführung eines der vorgenannten Aspekte weist der Instrumentenschaft einen Flansch auf, wobei die mechanische Schnittstelle auf einer
endeffektorzugewandten Fläche dieses Flansches angeordnet ist. In einer
Weiterbildung weist die Antriebseinheit eine entsprechende Aussparung zur
Durchführung des Instrumentenschaftes auf, was vorliegend auch als Hinterlader- Anordnung bezeichnet wird. Gleichermaßen kann die mechanische Schnittstelle auf einer endeffektorabgewandten Fläche dieses Flansches angeordnet sein, so dass die Antriebseinheit ebenfalls auf einer endeffektorabgewandten Seite des
Instrumentenschaftes angeordnet sein kann, was vorliegend auch als Vorderlader- Anordnung bezeichnet wird. In einer alternativen Gestaltung kann die mechanische Schnittstelle auf einer seitlichen Fläche des Flansches des Instrumentenschaftes angeordnet sein, was vorliegend auch als Seitenlader-Anordnung bezeichnet wird. Insbesondere, wenn die mechanische Schnittstelle eine einseitige Bindung aufweist, können in einer Ausführung ein oder mehrere Abtriebselemente und/oder ein oder mehrere Eintriebselemente entgegen ihrer jeweiligen Verstellrichtung vorgespannt sein, insbesondere durch ein Federmittel. Auf diese Weise kann auch bei einer einseitigen Bindung ein Element dem anderen durch das Federmittel auch entgegen der Bindungsrichtung nachgeführt werden. Auch bei zweiseitigen Bindungen, beispielsweise einem radial aufgeweiteten Zapfen, einer Zwischenelementanordnung oder einem Kipphebel, kann eine Vorspannung eines Ab- oder Eintriebselementes entgegen seiner Verstellrichtung vorteilhaft Spiel reduzieren. Gleichermaßen kann, insbesondere, wenn zwischen einem Ab- und einem
zugeordneten Eintriebselement eine einseitige Bindung ausgebildet ist, ein weiteres Ab- und zugeordnetes Eintriebselement vorgesehen sein, dessen einseitige Bindung ein zu dem einen Ab- und Eintriebselement gegensinnig ist. Mit anderen Worten kann zur gegensinnigen Aktuierung bzw. Aktuierung eines Freiheitsgrades in zwei entgegengesetzten Richtungen je ein Paar gegensinnig wirkender Ab- bzw.
Eintriebselemente vorgesehen sein. Hierunter wird vorliegend insbesondere
verstanden, dass eine Aktuierung eines Abtriebselementes eines Paares das andere Abtriebselement dieses Paares, insbesondere mechanisch zwangsgeführt,
gegensinnig aktuiert bzw. verstellt. Auch bei zweiseitigen Bindungen, beispielsweise einem radial aufgeweiteten Zapfen, einer Zwischenelementanordnung oder einem Kipphebel, kann ein gegensinnig wirkendes weiteres Ab- und Eintriebselement vorgesehen sein, um vorteilhaft eine redundante und präzise Aktuierung des
Freiheitsgrades darzustellen.
Insbesondere, wenn durch ein Paar gegensinnig wirkender Ab- bzw.
Eintriebselemente eine statische Überbestimmtheit vorliegt, kann in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Ausgleichmittel zum Toleranzausgleich vorgesehen sein. Ein solches Toleranzmittel kann insbesondere eine elastische Nachgiebigkeit eines Ab- oder Eintriebselements, insbesondere in dessen Verstellrichtung, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein mit einem Ab- oder Eintriebselement gekoppeltes Koppelmittel eine elastische Nachgiebigkeit in Verstellrichtung des
Elements aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Sterilbarriere, die zwischen Ab- und Eintriebselement angeordnet ist, eine elastische Nachgiebigkeit aufweisen. Eine elastische Nachgiebigkeit kann insbesondere durch ein elastisches Material, welches im normalen Betrieb makroskopische Deformationen zeigt, und/oder durch eine entsprechende Formgebung bzw. biegeweiche Gestaltung, insbesondere eine lokale Materialverdünnung, vorzugsweise Einschnürung, definiert bzw. gebildet sein. Gleichermaßen kann ein Ausgleichsmittel auch eine, insbesondere
vorgespannte, in Verstellrichtung verschiebbare Lagerung bzw. Lagerachse, insbesondere eines mit einem Ab- oder Eintriebselement gekoppelten, Koppelmittels aufweisen. Auch ohne statische Überbestimmtheit kann ein solcher Toleranzausgleich vorteilhaft sein, um beispielsweise Montage- oder Fertigungstoleranzen in einer kinematischen Kette auszugleichen. In einer Ausführung eines der vorgenannten Aspekte kann eine Stirnseite eines
Abtriebselements und/oder eine Stirnseite eines Eintriebselements eben ausgebildet sein, insbesondere, um vorteilhaft eine größere Kontaktfläche darzustellen.
Gleichermaßen können eine Stirnseite eines Abtriebselements und/oder eine
Stirnseite eines Eintriebselements ballig ausgebildet sein, insbesondere, um
vorteilhaft einen wohldefinierten Kontaktbereich darzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Stirnseite eines Ab- oder Eintriebselements wenigstens einen Vorsprung und eine dieser zugewandten Stirnseite eines damit koppelbaren bzw. gekoppelten Ein- bzw. Abtriebselements eine entsprechende Aussparung aufweisen, in die dieser Vorsprung eingreift. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Sterilität des
Instruments. Hierzu weist nach einem Aspekt, der mit einem oder mehreren der vorstehenden Aspekte bzw. Ausführungen kombiniert sein kann, die
Instrumentenanordnung bzw. das Instrument eine Sterilbarriere auf, die dazu vorgesehen ist, die Antriebseinheit, insbesondere luftdicht, zu umhüllen und zwischen der Antriebseinheit und dem Instrumentenschaft angeordnet zu werden, bzw. welche die Antriebseinheit steril umhüllt und zwischen der Antriebseinheit und dem
Instrumentenschaft angeordnet ist. Die Sterilbarriere kann in einer Weiterbildung folienartig und/oder als Einmal- bzw. Wegwerfartikel ausgebildet sein.
Nach einem Aspekt weist die Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle eine Lose in einer Verstellrichtung der Ab- und Antriebsanordnung auf. Die Lose kann in einer Ausführung durch eine Stulpe gebildet sein, die sich in einer axialen
Verstellrichtung erstreckt und bei einer axialen Verstellung von Ab- bzw. Eintriebselement auf- bzw. abrollt bzw. umstülpt. Unter Lose wird vorliegend
verallgemeinernd insbesondere eine Materialreserve der Sterilbarriere verstanden, um, insbesondere translatorische, Verstellbewegungen von Ab- bzw. Eintriebselementen zu kompensieren bzw. mitzumachen, die in einem Verstellzustand gefaltet bzw. gerollt gespeichert und in einem anderen Verstellzustand enfaltet bzw. entrollt ist.
In einer Ausführung kann die Lose vorgespannt ausgebildet sein. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die Lose sich bei einer Verstellbewegung bzw. Aktuierung des Ab- bzw. Eintriebselements gegen die Vorspannung elastisch verformt und bei gegensinniger Bewegung zurückstellt. Insofern wird vorliegend zur kompakteren Darstellung insbesondere ein Mehrmaterial, das zur Kompensation einer Stellbewegung eines Ab- bzw. Eintriebselements vorgesehen ist, verallgemeinernd als Lose bezeichnet, die gleichermaßen vorgespannt oder vorspannungsfrei bzw. lose sein kann. In einer Weiterbildung weist die Lose einen Faltenbalg auf, dessen Faltung eine Vorspannung in eine Grundkonfiguration induziert. Die Faltung bzw. der
Faltenbalg kann sich in einer Ausführung in Verstellrichtung und/oder transversal bzw. quer zu dieser erstrecken, wodurch entsprechende Grundkonfigurationen und
Verformungen dargestellt werden können.
Nach einem Aspekt weist die Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle wenigstens eine berührungslose translatorisch verschiebbare Dichtung auf. Diese kann insbesondere als Spalt - oder Labyrinthdichtung ausgebildet und vorzugsweise teleskopierbar sein, d.h. zwei oder mehr axial gegeneinander verschiebbare und abgedichtete Teile, insbesondere Ringe, vorzugsweise konzentrische Ringe, aufweisen. Vorteilhafterweise können durch solche berührungslose translatorische Dichtungen dissipationsärmere Verstellbewegungen dargestellt werden. In einer Weiterbildung erfolgt in einer berührungslosen translatorischen Dichtung eine
Kraftübertragung über die Sterilbarriere hinweg und nicht durch diese hindurch.
Wie bereits vorstehend erläutert, kann die Sterilbarriere ein Ausgleichmittel zum
Toleranzausgleich, insbesondere eine elastische Nachgiebigkeit aufweisen. In einer Weiterbildung kann sie hierzu insbesondere eine lokale Wandaufdickung in einem Kontaktbereich eines Ab- und/oder Eintriebselements, insbesondere einer einseitigen Bindung, aufweisen, um so mehr elastischen Weg zur Verfügung zu stellen. In einer Weiterbildung die elastische Nachgiebigkeit, insbesondere eine lokale Wandaufdickung, eine höhere Steifigkeit aufweisen als ein sie umgebender Bereich der Sterilbarriere, um das Übertragungsverhalten zu verbessern. Hierzu kann die Sterilbarriere in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung im Kontaktbereich eines Ein- und/oder Abtriebselements eine lokale Werkstoffänderung aufweisen,
insbesondere lokal einen Werkstoff mit einer höheren oder niedrigeren Steifigkeit als in einer Umgebung des Kontaktbereichs.
Nach einem Aspekt weist die Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle wenigstens einen Elementfortsatz auf. Dieser ist in einer Ausführung lösbar mit einer Abtriebselementbasis verbindbar bzw. verbunden, welche die Sterilbarriere zerstörend durchgreift und zusammen mit dem Elementfortsatz ein Abtriebselement bildet.
Gleichermaßen kann ein Elementfortsatz lösbar mit einer Eintriebselementbasis verbindbar bzw. verbunden sein, welche die Sterilbarriere zerstörend durchgreift und zusammen mit dem Elementfortsatz ein Eintriebselement bildet. Beispielsweise kann eine sterile, insbesondere sterilisierte Eintriebselementbasis der Antriebsanordnung des sterilen Instrumentenschaftes zerstörend die Sterilbarriere durchgreifen und auf der instrumentenschaftabgewandten Seite mit dem Elementfortsatz verbunden werden, der dann innerhalb der Sterilbarriere bzw. sterilen Hülle mit dem
zugeordneten Abtriebselement gekoppelt wird. Gleichermaßen kann ein steriler Elementfortsatz instrumentenschaftseitig steril kontaktierend an der Sterilbarriere angeordnet werden, bevor eine Abtriebselementbasis diese zerstörend durchgreift und auf der instrumentenschaftzugewandten Seite mit dem Elementfortsatz
verbunden wird. Auf diese Weise kann jeweils die Sterilität des Instrumentenschaftes bei Ankopplung einer selbst nicht sterilen, durch die Sterilbarriere umhüllten
Antriebseinheit gewahrt werden. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Befestigung von Antriebseinheit und Instrumentenschaft aneinander. Hierzu weist nach einem Aspekt, der mit einem oder mehreren der vorstehenden Aspekte bzw. Ausführungen
kombiniert sein kann, die Instrumentenanordnung bzw. das Instrument ein
Befestigungselement zur lösbaren Verbindung mit der Antriebseinheit auf, welches dazu vorgesehen ist, vorzugsweise ausschließlich von außen auf einer der
Antriebseinheit abgewandten Oberfläche der Sterilbarriere angeordnet zu werden bzw. welches ausschließlich auf einer der Antriebseinheit abgewandten Oberfläche der Sterilbarriere angeordnet ist. Das Befestigungselement kann lösbar, insbesondere form- oder reibschlüssig, oder unlösbar mit dem Instrumentenschaft verbunden, beispielsweise mit diesem verclipst oder integral ausgebildet sein. Die Sterilbarriere ist in einer Ausführung wenigstens im Kontaktbereich mit dem Befestigungselement, vorzugsweise im Bereich der kompletten mechanischen Schnittstelle, geschlossen, insbesondere kann sie zwischen Rastvorsprüngen und/oder -aussparungen von Antriebseinheit und Befestigungselement zerstörungs- bzw. öffnungsfrei geklemmt sein. Auf diese Weise muss bei einer Befestigung des Instrumentenschaftes an der umhüllten Antriebseinheit keine Abdichtung erfolgen. In einer Weiterbildung ist das Befestigungselement entsprechend dichtungsfrei bzw. dichtungslos ausgebildet. Das Befestigungselement kann insbesondere separat als steriler Einmalartikel oder sterilisierbarer Adapter ausgebildet und an der Antriebseinheit reib- und/oder formschlüssig, insbesondere mittels Clipsverbindung, befestigbar bzw. befestigt sein. Insbesondere in Kombination mit einer einseitigen Bindung können so Befestigungsund Kopplungsfunktionalität getrennt und auf Befestigungselement und Schnittstelle aufgeteilt werden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein chirurgisches Instrument einen Instrumentenschaft, an dem ein Endeffektor angeordnet ist, und ein
Antriebsmodul mit einem Antrieb zur Aktuierung eines oder mehrerer Freiheitsgrade des Endeffektors relativ zum Instrumentenschaft auf. Instrumentenschaft und
Antriebsmodul sind in einer Ausführung, insbesondere lösbar, miteinander verbindbar bzw. verbunden. In einer Weiterbildung ist zwischen Instrumentenschaft und
Antriebsmodul eine Sterilbarriere angeordnet, insbesondere, um einen schlechter bzw. nicht sterilisierbaren Antrieb gegen ein Operationsumfeld abzuschirmen. Das chirurgische Instrument ist in einer Ausführung ein minimalinvasives chirurgisches Instrument, dessen Instrumentenschaft zum teilweisen Einführen in einen Patienten vorgesehen bzw. eingerichtet ist, insbesondere durch einen Trokar und/oder einen lokalen Zugang, dessen Umfang in einer Ausführung höchstens dem Doppelten des Außenumfangs des einzuführenden Instrumentenschaftteils entspricht.
Das Instrument kann insbesondere ein manipulatorgeführtes Instrument sein. Hierzu weist in einer Ausführung der Instrumentenschaft und/oder das Antriebsmodul eine mechanische und/oder signaltechnische Schnittstelle zum Ankoppeln an einen
Manipulator auf. Entsprechend wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Manipulatoranordnung mit einem oder mehreren Manipulatoren, insbesondere sechs- oder mehrachsigen Roboteren, unter Schutz gestellt, die ein
erfindungsgemäßes chirurgisches Instrument führen.
Der Endeffektor weist einen, zwei oder mehrere translatorische Freiheitsgrade und/oder einen, zwei oder mehrere rotatorische Freiheitsgrade gegenüber bzw. relativ zu dem Instrumentenschaft auf. In einer Ausführung weist der einteilige Endeffektor einen translatorischen oder Drehfreiheitsgrad auf und ist beispielsweise als
ausfahrbare Nadel bzw. drehbare Skalpellklinge ausgebildet. In einer anderen Ausführung weist der zweiteilige Endeffektor zwei Drehfreiheitsgrade auf und ist beispielsweise als Schere, Klemme oder dergleichen ausgebildet. Gleichermaßen kann der Endeffektor insbesondere eine Optik zum Aussenden und/oder Empfangen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Laseraustritts- oder Endoskop- Linse, und/oder eine Öffnung zum Einsaugen und/oder Ausbringen von Gas und/oder Flüssigkeit aufweisen, die um eine oder mehrere Freiheitsgradachsen verdreht und/oder ein- bzw. ausgefahren werden kann.
Der Antrieb weist in einer Ausführung einen oder mehrere Motoren, insbesondere Elektromotoren, zum Aktuieren des bzw. der Freiheitsgrade des Endeffektors auf. Zusätzlich oder alternativ kann der Antrieb auch elektromagnetische, hydraulische und/oder pneumatische Aktuatoren aufweisen. Um einen Endeffektor, insbesondere durch einen Antrieb, zu aktuieren, ist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Antriebsstranganordnung vorgesehen. Diese kann in einer Ausführung als instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung an, insbesondere in, einem Instrumentenschaft eines, insbesondere minimalinvasiven und/oder manipulatorgeführten, chirurgischen Instruments angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann eine erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung als
antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung an, insbesondere in, einem
Antriebsmodul eines, insbesondere minimalinvasiven und/oder manipulatorgeführten, chirurgischen Instruments angeordnet sein. Entsprechend werden nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Instrumentenschaft und ein Antriebsmodul mit einer erfindungsgemäßen Antriebsstranganordnung unter Schutz gestellt. Eine Antriebsstranganordnung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen oder mehrere Antriebsstränge zur Aktuierung von einem oder mehreren Freiheitsgraden eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments relativ zu einem Instrumentenschaft durch einen Antrieb auf. Ein Antriebsstrang kann in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, nur
Zugkräfte übertragen bzw. als biegeweicher Antriebsstrang, insbesondere als Zugseil bzw. -kabel ausgebildet sein. In einer anderen Ausführung kann ein Antriebsstrang Druckkräfte übertragen, insbesondere, wenigstens im Wesentlichen, nur Druckkräfte oder Zug- und Druckkräfte, insbesondere als Druckstab bzw. -stange bzw. Stößel. Gleichermaßen kann ein Antriebsstrang in einer Ausführung auch oder, wenigstens im Wesentlichen, nur Drehmomente übertragen und/oder eine Übersetzung und/oder ein Getriebe aufweisen. In einer Ausführung ist ein Antriebsstrang als Vollwelle oder Hohlwelle oder als Vollstab oder Hohlstab ausgebildet. Allgemein überträgt ein Antriebsstrang im Sinne der vorliegenden Erfindung, insbesondere mechanisch, Kräfte und/oder Bewegungen zwischen dem Antrieb und dem Endeffektor,
insbesondere, um diesen in einem Freiheitsgrad gegenüber dem Instrumentenschaft zu aktuieren.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist an der Antriebsstranganordnung eine Messanordnung zum Erfassen einer Last in einem oder mehreren, insbesondere allen Antriebssträngen angeordnet.
Dadurch können vorzugsweise direkt eine oder mehrere sogenannte aktive bzw. generalisierte Lasten erfasst werden, die in dem bzw. den Freiheitsgraden des Endeffektors wirken. Unter einer generalisierten oder Minimalkraft wird vorliegend insbesondere in fachüblicher Weise eine Last verstanden, die bei einer,
gegebenenfalls virtuellen, Bewegung im Freiheitsgrad physikalische, gegebenenfalls virtuelle, Arbeit leistet. Beispielsweise ist die generalisierte Kraft in einem
Drehfreiheitsgrad ein Drehmoment um die Drehfreiheitsgradachse. Entsprechend kann eine Last im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Kraft, ein antiparalleles Kräftepaar bzw. ein Drehmoment, eine Spannung, insbesondere eine Zug-, Druck- und/oder Biegespannung, und/oder eine, insbesondere elastische,
Deformation infolge solcher Kräfte, Momente bzw. Spannungen, insbesondere eine Dehnung bzw. Kompression umfassen, insbesondere sein. Dies kann wiederum anschaulich am Beispiel der Fig. 34 erläutert werden: die
Klemmkraft FEi bewirkt ein Drehmoment um die Drehlagerachse der Klinge 2.1 mit dem Drehfreiheitsgrad qi. Dieses wiederum bewirkt entsprechende Lasten Fsi, FS2 in den instrumentenschaftseitige Antriebssträngen 21 , 22 und diese ihrerseits Lasten F1 t F2 in antriebsmodulseitigen Antriebssträngen 1 1 , 12. Man erkennt, dass durch eine Messanordnung an den Antriebssträngen 21 , 22 und/oder an den Antriebssträngen 1 1 , 12 direkt die aktiven bzw. generalisierten Lasten erfasst werden, die in den
Freiheitsgraden des Endeffektors wirken und so insbesondere einem Teleoperateur eine vorteilhafte Rückmeldung aus einem Operationsgebiet vermitteln können.
Natürlich kann in einer Ausführung das chirurgische Instrument zusätzlich eine
Messanordnung zum Erfassen einer Last in dem Instrumentenschaft, insbesondere zwischen Instrumentenschaft und Endeffektor(lager) und/oder zwischen
Instrumentenschaft und Antriebsmodul aufweisen, um zusätzlich zu den aktiven auch sogenannte passive Lasten zu erfassen, insbesondere Stütz- bzw. Lagerlasten.
Drückt beispielsweise die Klemme der Fig. 34 in der dargestellten Konstellation mit ihren Spitzen vertikal nach unten, resultieren hieraus reine Lagerlasten in den
Drehgelenken der Klingen 2.1 , 2.2, die über eine solche zusätzliche Messanordnung zum Erfassen einer Last in dem Instrumentenschaft 20 erfasst und weiterverarbeitet, insbesondere dem Teleoperateur vermittelt werden können. In einer Ausführung kann ein weiterer Vorteil darin liegen, dass die Messanordnung zum Erfassen wenigstens einer Last in der Antriebsstranganordnung an der
Antriebsstranganordnung und somit vorzugsweise im Inneren des
Instrumentenschafts oder an, insbesondere in, einem Antriebsmodul angeordnet ist und so eine vorteilhafte, insbesondere geschützte und/oder vom Operationsgebiet bzw. Endeffektor entfernte, insbesondere extrakorporale und/oder antriebsnahe
Messstelle zur Verfügung gestellt werden kann.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist die Antriebsstranganordnung zwei oder mehr, insbesondere gegensinnige, Antriebsstränge zur Aktuierung
desselben Freiheitsgrades des Endeffektors auf. Dies ist exemplarisch in Fig. 34 veranschaulicht: dort wird die Klinge 2.1 in ihrem Freiheitsgrad q-ι durch die
gegensinnigen Antriebstränge 21 , 22, beispielsweise zwei Zugseile oder
Druckstangen, aktuiert, die wiederum translatorisch durch die gegensinnigen Antriebstränge 1 1 , 12 aktuiert werden, zum Beispiel Stößel, die von einem
Elektromotor 13 gegensinnig aktuiert werden.
Die Messanordnung weist in einer Ausführung wenigstens ein Messmittel auf, welches an einem der Antriebsstränge zum Erfassen einer Last in diesem
Antriebsstrang angeordnet ist. In einer Weiterbildung weist die Messanordnung ein erstes Messmittel, welches an einem ersten Antriebsstrang zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, und ein zweites Messmittel auf, welches an einem zweiten, insbesondere gegensinnigen, Antriebsstrang zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, wobei derselbe Freiheitsgrad des
Endeffektors durch den ersten und zweiten Antriebsstrang aktuierbar ist.
In einer Ausführung weist die Antriebsstranganordnung einen ersten Antriebsstrang zum Aktuieren eines ersten Freiheitsgrades des Endeffektors und einen weiteren ersten Antriebsstrang zum Aktuieren eines weiteren Freiheitsgrades des Endeffektors auf. In einer Weiterbildung kann die Antriebsstranganordnung einen zweiten
Antriebsstrang zum Aktuieren des ersten Freiheitsgrades des Endeffektors und/oder einen weiteren zweiten Antriebsstrang zum Aktuieren des weiteren Freiheitsgrades des Endeffektors aufweisen. Natürlich kann der Endeffektor noch weitere
Freiheitsgrade und entsprechende erste und gegebenenfalls zweite Antriebsstränge aufweisen. In einer Weiterbildung weist die Messanordnung ein erstes Messmittel auf, welches an dem ersten Antriebsstrang zum Aktuieren des ersten Freiheitsgrades des
Endeffektors zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist.
Zusätzlich oder alternativ weist die Messanordnung ein zweites Messmittel auf, welches an dem zweiten, insbesondere gegensinnigen, Antriebsstrang zum Aktuieren des ersten Freiheitsgrades des Endeffektors zum Erfassen einer Last in diesem
Antriebsstrang angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ weist die Messanordnung ein weiteres erstes Messmittel auf, welches an dem weiteren ersten Antriebsstrang zum Aktuieren des weiteren Freiheitsgrades des Endeffektors zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ weist die
Messanordnung ein weiteres zweites Messmittel auf, welches an dem weiteren zweiten, insbesondere gegensinnigen, Antriebsstrang zum Aktuieren des weiteren Freiheitsgrades des Endeffektors zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist.
In einer Ausführung sind zwei oder mehr Messmittel, die an zwei, insbesondere gegensinnigen, Antriebssträngen zum Aktuieren desselben Freiheitsgrades des Endeffektors angeordnet sind, signaltechnisch miteinander verknüpft. Sie können insbesondere leitungstechnisch miteinander verschaltet oder, insbesondere in einem Steuermittel, rechentechnisch miteinander verknüpft sein bzw. werden, insbesondere additiv bzw. subtraktiv.
Hierdurch kann in einer Ausführung insbesondere eine gemeinsame Last,
insbesondere eine Vorspannung, in zwei Antriebssträngen zum Aktuieren desselben Freiheitsgrades, wenigstens im Wesentlichen, signaltechnisch kompensiert und so vorzugsweise direkt die resultierende aktive bzw. generalisierte Last ermittelt werden. Allgemein sind in einer Ausführung ein erstes und ein zweites Messmittel, die an zwei, insbesondere gegensinnigen, Antriebssträngen zum Aktuieren desselben
Freiheitsgrades des Endeffektors angeordnet sind, kompensatorisch miteinander verknüpft. Unter einer kompensatorischen Verknüpfung wird insbesondere eine Verknüpfung der Signale des ersten und zweiten Messmittels derart verstanden, dass eine vorgegebene Last, insbesondere eine Last in einer vorgegebenen Richtung, wenigstens im Wesentlichen kompensiert wird bzw. das gemeinsame, verknüpfte Signal des ersten und zweiten Messmittels, wenigstens im Wesentlichen, unabhängig von einer Last ist, die sowohl durch das erste als auch das zweite Messmittel erfasst wird.
Insbesondere hierzu können das erste und zweite Messmittel, die an einem ersten bzw. zweiten Antriebsstrang zum Aktuieren desselben Freiheitsgrades angeordnet sind, in zwei Zweigen einer Wheatstoneschen Brückenschaltung miteinander verknüpft sein, insbesondere in zwei Zweigen einer Wheatstoneschen
Halbbrückenschaltung, die vorzugsweise in Reihe zwischen einer Brücken-Eingangsbzw. Speisespannung liegen. In einer Weiterbildung kann die Messanordnung ein drittes Messmittel, welches, insbesondere dem ersten Messmittel gegenüberliegend, an dem ersten Antriebsstrang zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, und ein viertes Messmittel aufweisen, welches, insbesondere dem zweiten Messmittel gegenüberliegend, an dem zweiten Antriebsstrang zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, wobei das erste Messmittel in einem ersten Zweig, das zweite Messmittel in einem zweiten Zweig, insbesondere in Reihe mit dem ersten Messmittel zwischen einer Brücken-Eingangs- bzw.
Speisespannung, das dritte Messmittel in einem dritten Zweig, insbesondere parallel zu dem zweiten Messmittel zwischen der Speise- bzw. Erregerspannung, und das vierte Messmittel in einem vierten Zweig, insbesondere parallel zu dem ersten
Messmittel zwischen der Speisespannung, einer elektrischen Schaltung,
insbesondere einer Wheatstoneschen Vollbrückenschaltung miteinander verknüpft sind. Hierdurch können in einer Ausführung nicht nur gemeinsame Lasten, sondern auch Ungleichförmigkeiten, insbesondere Biegemomente, in demselben
Antriebsstrang, wenigstens im Wesentlichen, bereits signaltechnisch kompensiert werden. Zusätzlich oder alternativ können erfasste Lasten so signaltechnisch verstärkt werden, insbesondere, indem einander entsprechende Lastkomponenten, die von verschiedenen Messmitteln erfasst werden, sich durch die Verknüpfung addieren. Ein Messmittel der Messanordnung kann in einer Ausführung einen oder mehrere
Dehnungsmesser zum, insbesondere elektrischen, magnetischen, optischen und/oder akustischen, Erfassen einer mechanischen Last aufweisen. Hierbei kann es sich insbesondere um, vorzugsweise folienartige, Dehnmessstreifen, deren Widerstand sich vorzugsweise mit ihrer elastischen Dehnung ändert, Halbleiterdehnungsmesser, optische, vorzugsweise faserartige, Dehnungsmesser, insbesondere auf Bragg oder Fabry-Perot-Technologie basierende Dehnungsmesser wie FBG-Dehnungsmesser („optic fiber Bragg grating"), akustische Dehnungsmesser wie insbesondere
sogenannte SAW-Dehnungsmesser („strain sensing surface acoustic wave"), piezoelektrische oder magnetoelastische Signalgeber oder dergleichen handeln. In einer Ausführung sind ein oder mehr Messmittel der Messanordnung, wenigstens im Wesentlichen, zum Erfassen einer axialen Zug- und/oder Drucklast in einem
Antriebsstrang an diesem Antriebsstrang angeordnet. Beispielsweise kann ein
Dehnmessstreifen, wenigstens im Wesentlichen, in Längsrichtung an einem Zugseil oder Druckstab angeordnet bzw. ausgerichtet sein. In einer Ausführung sind ein oder mehr Messmittel der Messanordnung, wenigstens im Wesentlichen, in einer Aussparung eines Antriebsstrangs angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung die Messanordnung geschützt werden. Zusätzlich oder alternativ kann so ein Hervorragen der Messanordnung über eine Außenkontur des bzw. der Antriebsstränge reduziert, insbesondere verhindert werden, was die
Handhabung, insbesondere den Betrieb und/oder die Montage erleichtern kann.
Zusätzlich oder alternativ kann der Antriebsstrang im Bereich eines oder mehrerer Messmittel eine Wandstärkenreduzierung aufweisen, insbesondere durch die vorstehend erläuterte Aussparung. Hierdurch kann in einer Ausführung die Sensitivität der Messanordnung erhöht werden. In einer Ausführung kann der Antriebsstrang im Bereich eines oder mehrerer Messmittel zur Wandstärkenreduzierung einen Hohlraum, insbesondere eine Hohlraumerweiterung aufweisen. In einer Weiterbildung kann der Antriebsstrang eine, vorzugsweise dünnwandige, Hülse aufweisen, auf der außen- und/oder innenseitig ein oder mehr Messmittel der Messanordnung angeordnet sind. Die Hülse kann stoffschlüssig mit weiteren Teilen, insbesondere Stäben oder Wellen mit Vollquerschnitt, zu dem Antriebsstrang verbunden, insbesonder verschweißt oder - klebt, werden.
In einer Ausführung ist eine erfindungsgemäße Antriebsstranganordnung an, insbesondere in, einem Antriebsmodul eines chirurgischen Instruments angeordnet, mit dem ein Instrumentenschaft, der einen Endeffektor aufweist, insbesondere lösbar, verbindbar ist. Die antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung kann insbesondere eine mechanische Schnittstelle zum Ankoppeln einer instrumentenschaftseitigen Antriebsstranganordnung zum Aktuieren des Endeffektors aufweisen. Ein
antriebsmodulseitiger Antriebsstrang kann insbesondere eine Welle eines
Elektromotors des Antriebs aufweisen oder mit dieser, insbesondere gelenkig, gekoppelt sein. Durch eine antriebsmodulseitige Messanordnung können in
vorteilhafter Weise Lasten weit entfernt von dem Endeffektor, insbesondere
extrakorporal, vorzugsweise hinter einer Sterilbarriere bzw. in einem sterilen Gehäuse des Antriebsmoduls, erfasst werden.
Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung eine erfindungsgemäße
Antriebsstranganordnung an, insbesondere in, einem Instrumentenschaft eines chirurgischen Instruments mit einem Endeffektor angeordnet sein, mit dem ein
Antriebsmodul, das einen Antrieb aufweist, insbesondere lösbar, verbindbar ist. Die instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung kann insbesondere eine
mechanische Schnittstelle zum Ankoppeln einer antriebsmodulseitigen Antriebsstranganordnung aufweisen, die mit dem Antrieb gekoppelt ist. Durch eine instrumentenschaftseitige Messanordnung können vorzugsweise Lasten in der Nähe des Endeffektors unmittelbar erfasst werden.
Eine antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung und eine
instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung, von denen an wenigstens einer eine Messanordnung zum Erfassen von Lasten in dieser Antriebsstranganordnung angeordnet ist, sind in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung über eine
Schnittstelle koppelbar bzw. lösbar gekoppelt.
Sie können in einer Ausführung translatorisch koppelbar bzw. gekoppelt sein.
Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass ein antriebsmodulseitiger und ein damit gekoppelter instrumentenschaftseitiger Antriebsstrang an der
Schnittstelle translatorisch beweglich sind bzw. bewegt werden, um einen
Freiheitsgrad des Endeffektors zu aktuieren, wobei diese translatorische Bewegung im weiteren antriebsmodulseitigen und/oder instrumentenschaftseitigen
Antriebsstrang in eine rotatorische Bewegung umgesetzt werden bzw. sein kann. Gleichermaßen können ein antriebsmodulseitiger und ein damit gekoppelter instrumentenschaftseitiger Antriebsstrang an der Schnittstelle rotatorisch gekoppelt sein bzw. werden, wobei diese rotatorische Bewegung in der Schnittstelle im weiteren antriebsmodulseitigen und/oder instrumentenschaftseitigen Antriebsstrang in eine translatorische Bewegung umgesetzt werden bzw. sein kann.
In einer Ausführung sind eine antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung und eine instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung, von denen an wenigstens einer eine Messanordnung zum Erfassen von Lasten in dieser Antriebsstranganordnung angeordnet ist, über eine Schnittstelle einseitig koppelbar bzw. lösbar gekoppelt. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass ein antriebsmodulseitiger und ein damit gekoppelter bzw. koppelbarer instrumentenschaftseitiger Antriebsstrang eine sogenannte einseitige Bindung aufweisen bzw. nur Kräfte oder Momente in einer Richtung übertragen können, insbesondere nur Druckkräfte. In einer Weiterbildung weisen ein antriebsmodulseitiger und ein damit gekoppelter bzw. koppelbarer instrumentenschaftseitiger Antriebsstrang an der Schnittstelle einander
gegenüberliegende, vorzugsweise fluchtende, Stößel auf, die verschieblich gelagert sind und aufeinander, wenigstens im Wesentlichen, nur Druckkräfte übertragen. In einer Ausführung sind eine antriebsmodulseitige und eine damit gekoppelte bzw. koppelbare instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung über eine, vorzugsweise folienartige und/oder flexible Sterilbarriere gekoppelt. Die Sterilbarriere kann in einer Ausführung translatorische Bewegungen der
Antriebsstranganordnungen an der Schnittstelle unter, vorzugweise elastischer, Deformation mitmachen und/oder beweglich, insbesondere verschieblich und/oder drehbar, gelagerte Kupplungselemente aufweisen.
Wie vorstehend erläutert, kann durch die erfindungsgemäße Messanordnung in einer Ausführung vorzugsweise eine aktive bzw. generalisierte Last direkt erfasst und so eine Rückmeldung an einen Teleoperateur verbessert werden. Entsprechend wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein manuelles Teleoperationsmittel eines chirurgischen Instruments auf Basis einer oder mehrerer durch die
Messanordnung erfassten Lasten gesteuert, wobei zur kompakteren Darstellung auch ein Regeln verallgemeinernd als Steuern im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet wird. Ein manuelles Teleoperationsmittel kann insbesondere einen oder mehrere Hebel, Handgriffe, Handschuhe, Joysticks oder ein sogenanntes
Spiegelinstrument aufweisen, dessen Bewegungen mit den Bewegungen des chirurgischen Instruments, vorzugsweise steuerungstechnisch, gekoppelt sind. Auf Basis von durch die Messanordnung erfassten Lasten kann ein solches
Teleoperationsmittel, insbesondere motorisch, aktuiert werden, um dem
Teleoperateur eine haptische Rückmeldung über den Operationsvorgang zu vermitteln. Insbesondere können auf den Endeffektor wirkende Kräfte auf Basis von durch die Messanordnung erfasste Lasten auf das Teleoperationsmittel aufgeprägt werden, um dem Teleoperateur ein Kraft-Feedback zu vermitteln. Zusätzlich oder alternativ können durch die Messanordnung erfasste Lasten auch zum Steuern, insbesondere Regeln, des Antriebs genutzt werden. Beispielsweise kann eine von einem Motor aufzuprägende Sollkraft mit einer Istkraft in einem
Antriebsstrang verglichen und auf dieser Basis der Motor geregelt werden.
Entsprechend ist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Steuermittel zum Steuern eines chirurgischen Instruments dazu eingerichtet, eine oder mehrere durch die Messanordnung erfasste Lasten weiterzu verarbeiten, insbesondere den Antrieb und/oder ein manuelles Teleoperationsmittel auf Basis von durch die Messanordnung erfassten Lasten zu steuern. Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder Software technisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene,
insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein
Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere den Antrieb und/oder das Teleoperationsmittel steuern kann.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein chirurgisches Instrument einen Instrumentenschaft und eine damit lösbar verbindbare, insbesondere
verbundene, Antriebseinheit auf. Das Instrument ist in einer Ausführung ein
robotergeführtes Instrument. Hierzu weist in einer Weiterbildung der
Instrumentenschaft und/oder die Antriebseinheit eine, insbesondere mechanische, signal- und/oder energietechnische, insbesondere elektrische, hydraulische und/oder pneumatische, Schnittstelle zum Befestigen an einem Roboter auf. In einer
Ausführung ist das Instrument ein minimalinvasives chirurgisches Instrument, dessen Instrumentenschaft zum teilweisen Einführen in einen Patienten durch eine lokale natürliche oder künstliche Öffnung, insbesondere eine Körperöffnung oder einen Trokar, vorgesehen ist.
Ein Instrumentenschaft nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist einen oder mehrere Freiheitsgrade auf. In einer Ausführung weist der Instrumentenschaft ein, insbesondere wenigstens im Wesentlichen zylindrisches, Rohr auf. Ein
Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes kann dann insbesondere ein
Gelenkfreiheitsgrad eines Gelenkes zwischen zwei Rohrstücken oder ein elastischer Freiheitsgrad eines flexiblen Rohres sein. In einer Ausführung weist der
Instrumentenschaft einen Endeffektor auf, insbesondere eine Zange, Klemme oder Klammer, ein Skalpell, einen Bohrer, eine Nadel bzw. Kanüle zum Aufnehmen und/oder Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Fluid und/oder eine Optik zum Aussenden und/oder Empfangen elektromagnetischer Strahlung, insbesondere ein Lichtwellenleiterende eines Endoskops oder Lasers. Ein Freiheitsgrad des
Instrumentenschaftes kann dann insbesondere ein Freiheitsgrad des Endeffektors sein, insbesondere ein translatorischer oder rotatorischer Freiheitsgrad gegenüber dem Rohr oder ein funktionaler Freiheitsgrad, insbesondere zum Öffnen bzw.
Schließen einer Zange, Klemme, Klammer, Kanüle und/oder Optik oder dergleichen. Ein funktionaler Freiheitsgrad im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Bewegungsmöglichkeit von zwei Endeffektorteilen relativ zueinander
beschreiben. In einer Ausführung kann das Rohr einen rotatorischen Freiheitsgrad gegenüber einem proximalen Instrumentengehäuse des Instrumentenschafts aufweisen.
Zum Aktuieren eines Freiheitsgrades weist der Instrumentenschaft ein oder mehrere, insbesondere gegensinnig wirkende, Eintriebsglieder auf. Ein Eintriebsglied ist in einer Ausführung translatorisch bzw. verschiebbar und/oder rotatorisch bzw. drehbar in einer Schnittstelle des Instrumentenschaftes gelagert, um durch eine translatorische bzw. rotatorische Bewegung einen Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes zu aktuieren. Es kann hierzu mit einem Rohr(teil) oder Endeffektor des
Instrumentenschaftes gekoppelt sein, insbesondere durch eine Druckstange, ein Zugseil bzw. Kabeltrum und/oder ein Getriebe, insbesondere zum Umsetzen einer translatorischen und rotatorischen Bewegung ineinander. In einer Ausführung weist der Instrumentenschaft, insbesondere eine Schnittstelle des Instrumentenschaftes zum Koppeln mit der Antriebseinheit, eine Eintriebsgliedanordnung mit mehreren Eintriebsgliedern auf. In einer Weiterbildung ist wenigstens ein Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes durch zwei, insbesondere gegenläufige, Eintriebsglieder gegensinnig aktuierbar, beispielsweise ein verschwenkbarer Endeffektor durch zwei gegenläufige Druckstangen auf- und abschwenkbar.
Eine Antriebseinheit nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Gehäuse und ein oder mehrere Antriebsmodule auf. Wenigstens ein, vorzugsweise alle Antriebsmodule weisen jeweils einen Antrieb und eine Abtriebsgliedanordnung mit einem oder mehreren beweglichen Abtriebsgliedern auf. Der Antrieb kann
insbesondere einen elektromagnetischen, hydraulischen oder pneumatischen Drehoder Linearmotor aufweisen, insbesondere ein Elektromotor sein. In einer Ausführung aktuiert der Antrieb genau ein Abtriebsglied. In einer anderen Ausführung aktuiert der Antrieb, insbesondere gegensinnig, zwei Abtriebsglieder. Ein oder mehrere Abtriebsglieder sind in einer Ausführung translatorisch bzw.
verschiebbar und/oder rotatorisch bzw. drehbar in einer Schnittstelle des
Antriebsmoduls gelagert, um durch eine translatorische bzw. rotatorische Bewegung einen Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes zu aktuieren. Ab- und
Eintriebsgliedanordnung können in einer Ausführung direkt oder über eine Kupplung einseitig gekoppelt werden bzw. sein. Hierunter wird in fachüblicher Weise verstanden, dass Kräfte nur in einer Aktuierungsrichtung von dem Abtriebs- auf das Eintriebsglied übertragbar sind, während Abtriebs- und Eintriebsglied sich in der entgegengesetzten Richtung voneinander entfernen können. In einer Weiterbildung weist eine
Abtriebsgliedanordnung zwei gegenläufige bzw. gegensinnig aktuierte Abtriebsglieder, insbesondere zwei Druckstangen, auf, die einseitig mit entsprechenden gegenläufigen Eintriebsgliedern direkt oder über eine Kupplung koppelbar bzw. gekoppelt sind. In einer anderen Ausführung sind Ab- und Eintriebsgliedanordnung direkt oder über eine Kupplung zweiseitig koppelbar bzw. gekoppelt. Hierunter wird entsprechend
verstanden, dass Kräfte in zwei entgegengesetzten Aktuierungsrichtungen von dem Abtriebs- auf das Eintriebsglied übertragbar sind. In einer Weiterbildung weist eine Abtriebsgliedanordnung ein drehbares Abtriebsglied, insbesondere eine Abtriebswelle eines Elektromotors oder Getriebes, auf, das drehfest mit einem entsprechenden drehbaren Eintreibsglied koppelbar bzw. gekoppelt ist. Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein antiparalleles Kräftepaar, d.h. ein Drehmoment,
verallgemeinernd als Kraft bezeichnet.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere Antriebsmodule in dem, insbesondere geschlossenen, Gehäuse der Antriebseinheit jeweils in einer Koppelrichtung bzw. gegen die Eintriebsgliedanordnung beweglich gelagert und vorgespannt. Die Koppelrichtungen von zwei, vorzugsweise allen, Antriebsmodulen können, wenigstens im Wesentlichen, parallel sein. Gleichermaßen können die
Koppelrichtungen von zwei Antriebsmodulen einen Winkel einschließen, dessen Betrag vorzugsweise kleiner als 90°, insbesondere kleiner als 45° ist.
Indem nicht oder nicht nur die einzelnen Abtriebsglieder vorgespannt werden, wie dies die eingangs genannte WO 201 1/143022 A1 vorschlägt, sondern nach diesem Aspekt ausschließlich oder zusätzlich das Antriebsmodul in dem Gehäuse und dadurch dessen Abtriebsgliedanordnung als Ganzes, kann in einer Ausführung die Kopplung zwischen Abtriebs- und Eintriebsanordnung verbessert werden. Zusätzlich oder alternativ können das Gewicht, der Bauraum und/oder -aufwand reduziert und/oder die Bedienung verbessert werden. In einer Ausführung weist ein Antriebsmodul ein hydraulisches, ein pneumatisches und/oder ein elastisches Federmittel, insbesondere wenigstens ein Hydraulik- oder Pneumatikzylinder und/oder eine Druck- und/oder Zugfeder, zum Vorspannen auf, das das Antriebsmodul in dem Gehäuse fesselt und in Koppelrichtung bzw. gegen die Eintriebsgliedanordnung vorgespannt ist. Ein hydraulisches oder pneumatisches Federmittel kann in einer Weiterbildung schaltbare ausgebildet sein, insbesondere in einen drucklosen Zustand, in dem es, wenigstens im Wesentlichen, keine Kraft ausübt. Vorteilhaft erfordert die Verstellung des Antriebsmoduls im Gehäuse nach einem Wegnehmen des Überdrucks eines hydraulischen oder pneumatischen Federmittels keine nennenswerte Bedienkraft. Zusätzlich oder alternativ kann ein Antriebsmodul in einer Ausführung eine
Magnetanordnung zum Vorspannen des Antriebsmoduls aufweisen. Die
Magnetanordnung kann einen oder mehrere Permanent- oder Elektromagnete aufweisen, die an dem einen von dem Gehäuse und dem Antriebsmodul angeordnet sind. Das andere von dem Gehäuse und dem Antriebsmodul kann einen oder mehrere weitere Elektromagnete und/oder hart- oder weichmagnetische Bereiche, insbesondere wenigstens einen weiteren Permanentmagneten, aufweisen, der diesem bzw. diesen Permanent- oder Elektromagneten vorzugsweise gegenüberliegt und von diesem magnetisch permanent oder bei Bestromung angezogen oder abgestoßen wird. In einer Ausführung ist wenigstens ein Permanent- oder Elektromagnet an dem
Gehäuse auf einer instrumentenschaftabgewandten Seite angeordnet und,
vorzugsweise diesem gegenüberliegend, wenigstens ein weiterer Elektromagnet oder hart- oder weichmagnetischer Bereich, insbesondere wenigstens ein weiterer
Permanentmagnet, an dem Antriebsmodul angeordnet. Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Permanent- oder Elektromagnet an dem Gehäuse auf einer instrumentenschaftzugewandten Seite angeordnet und, vorzugsweise diesem gegenüberliegend, wenigstens ein weiterer Elektromagnet oder hart- oder weichmagnetischer Bereich, insbesondere wenigstens ein weiterer Permanentmagnet, an dem Antriebsmodul angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Permanent- oder Elektromagnet an dem Antriebsmodul auf einer
instrumentenschaftabgewandten Seite angeordnet und, vorzugsweise diesem gegenüberliegend, wenigstens ein weiterer Elektromagnet oder hart- oder
weichmagnetischer Bereich, insbesondere wenigstens ein weiterer Permanentmagnet, an dem Gehäuse angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Permanent- oder Elektromagnet an dem Antriebsmodul auf einer
instrumentenschaftzugewandten Seite angeordnet und, vorzugsweise diesem gegenüberliegend, wenigstens ein weiterer Elektromagnet oder hart- oder
weichmagnetischer Bereich, insbesondere wenigstens ein weiterer Permanentmagnet, an dem Gehäuse angeordnet sein. Durch magnetische Anziehung bzw. Abstoßung zwischen diesen kann das Antriebsmodul in dem Gehäuse gegen die
Eintriebsgliedanordnung vorgespannt werden. Während bei einer Vorspannung durch ein Federmittel, beispielsweise infolge der Entspannung einer mechanischen Feder oder einer Volumenvergrößerung eines Hydraulik- oder Pneumatikvolumens, die Vorspannkraft mit zunehmender Verstellung des Antriebsmoduls im Gehäuse abnimmt, kann eine (elektro)magentische
Vorspannung bei zunehmender Verstellung des Antriebsmoduls im Gehäuse
vorteilhafterweise zunehmen.
In einer Weiterbildung weist die Magnetanordnung einen oder mehrere wahlweise, insbesondere gesteuert, bestrombare Elektromagnete auf. Auf diese Weise kann die Vorspannung wahlweise, insbesondere gesteuert aufgeprägt werden. Zur
kompakteren Darstellung wird vorliegend auch ein Regeln, d.h. die Vorgabe einer Steuergröße auf Basis einer erfassten Ist-Größe, verallgemeinernd als Steuern bezeichnet.
In einer Ausführung weist die Magnetanordnung ein oder mehrere, vorzugsweise unmagnetische, Abstandselemente auf, die einen direkten Kontakt zwischen einem Elektro- oder Permanetmagneten an einem von dem Gehäuse der Antriebseinheit und dem Antriebsmodul mit einem weich- oder hartmagnetischen Bereich, insbesondere einem (weiteren) Permanetmagneten an dem anderen von dem Gehäuse der Antriebseinheit und dem Antriebsmodul verhindern, um so einen magnetischen
Kurzschluss zu vermeiden, zu dessen Lösen eine übermäßige Kraft erforderlich wäre.
Beim oder nach dem Koppeln von Ab- und Eintriebsanordnung bzw. Antriebseinheit und Instrumentenschaft muss nach dem vorstehend erläuterten Aspekt die
Vorspannung des Antriebsmoduls aufgebaut werden.
Dies kann in einer Ausführung, wie vorstehend erläutert, durch wahlweises Bestromen eines oder mehrerer Elektromagnete der Magnetanordnung erfolgen. Auf diese Weise muss ein Bedienpersonal, insbesondere bei den hohen Anforderungen im OP-Betrieb, vorteilhaft allenfalls geringe Kräfte zum Koppeln von Antriebseinheit und
Instrumentenschaft aufbringen.
Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung eine, insbesondere mechanische und/oder magnetische, Rückzuganordnung zum Zurückziehen des Antriebsmoduls gegen die Vorspannung vorgesehen sein. So kann in einer Ausführung eine
Magnetanordnung wahlweise aktiviert werden, um das Antriebsmodul unter (weiterem) Vorspannen eines Federmittels von der Eintriebsanordnung weg zu ziehen. Wird die Bestromung der Magnetanordnung, vorzugsweise gesteuert, beispielsweise linear, reduziert, baut das Federmittel die Vorspannung auf.
Eine Weiterbildung basiert auf der Idee, den Arbeitsbereich des Antriebs des
Antriebsmoduls aufzuteilen in einen Aktuierbereich, in dem der Antrieb die
Abtriebsgliedanordnung zum Aktuieren eines Freiheitsgrads des
Instrumentenschaftes aktuiert, und einem hiervon verschiedenen Rückzugbereich, in dem der Antrieb die Rückzuganordnung aktuiert. Beide Bereiche können
insbesondere durch einen mechanischen Anschlag für ein Abtriebsmittel des Antriebs voneinander getrennt sein, wobei das Abtriebsmittel das Antriebsmodul gegen die Vorspannung verschiebt, wenn es sich an dem mechanischen Anschlag abstützt.
Indem der Antrieb über den Aktuierbereich hinaus verstellt wird, kann so durch entsprechende Steuerung des Antriebs das Antriebsmodul vorzugsweise motorisch gegen die Vorspannung zurückgezogen werden, was, wie vorstehend erläutert, das Koppeln von Instrumentenschaft und Antriebseinheit vorteilhaft vereinfacht. In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Antriebseinheit eine Antriebsmodul- Verriegelungsanordnung zum Verriegeln des zurückgezogenen Antriebsmoduls auf. Diese kann insbesondere mechanisch, vorzugsweise form- und/oder reibschlüssig, und/oder (elektro)magnetisch und/oder pneumatisch ausgebildet sein. In einer exemplarischen Ausführung kann ein Riegel verstellt werden und das Abtriebsmodul gegen eine vorspannungsinduzierte Verstellung in Koppelrichtung sichern. Auf diese Weise kann das (stärker vorgespannte) Antriebsmodul bzw. dessen
Abtriebsanordnung in einer Ausführung auch, wenn Antriebseinheit und
Instrumentenschaft miteinander verbunden werden bzw. sind, von der
Eintriebsanordnung beabstandet werden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt die Koppelrichtung, in der das Antriebsmodul in dem Gehäuse der Antriebseinheit beweglich gelagert und
vorgespannt ist, mit einer Längsachse des Instrumentenschaftes einen Winkel ein, dessen Betrag größer ist als 0°, insbesondere größer als 45°. In einer Ausführung beträgt der Winkel, wenigstens im Wesentlichen, 90° bzw. die Koppelrichtung ist, wenigstens im Wesentlichen, senkrecht bzw. orthogonal zur Längsachse des
Instrumentenschaftes.
Indem die Koppelrichtung nicht parallel zur Längsachse des Instrumentenschaftes ist, wie dies in der eingangs genannten WO 201 1/143022 A1 der Fall ist, sondern nach diesem Aspekt mit der Längsachse einen von Null verschiedenen, insbesondere rechten, Winkel einschließt, interferieren in einer Ausführung vorteilhaft
Deformationen des Instrumentenschaftes nicht oder nur weniger mit der Vorspannung, da deren Kraftrichtungen nicht übereinstimmen. Auf diese Weise kann vorzugsweise insbesondere eine Longitudinalschwingung im Instrumentenschaft von der
Vorspannung des Antriebsmoduls, wenigstens teilweise, entkoppelt und diese so verbessert werden.
Die Koppelrichtung kann in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, mit einer Aktuierungsrichtung der Ab- und/oder Eintriebsgliedanordnung übereinstimmen. Unter einer Koppelrichtung wird insbesondere eine Bewegungsrichtung verstanden, in der ein Ab- bzw. Eintriebsglied beweglich gelagert und vorgespannt ist bzw. wird, um mit einem entsprechenden Ein- bzw. Abtriebsglied zu koppeln. Unter einer
Aktuierungsrichtung wird insbesondere eine Bewegungsrichtung verstanden, in der ein Ab- bzw. Eintriebsglied beweglich ist, um einen Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes zu aktuieren. Sind beispielsweise ein Ab- und ein damit gekoppeltes Eintriebsglied als einseitig gekoppelte Druckstangen bzw. -Stößel ausgebildet, stellt die Längsachsenrichtung des Stößelpaares, in der der Ab- gegen den Eintriebsstößel vorgespannt ist, die Koppelrichtung dar. Diese stellt auch die Aktuierungsrichtung dar, in der das Stößelpaar durch den Antrieb bewegt wird, um einen Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes zu aktuieren. Sind in einem anderen Beispiel ein Ab- und ein damit gekoppeltes Eintriebsglied als zweiseitig drehfest gekoppelte Wellen ausgebildet, stellt die Längsachsenrichtung des Wellenpaares, um die das Stößelpaar durch den Antrieb gedreht wird, um einen Freiheitsgrad des
Instrumentenschaftes zu aktuieren, die Aktuierungsrichtung dar. Diese stellt auch die Koppelrichtung dar, in der die Ab- gegen die Eintriebswelle vorgespannt ist.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Instrumentenschaft eine Aufnahme zur, insbesondere formschlüssigen, lösbaren Befestigung einer
Antriebseinheit auf.
Die Antriebseinheit kann in einer Ausführung durch einen Bajonettverschluss formschlüssig lösbar in der Aufnahme befestigbar bzw. befestigt sein bzw. werden. Hierzu kann eine von der Antriebseinheit und der Aufnahme eine oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die infolge einer Verdrehung der Antriebseinheit in der Aufnahme in entsprechende Aussparungen der anderen von der Antriebseinheit und der Aufnahme eingreifen. Gleichermaßen kann eine von der Antriebseinheit und der Aufnahme eine oder mehrere Vorsprünge aufweisen, die infolge einer Verschiebung der Antriebseinheit innerhalb der Aufnahme, vorzugsweise durch Aufbringen einer Vorspannkraft, in entsprechende Aussparungen der anderen von der Antriebseinheit und der Aufnahme eingreifen und/oder in diesen verschoben werden. In einer
Ausführung erstreckt sich eine Aussparung quer, insbesondere senkrecht, zu einer Einführrichtung der Antriebseinheit in die Aufnahme, so dass ein Vorsprung nach Einführen der Antriebseinheit in die Aufnahme quer zur Einführrichtung in der Aussparung verschoben werden kann und in dieser verschobenen Stellung die Antriebseinheit formschlüssig gegen ein Herausziehen aus der Aufnahme sichert. Vorzugsweise erfolgt diese Verschiebung durch Aufprägen der Vorspannkraft, so dass die Verschiebung nach Wegfall der Vorspannkraft reversibel ist, um die
Antriebseinheit wieder aus der Aufnahme herauszuziehen. Die Aufnahme kann in einer Ausführung eine ein- oder mehrteilige, insbesondere formschlüssige, Führung zum Einführen der Antriebseinheit in einer Einführrichtung aufweisen. Die Führung kann insbesondere eine oder mehrere Führungsnuten und/oder -rippen aufweisen, die dazu ausgebildet sind, mit entsprechenden
Vorsprüngen bzw. Vertiefungen an der Antriebseinheit formschlüssig
zusammenzuwirken. Auf diese Weise kann das Verbinden bzw. Lösen von
Antriebseinheit und Instrumentenschaft verbessert werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Aufnahme in einer Ausführung eine Einführöffnung zum Einführen der Antriebseinheit in einer Einführrichtung aufweisen. Die
Einführöffnung kann in einer Weiterbildung, insbesondere durch eine verschwenk- und/oder -schiebbare Klappe, verschließbar sein, um die Antriebseinheit entgegen der Einführrichtung zu sichern, insbesondere festzulegen.
Zusätzlich oder alternativ kann der Instrumentenschaft eine Antriebseinheit- Verriegelungsanordnung zum, insbesondere form- und/oder reibschlüssigen,
Verriegeln der Antriebseinheit in der Aufnahme aufweisen, insbesondere eines beweglichen, vorzugsweise vorgespannten, Riegels, der in der Antriebseinheit einrastet, wenn diese in der Aufnahme platziert ist.
Zusätzlich oder alternativ kann die Aufnahme relativ zu einer Längsachse des
Instrumentenschafts beweglich, insbesondere verschwenkbar, sein. Dies ermöglicht es in einer Ausführung, die Antriebseinheit zunächst, wenigstens teilweise, in die in eine Aufnahmestellung bewegte, insbesondere verschwenkte Aufnahme einzuführen, und dann die Aufnahme in eine Verriegelungsstellung zu bewegen, insbesondere zu verschwenken, wobei die Antriebseinheit vorzugsweise in der Verriegelungsstellung der Aufnahme formschlüssig fixiert ist. Auf diese Weise kann insbesondere der Zugang zur Aufnahme verbessert und zugleich eine Fixierungsfunktionalität der Antriebseinheit in der Aufnahme integriert werden.
Die Einführrichtung kann in einer Ausführung, wenigstens im Wesentlichen, senkrecht zur Längsachse des Instrumentenschaftes sein. Die Einführöffnung kann dann insbesondere auf der instrumentenschaftabgewandten Seite angeordnet sein, insbesondere, um einen Antriebseinheitenwechsel bei teilweise in einen Patienten eingeführtem Instrumentenschaft zu erleichtern. Gleichermaßen kann die Einführöffnung in einer Ausführung auf der instrumentenschaftzugewandten Seite angeordnet sein, insbesondere, um eine Interferenz zwischen mehreren
kooperierenden chirurgischen Instrumenten zu vermeiden.
In einer anderen Ausführung kann die Einführrichtung, wenigstens im Wesentlichen, parallel zur Längsachse des Instrumentenschaftes sein. Die Einführöffnung kann dann wiederum insbesondere auf der instrumentenschaftabgewandten Seite angeordnet sein, insbesondere, um einen Antriebseinheitenwechsel bei teilweise in einen
Patienten eingeführtem Instrumentenschaft zu erleichtern.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung stehen ein oder mehrere bewegliche Eintriebsglieder einer Eintriebsgliedanordnung zum Aktuieren eines Freiheitsgrades eines Instrumentenschaftes, wenigstens im Wesentlichen, senkrecht zu einer
Längsachse des Instrumentenschaftes zu einer Aufnahme des Instrumentenschaftes für eine Antriebseinheit hin vor. In einer Ausführung ist eine Schnittstelle bzw.
Kontaktebene der Eintriebsgliedanordnung, wenigstens im Wesentlichen, parallel zur Längsachse.
Indem die Eintriebsglieder nicht parallel zur Längsachse des Instrumentenschaftes vorstehen, wie dies in der eingangs genannten WO 201 1/143022 A1 der Fall ist, sondern nach diesem Aspekt wenigstens im Wesentlichen, senkrecht, interferieren in einer Ausführung vorteilhaft Deformationen des Instrumentenschaftes nicht oder nur weniger mit der Kopplung der Ab- und Eintriebsanordnung. Auf diese Weise kann vorzugsweise insbesondere eine Longitudinalschwingung im Instrumentenschaft, wenigstens teilweise, entkoppelt werden.
Insbesondere, um ein Einführen einer Antriebseinheit in eine Aufnahme eines
Instrumentenschaftes zu verbessern, kann in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Eintriebsgliedanordnung des Instrumentenschaftes und/oder eine Abtriebsgliedanordnung der Antriebseinheit in einer Vertiefung, insbesondere in Koppelrichtung, angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Antriebseinheit ein, insbesondere konvergentes und/oder bewegliches, Verdrängungsmittel zum Verdrängen der Eintriebsgliedanordnung des Instrumentenschaftes bei einem
Einführen der Antriebseinheit in die Aufnahme des Instrumentenschaftes aufweisen. Das bewegliche Verdrängungsmittel kann insbesondere eine oder mehrere drehbare Rollen aufweisen, welche beim Einführen überdurchschnittlich vorstehende
Eintriebsglieder einer Eintriebsgliedanordnung zurückdrängen und so die
Eintriebsgliedanordnung nivellieren. Zusätzlich oder alternativ kann das
Verdrängungsmittel eine in Einführrichtung konvergierende, insbesondere
abgeschrägte oder konvexe, Fläche zum Zurückdrängen überdurchschnittlich vorstehender Eintriebsglieder aufweisen. Nach Überlaufen der Rolle(n) und/oder konvexen Fläche, stehen die Eintriebsglieder vorzugsweise, wenigstens im
Wesentlichen, gleichmäßig zu der Aufnahme des Instrumentenschaftes hin vor. An eine in Einführrichtung konvergierende, insbesondere abgeschrägte oder konvexe, Fläche kann sich in einer Weiterbildung eine in Einführrichtung divergierende, insbesondere gegensinnig abgeschrägte oder konvexe, Fläche anschließen, um auch bei einem Ausführen der Antriebseinheit aus der Aufnahme vorstehende
Eintriebsglieder zurückzudrängen.
Ein chirurgisches Instrument nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Antriebsmodul mit einem oder mehreren drehbaren Abtriebsgliedern auf. Ein
Abtriebsglied ist in einer Ausführung eine Abtriebswelle eines Aktuators des
Antriebsmoduls, insbesondere eines Elektromotors oder eines damit gekoppelten Getriebes. In einer Ausführung ist ein Abtriebsglied unbegrenzt drehbar, in einer anderen Ausführung um höchstens 360°, vorzugsweise um höchstens 215°. Das chirurgische Instrument weist weiter einen Instrumentenschaft auf, der mit dem Antriebsmodul lösbar verbindbar, insbesondere verbunden ist. Der Instrumentenschaft weist einen oder mehrere, insbesondere intrakorporale, Freiheitsgrade auf.
In einer Ausführung weist der Instrumentenschaft ein starres, gelenkiges oder biegsamens Rohr auf, an dessen distalem Ende ein Endeffektor, insbesondere ein Skalpell, eine Zange, Schere, Klemme, Nadel, Pipette oder dergleichen angeordnet sein kann. Der Endeffektor kann eine Öffnung zum Ein- und/oder Austreten von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Optik einer Kamera oder eines Lasers, und/oder von gasförmigen und/oder flüssigen Fluid, insbesondere eine Saugbzw. Spüldüse, aufweisen. Der Endeffektor kann einen oder mehrere funktionale Freiheitsgrade, beispielsweise das Öffnen und Schließen einer Zange oder Öffnung, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Endeffektor einen oder mehrere kinematische Freiheitsgrade, beispielsweise das Drehen und/oder Verschieben einer Zange oder Öffnung, aufweisen. Ein intrakorporaler Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes kann insbesondere ein funktionaler oder kinematischer Freiheitsgrad eines Endeffektors oder ein Gelenk- bzw. elastischer Freiheitsgrad des gelenkigen oder biegsamen
Rohrs sein. In einer Ausführung weist das Rohr einen oder mehrere Drehfreiheitsgrade um seine Längsachse auf. Diese können durch intra- und/oder extrakorporale
Drehgelenke implementiert sein. Zur kompakteren Darstellung werden auch solche Drehfreiheitsgrade um die Rohrlängsachse als intrakorporale Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes bezeichnet, da sie eine Drehbarkeit eines intrakorporalen Schaftendes, insbesondere Endeffektors darstellen. Um einen oder mehrere
Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes durch das damit verbundene Antriebsmodul zu aktuieren, weist der Instrumentenschaft ein oder mehrere verschiebbar geführte Eintriebsglieder auf, die mit einem Abtriebsglied des Antriebsmoduls gekoppelt werden bzw. sind, wenn Antriebsmodul und Instrumentenschaft miteinander verbunden sind. Ein Eintriebsglied aktuiert in einer Ausführung einen oder mehrere Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes. Gleichermaßen können auch mehrere Eintriebsglieder denselben Freiheitsgrad aktuieren. In einer Ausführung ist ein
Eintriebsglied durch ein oder mehrere, insbesondere gegensinnige, Zug- und/oder Druckmittel, beispielsweise Seilzüge oder Druckstangen, mit dem Rohr oder dem Endeffektor des Instrumentenschaftes verbunden, wobei das Zug- und/oder
Druckmittel vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer
Verschiebeachse des Eintriebsgliedes ist. In einer Ausführung ist ein Eintriebsglied formschlüssig und/oder zwischen zwei Endanschlägen, verschiebbar geführt. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit eine Drehbewegung wenigstens eines Abtriebsgliedes in einer Schnittstelle zwischen dem Antriebsmodul und dem Instrumentenschaft in eine translatorische, insbesondere lineare, Bewegung eines mit dem Abtriebsglied gekoppelten Eintriebsgliedes umgesetzt.
Hierzu sind Ab- und Eintriebsglied nach einem Aspekt in der Schnittstelle
kreuzschubkurbelartig koppelbar bzw. gekoppelt. Nach einem Aspekt der
vorliegenden Erfindung weist die Schnittstelle eine, insbesondere gerade bzw. lineare, Nut und ein Führungselement auf, das in der Nut verschiebbar geführt ist, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. In einer Ausführung ist die Nut an, insbesondere in, dem Eintriebsglied angeordnet. Die Nut kann in einer Weiterbildung quer, insbesondere wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer Verschiebeachse des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes sein bzw. mit dieser einen Winkel einschließen, dessen Betrag vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegt. Das Führungselement ist, vorzugsweise exzentrisch, an dem drehbaren Abtriebsglied angeordnet. Die Drehachse des drehbaren Abtriebsgliedes ist in einer Weiterbildung quer, insbesondere wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer Verschiebeachse des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes und/oder der Nut.
Insbesondere kann in einer Ausführung die Drehachse mit der Verschiebeachse und/oder mit der Nut jeweils einen Winkel einschließen, dessen Betrag vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegt.
Gleichermaßen kann umgekehrt die Nut an dem Abtriebsglied angeordnet sein, das Führungselement entsprechend an dem Eintriebsglied.
Das Eintriebsglied ist in einer Ausführung verschiebbar an dem Instrumentenschaft geführt. Zusätzlich oder alternativ kann es an dem mit dem Instrumentenschaft verbundenen Antriebsmodul verschiebbar geführt sein. Insbesondere kann das Eintriebsglied mit einem größeren Spiel, insbesondere lose, verschiebbar an dem Instrumentenschaft geführt sein und mit einem kleineren Spiel, insbesondere wenigstens im Wesentlichen spielfrei, an dem Antriebsmodul verschiebbar geführt sein, wenn dieses mit dem Instrumentenschaft verbunden ist. Hierdurch kann die aufwändigere, präzisere Führung auf das Antriebsmodul verlagert und so der
Instrumentenschaft einfacher und/oder kostengünstiger, insbesondere leichter sterilisierbar und/oder als Einmalartikel ausgebildet werden bzw. sein. Sobald
Instrumentenschaft und Antriebsmodul verbunden sind, übernimmt dieses die - präzisere - Führung des Eintriebsgliedes. In einer Ausführung ist das Eintriebsglied unverlierbar, insbesondere formschlüssig, an dem Instrumentenschaft gesichert.
In einer Ausführung weist das Führungselement einen oder mehrere drehbar gelagerte Wälzkörper zum Kontaktieren der Nut auf. Hierdurch kann in einer
Ausführung vorteilhaft die Reibung zwischen Führungselement und Nut reduziert werden. In einer Weiterbildung weist das Führungselement einen Zapfen auf, auf dem wenigstens ein Wälzkörper in Form eines Laufrings gleitgelagert ist, der ebenfalls einen Wälzkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen kann. Zur kompakteren Darstellung werden also auch ein oder mehrere konzentrische Ringe, deren lnner(st)er auf dem Zapfen angeordnet ist und deren Äußer(st)er die Nut kontaktiert, und von denen wenigstens einer radial innen und/oder außen gleitgelagert ist, zur kompakteren Darstellung verallgemeinernd als Wälzkörper bezeichnet, auch wenn sie keine Roll- bzw. Abwälzbewegung ausführen. In einer anderen Ausführung sind zwischen dem Zapfen und dem Laufring mehrere in Umfangsrichtung verteilte Wälzkörper, insbesondere eines Kugel-, Nadel- oder Zylinderrollenlagers, angeordnet. In einer anderen Ausführung sind auf dem Zapfen ein oder mehrere Wälzkörper, insbesondere eines außenringlosen Kugel-, Nadel- oder Zylinderrollenlagers, angeordnet, die die Nut kontaktieren, wenn Ab- und Eintriebselement gekoppelt sind.
Zum Koppeln von Ab- und Eintriebselement kann ein Spiel zwischen der Nut und dem Führungselement in der Verschiebeachse vorteilhaft sein. Auf der anderen Seite ist zur präzisen Aktuierung des Instrumentenschaftes durch das Antriebsmodul eine möglichst spielfreie Kopplung in dieser Achse vorteilhaft. Daher ist in einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Toleranzelement vorgesehen, welches das Abtriebsglied und das Eintriebsglied in der Verschiebeachse des Eintriebsgliedes verspannt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. In einer
Weiterbildung verspannt das Toleranzelement das am Abtriebsglied angeordnete Führungsglied gegen das Eintriebsglied oder das am Eintriebsglied angeordnete Toleranzelement das Führungsglied gegen das Abtriebsglied. Dieses
Toleranzelement kann in einer Ausführung eine präzise Übertragung von
Bewegungen zwischen Ab- und Eintriebsglied bewirken und andererseits beim An- bzw. Abkoppeln gegen seine Vorspannung ausweichen und dieses so verbessern. In einer Ausführung weist das Toleranzelement eine Toleranzelementnut auf, die vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen parallel zu der Nut der Schnittstelle ist und von dem Führungselement durchgriffen wird, wenn Ab- und Eintriebselement gekoppelt sind.
In einer Weiterbildung ist das Toleranzelement an dem Eintriebsglied und/oder dem Führungselement verschiebbar geführt und gegen dieses elastisch vorgespannt.
Gleichermaßen kann es integral mit dem Eintriebsglied oder Führungselement ausgebildet sein, insbesondere durch einen Hohlraum, in den ein integraler Schenkel einfedern kann, der ein- oder beidseitig gelagert ist. Das Toleranzelement ist in einer Ausführung parallel zu einer Verschiebeachse des verschiebbar geführten Eintriebsglieds verschiebbar geführt und vorgespannt.
Zusätzlich oder alternativ kann das Toleranzelement axial auf dem Führungselement geführt und vorgespannt sein. In einer Ausführung weisen die Nut und das
Führungselement, insbesondere ein Wälzkörper des Führungselementes, und/oder das Toleranzelement, insbesondere gegensinnige, komplementäre Schrägen auf. Insbesondere durch axiales Zustellen solcher Schrägen kann in einer Ausführung ebenfalls das Toleranzelement (auch) in Verschiebeachsen vorspannen und so die Führung des Führungselements in der Nut verbessern. Eine oder mehrere der Schrägen können in einer Weiterbildung konvex, insbesondere bogenförmig ausgebildet sein, vorzugsweise in der Art eines Axial-Pendelrollenlagers mit asymmetrischen Tonnenrollen.
Um Ab- und Eintriebsglied miteinander beim oder nach dem Verbinden von
Antriebsmodul und Instrumentenschaft zu koppeln bzw. vor oder beim Lösen von Antriebsmodul und Instrumentenschaft voneinander zu entkoppeln, ist das
Führungselement in einer Ausführung axial verschiebbar gelagert. Hierdurch kann es axial in die Nut ein- bzw. aus dieser ausgeführt werden.
In einer Weiterbildung ist das axial verschiebbar gelagerte Führungselement axial vorgespannt. Auf diese Weise kann es in einer Ausführung selbsttätig in die Nut einfahren und/oder in dieser elastisch gesichert sein.
In einer Ausführung ist eine Kulisse zum axialen Verschieben des Führungselements vorgesehen. Auf diese Weise kann durch Drehen des Abtriebsgliedes zunächst über die Kulisse das Führungselement verschoben und so in und/oder außer Eingriff mit der Nut gebracht werden. Die Kulisse kann insbesondere eine oder mehrere
Schrägen in Drehrichtung aufweisen, auf denen ein Vorsprung, vorzugsweise ein Bund, des Führungselements durch Drehen des Abtriebsglieds aufläuft und das Führungselement so axial verschiebt. In einer Weiterbildung weist die Kulisse zwei in Drehrichtung voneinander beabstandete gegensinnige Schrägen auf, an denen der Vorsprung in in Drehrichtung voneinander beabstandeten Drehstellungen aufläuft und das Führungselement auf diese Weise in den verschiedenen Drehstellungen gegensinnig axial verschiebt. Der Drehbereich zum axialen Verschieben des Führungselements schließt in einer Ausführung an einen Drehbereich des Abtriebsgliedes zum Aktuieren des damit gekoppelten Eintriebsgliedes an. Auf diese Weise kann durch (Weiter) Drehen des Abtriebsgliedes das Eintriebsglied an- oder abgekoppelt und anschließend bzw. zuvor das Eintriebsglied aktuiert werden.
Das Führungselement kann an dem Ab- oder Eintriebsglied axial verschiebbar gelagert und vorgespannt sein. Gleichermaßen kann das Führungselement zusammen mit dem Ab- oder Eintriebsglied axial verschiebbar gelagert und
vorgespannt sein. Insbesondere hierzu kann das Abtriebsglied an dem Antriebsmodul und/oder das Eintriebsglied an dem Instrumentenschaft, vorzugsweise parallel zur Drehachse des Abtriebsgliedes, verschiebbar gelagert und vorgespannt sein.
Um Ab- und Eintriebsglied miteinander beim oder nach dem Verbinden von
Antriebsmodul und Instrumentenschaft zu koppeln bzw. vor oder beim Lösen von Antriebsmodul und Instrumentenschaft voneinander zu entkoppeln, weist in einer Ausführung eine Führungswand der Nut eine Öffnung zum Einführen des
Führungselementes durch Drehen des Abtriebsgliedes auf. Hierdurch kann das Führungselement in die Nut ein- bzw. aus dieser herausgedreht werden. Die Öffnung kann insbesondere durch einen verkürzten Schenkel eines offenen bzw. U-förmigen oder im Übrigen geschlossenen bzw. O-förmigen Schenkelpaares ausgebildet sein, das seinerseits die Nut definieren kann.
Es kann, insbesondere zur Erfassung einer Koordinate eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes auf Basis der Drehstellung des damit gekoppelten
Abtriebsgliedes, vorteilhaft sein, wenn An- und Eintriebsglied bzw. Führungselement und Nut, wenigstens im Wesentlichen, eineindeutig miteinander koppeln, so dass jeder Position des Eintriebsgliedes in seiner Verschiebeachse genau eine
Drehstellung des Abtriebsgliedes entspricht.
Insbesondere daher ist in einer Ausführung die Nut asymmetrisch zur Drehachse des Abtriebsgliedes und/oder einer Verschiebeachse des Eintriebsglieds ausgebildet. In einer Weiterbildung erstreckt sie sich, wenigstens im Wesentlichen, nur bis zu dieser Drehachse. In einer Ausführung ist das Eintriebsglied mit genau einem Zug- und/oder Druckmittel verbunden, das, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer Verschiebeachse des Eintriebsgliedes ist. Hierdurch kann eine Bewegung des Eintriebsglieds vorteilhaft präzise und einfach in eine Aktuierung eines Freiheitsgrades des
Instrumentenschaftes umgesetzt werden.
Ein chirurgisches Instrument nach der vorliegenden Erfindung kann insbesondere als minimalinvasives und/oder robotergeführtes Instrument verwendet werden. Hierzu weist in einer Ausführung das Instrument, insbesondere der Instrumentenschaft und/oder das Antriebsmodul, eine Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter auf. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend ein Roboter mit einem damit, vorzugsweise lösbar, über eine Schnittstelle verbundenen Instrument unter Schutz gestellt, wie es hier offenbart ist. Gleichermaßen wird ein Antriebsmodul bzw. ein Instrumentenschaft für ein solches chirurgisches Instrument unter Schutz gestellt, das bzw. der eine oder mehrere Nuten oder Führungselemente der hier offenbarten Schnittstelle des chirurgischen Instruments aufweist, um mit
entsprechenden Führungselementen bzw. Nuten eines Instrumentenschaftes bzw. Antriebsmoduls zu koppeln.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden bei oder nach einem
Verbinden des Antriebsmoduls und des Instrumentenschaftes eines vorstehend erläuterten chirurgischen Instruments das bzw. die Führungselemente in die entsprechende(n) Nut(en) rotiert oder axial eingeschoben, um Ab- und
Eintriebsglied(er) zu koppeln. Zum Entkoppeln werden beim oder vor dem Lösen der Verbindung des Antriebsmoduls und des Instrumentenschaftes das bzw. die
Führungselemente aus den entsprechende(n) Nut(en) herausrotiert oder axial herausgezogen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 bis 6: mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7: verschiedene Ausführungen der einander zugewandten
Stirnseiten der Ab- und Eintriebselemente der mechanischen Schnittstellen der Fig. 1 bis 6;
Fig. 8 bis 10: Ausgleichsmittel zum Toleranzausgleich;
Fig. 11 bis 15: verschiedene Ankopplungen eines instrumentenschaftseitigen
Antriebsstranges an eine erfindungsgemäße mechanische Schnittstelle; Fig. 16: mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 17 bis 19: verschiedene Ausführungen von Zapfen und Aussparung der
Schnittstelle der Fig. 16;
Fig. 20: eine Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 21 : eine Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 22: einen Zapfen und ein Klemmmittel der
Instrumentenanordnung der Fig. 21 ; Fig. 23: Schritte des weggesteuerten Ankoppelvorgangs der
Instrumentenanordnung der Fig. 21 ;
Fig. 24: mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung; Fig. 25: Schritte des weggesteuerten Ankoppelvorgangs der
Instrumentenanordnung der Fig. 24;
Fig. 26: verschiedene Anordnungen bzw. Fügerichtungen eines
Instrumentenschafts an eine Antriebseinheit einer
Instrumentenanordnung nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 27 bis 29: mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
Fig. 30: mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit einer Sterilbarriere, die eine Lose in Verstellrichtung aufweist;
Fig. 31 : mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit einer Sterilbarriere, die eine berührungslose translatorisch verschiebbare Dichtung aufweist;
Fig. 32: eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Sterilbarriere, die einen Elementfortsatz aufweist, der lösbar mit einer Ab- oder Eintriebselementbasis verbunden ist; Fig. 33: eine Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Befestigungselement in Form eines sterilen Adapters 4;
Fig. 34: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 35: eine signaltechnische Verknüpfung von Messmitteln einer
Messanordnung des chirurgischen Instruments der Fig. 34; Fig. 36: ein Steuermittel bzw. Verfahren nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 37: einen Teil eines robotergeführten chirurgischen Instruments nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt;
Fig. 38: ein Antriebsmodul und eine damit gekoppelte
Eintriebsgliedanordnung des chirurgischen Instruments der Fig. 37;
Fig. 39: ein Antriebsmodul und eine damit gekoppelte
Eintriebsgliedanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 38 entsprechender Darstellung;
Fig. 40A: ein Antriebsmodul mit einer Rückzuganordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 38 entsprechender Darstellung in einem mit einer Eintriebsgliedanordnung gekoppelten Zustand;
Fig. 40B: das zurückgezogene und verriegelte Antriebsmodul der Fig.
40A;
Fig. 41 : ein Antriebsmodul nach einer weiteren Ausführung der
vorliegenden Erfindung in Fig. 38 entsprechender Darstellung; Fig. 42(a): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt;
Fig. 42(b): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung; Fig. 43(a): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung; Fig. 43(b): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung;
Fig. 44(a): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung;
Fig. 44(b): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung;
Fig. 45(a): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung;
Fig. 45(b): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung; Fig. 46(a): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines
chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung; Fig. 46(b): eine Antriebseinheit und einen Instrumentenschaft eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 42(a) entsprechender
Darstellung;
Fig. 47: ein chirurgisches Instrument nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung;
Fig.48A, 48B: eine Schnittstelle des chirurgischen Instruments der Fig. 47 in perspektivischen Ansichten;
Fig. 49(a), (b): Schritte beim Koppeln eines Führungselements mit einer Nut der Schnittstelle der Fig. 48;
Fig. 49(c)-(f): Schritte beim Aktuieren eines Eintriebsglieds durch ein
Abtriebsglied des chirurgischen Instruments der Fig. 47;
Fig. 50: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt;
Fig. 51 A, 51 B: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in
perspektivischer Ansicht (Fig. 51A) und einem Teilschnitt (Fig. 51 B);
Fig. 52: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 51 B entsprechender Weise;
Fig. 53A, 53B: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach
weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in
verschiedenen Stellungen; Fig. 54: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 55A - 55D: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht in Richtung einer Verschiebeachse (Fig. 55A, 55B) bzw. in perspektivischer Ansicht (Fig. 55C, 55D), wobei ein Ab- und Eintriebsglied nicht miteinander gekoppelt (Fig. 55A, 55C, 55D) bzw. miteinander gekoppelt (Fig. 55B) sind.
Fig. 1 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit zwei gegensinnigen Abtriebselementen 10A,10B einer Abtriebsanordnung einer modularen motorischen Antriebseinheit 1. Diese sind mit zwei Eintriebselementen 20A bzw. 20B einer Antriebsanordnung eines Instrumentenschaftes 2 gekoppelt. Eine Sterilbarriere 3 umhüllt die Antriebseinheit 1 und ist zwischen dieser und dem Instrumentenschaft 2 angeordnet. Ab- und Eintriebselemente 10A, 10B bzw. 20A, 20B sind in der Antriebseinheit 1 bzw. dem Instrumentenschaft 2 translatorisch verstellbar geführt.
Die Abtriebselemente 10A, 10B sind mit einem als Wippe 10C ausgebildeten
Koppelmittel derart gekoppelt, dass eine rotatorische Bewegung von dem
Koppelmittel 10C, die in Fig. 1 durch einen Drehpfeil angedeutet ist, in eine
translatorische Bewegung der Elemente 10A, 10B umgesetzt wird. Das Koppelmittel 10C kann beispielsweise mit einer Abtriebswelle eines Elektromotors der
Antriebseinheit 1 verbunden oder über ein Getriebe gekoppelt sein (nicht dargestellt).
In ähnlicher Weise sind die Eintriebselemente 20A, 20B mit einem als Wippe 20C ausgebildeten weiteren Koppelmittel derart gekoppelt, dass eine translatorische Bewegung der Elemente 20A, 20B in eine rotatorische Bewegung von dem
Koppelmittel 20C umgesetzt wird. An dem Koppelmittel 20C können beispielsweise axial voneinander beabstandet Zugseile oder Schubstangen des
Instrumentenschaftes 2 befestigt sein, durch die ein Freiheitsgrad eines Endeffektors aktuiert, beispielsweise eine Schere geöffnet oder ein Skalpell verdreht wird (nicht dargestellt). Gleichermaßen kann die rotatorische Bewegung des Koppelmittels 20C beispielsweise über Zahnräder übertragen oder - etwa über ein Schneckengetriebe - wieder in eine translatorische Bewegung umgesetzt werden.
Sowohl Ab- und zugeordnetes Eintriebselement 10A, 20A bzw. 10B, 20B
untereinander als auch die Abtriebselemente 10A, 10B und das Koppelmittel 10C sowie die Eintriebselemente 20A, 20B und das weitere Koppelmittel 20C sind jeweils durch eine einseitige Bindung miteinander gekoppelt. Man erkennt, dass das
Doppelmittel 10C auf die Abtriebselemente 10A, 10B, diese auf die Eintriebselemente 20A, 20B und diese wiederum auf das weitere Koppelmittel 20C nur Druckkräfte übertragen können. Die Ab- und Eintriebselemente sind in der Ausführung als Stößel ausgebildet, die entlang ihrer Längsachsen verstellt werden, beispielsweise durch einen Linearaktor oder eine Gelenkkinematik. Zwischen den Stößeln befindet sich die Sterilbarriere 3. Da mit einem Stößelpaar nur Druckkräfte übertragen werden können, wird durch das zweite Stößelpaar eine geschlossene kinematische Schleife gebildet. Das zweite Stößelpaar wird gegensinnig zum ersten bewegt, so dass Antriebskräfte in beiden Richtungen übertragen werden können. Allgemein ist daher in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in der mechanischen Schnittstelle eine Parallelogramm- Kinematik vorgesehen.
Das Ankoppeln des Instrumentenschaftes an die Antriebseinheit gestaltet sich einfach und kann alternativ entlang oder quer zur Bewegungs- bzw. Verstellrichtung der Stößel 10A - 20B erfolgen. Die Stößel 10A, 10B der Antriebseinheit 1 sind von der Sterilbarriere 3 bedeckt. Der Instrumentenschaft 2 wird so an die Antriebseinheit 1 gefügt, dass sich die Stößel 10A, 20A bzw. 10B, 20B, anfänglich in einem gewissen Abstand, gegenüberliegen. Anschließend wird die Abtriebsseite auf die Antriebsseite gedrückt. Die Winkelstellung der Kipphebel bzw. Wippe 10C, 20C ist hierbei beliebig, da sich die Stellungen beider Seiten während des Koppelvorgangs angleichen.
Fig. 2 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit der vorstehend erläuterten Ausführung übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird. In der Ausführung der Fig. 1 herrscht Gleitkontakt zwischen den Koppelmitteln 10C, 20C und Stößeln 10A, 10B bzw. 20A, 20B, wobei die Reibkräfte unter anderem von der Hebelstellung und den Kontaktflächen, insbesondere deren Geometrie und Oberfläche, abhängen. Daher ist in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie exemplarisch in Fig. 2 dargestellt ist, in wenigstens einem einseitigen Kontakt eines Koppelmittels (in Fig. 2 beispielhaft: 10C, 20C) und Ab- bzw. Eintriebselements (in Fig. 2 beispielhaft: 10A, 10B bzw. 20A, 20B) eine Rolle 30 angeordnet, wodurch die Reibung verringert werden kann.
Fig. 3 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
In den Ausführung der Fig. 1 , 2 sind die Abtriebselemente 10A, 10B und das
Koppelmittel 10C sowie die Eintriebselemente 20A, 20B und das weitere Koppelmittel 20C jeweils durch eine einseitige Bindung mit Gleit- (Fig. 1 ) bzw. Rollkontakt (Fig. 2) miteinander gekoppelt. In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 3 gezeigt ist, ist hingegen wenigstens ein Abtriebselement (in Fig. 3 beispielhaft: 10A, 10B) und ein Koppelmittel (in Fig. 3 beispielhaft: 10C) und/oder wenigstens ein Eintriebselement (in Fig. 3 beispielhaft: 20A, 20B) und ein (weiteres) Koppelmittel (in Fig. 3 beispielhaft: 20C) durch wenigstens eine Koppelstange (in Fig. 3 beispielhaft: 40) miteinander gekoppelt, die gelenkig mit dem Koppelmittel bzw. Element verbunden ist.
Fig. 4 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei dieser Ausführung ist zur Aktuierung eines Freiheitsgrades nur ein Stößelpaar 10A, 20A zur Kraftübertragung vorgesehen. Anstelle eines weiteren Paares aus Ab- und Eintriebselement ist das Eintriebselement 20A entgegen seiner Verstellrichtung durch eine Feder 50 vorgespannt. Diese stellt bei Wegnahme einer in Verstellrichtung aktuierenden Kraft bzw. bei aktuierter Bewegung des Abtriebselements entgegen dieser Verstellrichtung das Stößelpaar 10A, 20A entgegen der Verstellrichtung zurück.
Fig. 5 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 5 gezeigt ist, ist wenigstens eine
Kopplung zwischen einem Abtriebselement (in Fig. 5 beispielhaft: 10A, 10B) und einem Koppelmittel (in Fig. 5 beispielhaft: 10C) als Spindelantrieb mit gegenläufig bewegten Schiebehülsen ausgebildet. Das vorzugsweise als Gewindespindel ausgebildete Koppelmittel (in Fig. 5 beispielhaft: 10C) weist in einer Ausführung je einen Abschnitt mit Rechts- und Linksgewinde, auf denen jeweils ein als
Spindelmutter ausgebildetes Abtriebselement (in Fig. 5 beispielhaft: 10A bzw. 10B) sitzt. Durch eine Drehung der Gewindespindel 10C werden die Spindelmuttern 10A, 10B gegenläufig bewegt. Die Muttern können, beispielsweise mit einer
antriebseinheitsfesten Führungsschiene 10D, gegen Verdrehen gesichert sein.
Zur Verdeutlichung ist in Fig. 5 links ein perspektivischer Teilschnitt der Schnittstelle, in der Mitte bzw. rechts eine Seitansicht bei unterschiedlichen Stellungen der
Abtriebselemente 10A, 10B gezeigt.
Fig. 6 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 6 gezeigt ist, sind wenigstens ein
Abtriebselement (in Fig. 6 beispielhaft: 10A, 10B) und ein Koppelmittel (in Fig. 6 beispielhaft: 10C) und/oder wenigstens ein Eintriebselement (in Fig. 6 beispielhaft: 20A, 20B) und ein (weiteres) Koppelmittel (in Fig. 6 beispielhaft: 20C) durch ein Zahnstangengetriebe gekoppelt. Hierzu sind in einer Weiterbildung Koppelmittel (in Fig. 6 beispielhaft: 10C, 20C) als Ritzel ausgebildet, mit denen die als Zahnstangen ausgebildeten Abtriebselemente (in Fig. 6 beispielhaft: 10A, 10B) bzw.
Eintriebselemente (in Fig. 6 beispielhaft: 20A, 20B) jeweils gegensinnig kämmen und so eine rotatorische in eine translatorische Bewegung umsetzen. Da sie auf
gegenüberliegenden Seiten des Ritzels angeordnet sind bewegen sie sich
gegensinnig. Wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung die Ein- und/oder
Abtriebselemente entgegen ihrer Verstellrichtung bzw. aufeinander zu vorgespannt sind, kann dadurch vorteilhaft auch Umkehrspiel in den Zahneingriffen 10A-10C, 10B- I OC, 20A-20C bzw. 20B-20C reduziert bzw. eliminiert werden. Fig. 7 zeigt verschiedene Ausführungen der einander zugewandten Stirnseiten der
Ab- und Eintriebselemente 10A, 10B bzw. 20A, 20B der Ausführungen der Fig. 1 bis 6, die eben oder ballig ausgebildet sind und/oder einen Vorsprung zum Eingreifen in eine Aussparung in der anderen Stirnseite aufweisen: Dabei zeigt Fig. 7 (a) zwei ebene Stirnseiten bzw. Kontaktflächen, die einen (einseitig gebundenen)
Flächenkontakt bilden, Fig. 7 (b) eine ballige und eine ebene Stirnseite, die einen Punktkontakt bilden, Fig. 7 (c) einen kugelförmigen Vorsprung, der in eine kegelige Bohrung bzw. Aussparung eingreift und einen Ringkontakt bildet, Fig. 7 (d) einen kegelförmigen Vorsprung, der in eine kegelige Bohrung bzw. Aussparung eingreift und einen Flächenkontakt bildet, sowie Fig. 7 (e) zwei ballige Stirnseiten bzw.
Kontaktflächen, die einen Punktkontakt bilden.
Um eine möglichst hohe Übertragungsgenauigkeit und Steifigkeit zu gewährleisten, sollten Abweichungen in der Position und Orientierung der Kontaktflächen vermieden werden. Mögliche Ursachen für derartige Abweichungen sind Fertigungs- und
Montagetoleranzen, sowie Abweichungen in der Positionierung des Instruments zur Antriebseinheit durch den Anwender. Deshalb weist in einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung wenigstens eine einseitige Bindung einen Punktkontakt zwischen Ab- und Eintriebselement auf.
Fig. 8 bis 10 zeigen Ausgleichmittel zum Toleranzausgleich. Dabei zeigt Fig. 8 einen Ausgleich von Positions- und Orientierungsabweichungen der Stößel-Kontaktflächen durch gezielt eingebrachte Nachgiebigkeiten. In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 8 (a) angedeutet ist, ist eine Nachgiebigkeit durch eine biegeweiche Gestaltung eines Ab- und/oder Eintriebselements (in Fig. 8 (a) beispielsweise 10A oder 20A) ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ kann eine Nachgiebigkeit durch eine elastische Deformation der Sterilbarriere ausgebildet sein, wie dies exemplarisch in Fig. 8 (b) angedeutet ist. Die Sterilbarriere ist vorzugsweise ganz oder teilweise aus einem Elastomer hergestellt. Die biegeweiche Gestaltung eines Ab- und/oder
Eintriebselements, wie in Fig. 8 (a) gezeigt, kann insbesondere in Hinblick auf das Übertragungsverhalten vorteilhaft sein. Allgemein kann eine Nachgiebigkeit in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine progressive Federkennlinie aufweisen, um so kleinere Toleranzen zu kompensieren und zugleich bei größeren
Stellbewegungen eine relativ steife Übertragung zu gewährleisten. Zusätzlich oder alternativ kann eine Nachgiebigkeit in einem Koppelmittel vorgesehen sein, wie dies exemplarisch in Fig. 8 (c) gezeigt ist. Aufgrund der geschlossenen kinematischen Kette handelt es sich prinzipiell um ein statisch überbestimmtes System. Um Fertigungs- und Montagetoleranzen in der kinematischen Kette auszugleichen und Spielfreiheit herzustellen, werden Längenunterschiede der Stößelpaare durch eine biegeweiche Gestaltung eines Koppelmittels kompensiert.
In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 9 angedeutet ist, weist ein
Ausgleichmittel zum Toleranzausgleich ein in Verstellrichtung (vertikal in Fig. 9) verschiebbares Lager bzw. eine in Verstellrichtung verschiebbare Lagerachse eines Koppelmittels (in Fig. 9 beispielhaft: 10C) auf. Dieses ist hierzu in einer Ausführung in einem Schlitten, der innerhalb der Antriebseinheit verschieblich angeordnet ist, drehbar gelagert. Dieses Schublager ermöglicht eine Verschiebung in Richtung der Stößelbewegung. In dieser Richtung wird, beispielsweise durch eine Feder oder durch statische Verstellung, eine Kraft aufgebracht, die die Stößelpaare in der Schnittstelle gegeneinander vorspannt (in Fig. 9 durch den strichlierten Kraftpfeil angedeutet). Fig. 0 zeigt einen Ausgleich von Längentoleranzen zwischen den Stößelpaaren durch Nachgiebigkeiten in der Sterilbarriere, wie sie vorstehend bereits mit Bezug auf Fig. 8 (b) erläutert wurden. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die exemplarisch in Fig. 10 angedeutet ist, ist in die Sterilbarriere ein nachgiebiges Ausgleichselement 3.1 integriert. Durch Kompression dieses Elements wird eine Vorspannung in der kinematischen Schleife aufgebaut und gleichzeitig durch eine unterschiedliche Stauchung Längenunterschiede ausgeglichen. Insbesondere, damit nicht zu große Nachgiebigkeiten eingeführt werden, die sich ungünstig auf das Regelungsverhalten auswirken können, weist das Ausgleichselement 3.1 in einer Weiterbildung ein progressives Federverhalten auf. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende Werkstoffwahl und/oder geometrische Gestaltung der
Sterilbarriere erreicht werden. Fig. 1 1 bis 15 zeigen insbesondere verschiedene vorteilhafte Ankopplungen eines instrumentenschaftseitigen Antriebsstranges an eine erfindungsgemäße mechanische Schnittstelle, wie sie beispielsweise vorstehend mit Bezug auf Fig. 1 bis 10, aber auch nachfolgend mit Bezug auf die weiteren Figuren, beschrieben ist. Dabei zeigt Fig. 1 1 eine Ankopplung eines Seilzuges 60 an die Eintriebselemente. Um einen
Freiheitsgrad des Instrumentenschafts, insbesondere eines Endeffektors (nicht dargestellt), beid- bzw. gegensinnig zu aktuieren, ist im Instrumentenschaft mit der drehbar gelagerten Wippe 20C eine kinematische Schleife zwischen den beiden Stößeln 20A, 20B gebildet. In der gezeigten Ausführung sind die Stößel jeweils mit einem Dreh-Schublager 20D an die Wippe gekoppelt. Mit der Wippe ist eine Seilrolle fest verbunden, die von dem Seilzug 60 umschlungen wird. In einer Weiterbildung ist auch eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen Rolle und Seilzug möglich. Durch eine geeignete Wahl des Seilrollendurchmessers kann optional eine Anpassung des Schnittstellen-Hubs an den erforderlichen Seilhub vorgenommen werden. Neben dem dargestellten zylindrischen Querschnitt der Seilrolle sind auch andere, insbesondere ellipsenartige, Querschnitte möglich.
Fig. 12 zeigt eine Ankopplung eines instrumentenseitigen Seilzuges 60 an die mechanische Schnittstelle nach einer weiteren Ausführung. Dabei ist die Seilrolle, die ein Element eines Koppelmittels im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet, zusätzlich mit einer Verzahnung 20E versehen, die mit einem verzahnten Abschnitt eines instrumentenseitigen Stößels (in Fig. 12 beispielhaft: 20B) kämmt. Die zusätzliche Übersetzung dieser Zahnradstufe erlaubt vorteilhaft eine noch bessere Anpassung des Stößelhubs an den Seilhub.
In den beiden Ausführungen der Fig. 1 1 , 12 ist der Seilzug 60 geschlossen. In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung, die exemplarisch in Fig. 13, 14 und 15 angedeutet ist, kann ein Freiheitsgrad auch durch einen offenen Seilzug (in Fig. 13 beispielhaft: 60) oder durch Schubstangen (nicht dargestellt) aktuiert werden, dessen Enden mit Eintriebselementen (in Fig. 13 beispielhaft: 20A, 20B) oder einem damit gekoppelten Koppelmittel gekoppelt sein können. Dabei sind bei einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie exemplarisch in Fig. 14, 15
angedeutet ist, die Enden des Seilzugs 60 über zusätzliche Seilwippen an die mechanische Schnittstelle bzw. deren Eintriebselemente 20A, 20B gekoppelt. Über das Verhältnis der Hebelarme jeder Wippe kann vorteilhafterweise der Seilhub angepasst werden. Um eine Änderung der erforderlichen Seillänge zu vermeiden, können die Hebelverhältnisse der beiden Seilwippen gleich sein. In Fig. 14, 15 sind die beiden Lagerstellen der Seilwippen zur besseren Übersichtlichkeit versetzt zueinander dargestellt. In einer Ausführung können diese Lagerungen der Seilwippen koaxial zusammenfallen. Bei der Ausführung der Fig. 14 wird die geschlossene kinematische Schleife zwischen Ab- und Eintriebselementen durch eine weitere instrumentenseitige Wippe gebildet, die jeweils über ein Dreh-Schublager 20D mit den instrumentenseitigen Stößeln 20A, 20B gekoppelt ist. Bei der Ausführung der Fig. 15 ist auf diese zusätzliche Wippe verzichtet und stattdessen die Vorspannung der Schnittstelle über den Seilzug aufbaut, durch den ohnehin eine geschlossene kinematische Schleife vorliegt. Insbesondere auf diese Weise kann allgemein nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Vorspannung der mechanischen Schnittstelle auch zur Vorspannung eines instrumentenschaftseitigen Seilzugs verwendet werden, wodurch sich die Komplexität des instrumentenseitigen
Antriebsstrangs reduziert. An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass in den gezeigten Ausführungen die Zuordnung von Ab- und Eintriebselementen rein beispielhaft ist und insbesondere auch Anordnungen bzw. Merkmale eines
Abtriebselements einer Ausführung auch mit Anordnungen bzw. Merkmale eines Eintriebselements einer anderen Ausführung kombiniert sein können. So kann beispielsweise in der Ausführung der Fig. 14 anstelle der eintriebsseitigen
Drehschublager 20D analog zu der abtriebsseitigen Anordnung auch eine Anordnung bzw. Kopplung mit Koppelstangen (vgl. abtriebsseitige Koppelstange 40 in Fig. 14) denkbar.
Fig. 16 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird. Bei dieser Ausführung weist die Schnittstelle ein Abtriebselement in Form eines Zapfens 100 und ein Eintriebselement mit einer Aussparung 200 auf, wobei der Zapfen in der Aussparung durch ein
Klemmmittel radial elastisch aufweitbar ist. Diese Ausführung eignet sich zur
Übertragung von Zug- und Druckkräften. Nachfolgend wird exemplarisch eine translatorische Aktuierung bzw. Verstellung der mechanischen Schnittstelle erläutert, die mechanische Schnittstelle kann jedoch auch zur Übertragung von rotatorischen oder überlagerten translatorischen und rotatorischen Bewegungen verwendet werden.
Der Antriebszapfen 100 ist translatorisch verstellbar in der Antriebseinheit 1 geführt und aktuiert und in eine instrumentenschaftseitigen Aussparung in Form einer
Kupplungsbuchse 200 eingeführt. Die dünnwandige Sterilbarriere 3 ist zwischen Antriebseinheit und Instrumentenschaft angeordnet.
Die Verbindung von Antriebszapfen 100 und Kupplungsbuchse 200 kann kraft- oder formschlüssig und ab- oder unabhängig vom Instrumentenantrieb erfolgen.
Vorteilhafterweise können Komponenten mit höherer Komplexität und engeren
Toleranzen in der Antriebseinheit angeordnet werden, so dass diese Schnittstellen insbesondere auch für preiswerte Einweginstrumentenschäfte vorteilhaft sind.
Positionierung und Befestigung des Instrumentenschafts relativ zur Antriebseinheit erfolgen in einer Weiterbildung durch eine separate Funktionseinheit, wie nachfolgend beschrieben. Die Lagerung der Kupplungselemente ist deshalb vorzugsweise so gewählt, dass hohe Anforderungen an die Form- und Lagetoleranzen vermieden werden und die Verbindung von Ab- und Eintriebselement, wenigstens im
Wesentlichen, zwangsfrei erfolgt. Der Antriebszapfen ist daher in einer Weiterbildung in der Antriebseinheit mit einem fünfwertigen Schublager geführt, d.h. es sind nur Verschiebungen entlang der Längsachse möglich. Die Lagerung der
Kupplungsbuchse im Instrumentenschaft hat in radialer Richtung Spiel, d.h. die Kupplungsbuchse ist in radialer Richtung nicht eindeutig geführt. Sofern der
Instrumentenschaft nicht an der Antriebseinheit angekoppelt ist, gewährleistet die Radiallagerung, dass die Kupplungshülse mit hinreichender Genauigkeit
vorpositioniert ist und während der Handhabung und Reinigung nicht gelöst werden kann. Sobald der Instrumentenschaft an die Antriebseinheit gekoppelt ist, hat diese Lagerung keine Funktion. Dann übernimmt das Schublager des Antriebszapfens auch die Lagerung des instrumentenschaftseitigen Eintriebselements. Auf diese Weise wird vorteilhaft eine zwangsfreie Verbindung erreicht, ohne dass sich die beiden
Lagerungen verspannen. Die Lagerung der Kupplungsbuchse im Instrumentenschaft verfügt in einer Weiterbildung über zwei Anschläge in axialer bzw. Verstellrichtung. Somit kann der benötigte Arbeitshub für jeden Instrumentenschaft individuell festgelegt und die Antriebseinheit für verschiedene Instrumentenschäfte verwendet werden. Durch die geometrische Gestaltung der Kupplungselemente erfolgt die radiale
Ausrichtung der Kupplungsbuchse 200 zum Antriebszapfen 100 automatisch. Somit ist nur eine Fügebewegung in Richtung der Antriebsbolzen erforderlich. Dadurch wird vorteilhafterweise der Instrumentenschaftwechsel während eines chirurgischen Eingriffs erleichtert und ist in kürzerer Zeit durchführbar. In Fig. 17, 18 sind verschiedene vorteilhafte Ausführungen von Antriebszapfen und Kupplungsbuchse dargestellt, insbesondere eine flache (Fig. 17 (d)), konische (Fig. 17 (c)), sphärisch (Fig. 17 (b)) und eine elliptische (Fig. 17 (a)) Stirnseite des
Antriebszapfens, die jeweils mit verschiedenen Einführgeometrie der
instrumentenschaftseitigen Kupplungsbuchse kombiniert sein können, insbesondere einer zylindrischen (Fig. 18 (d)) Sacklochbohrung, insbesondere mit einem oder mehreren Absätzen (Fig. 18 (c)), einer Fase (Fig. 18 (b)) oder Verrundung (Fig. 18 (a))-
Fig. 19 zeigt verschiedene Koppelungen von Zapfen 100 und Aussparung 200: bei einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 19 (a), (b) und (d) angedeutet ist, sind Zapfen und Aussparung reibschlüssig durch elastisches Aufweiten eines,
insbesondere einteilig (Fig. 19 (d)) oder mehrteilig (Fig. 19 (a), (b)) ausgebildeten, Antriebszapfens gekoppelt, der hierzu einen elastischen Körper (in Fig. 19 (a), (b) beispielhaft: 100.1 ) aufweisen kann, dessen Durchmesser durch elastische
Verformung mittels eines Klemmmittels (in Fig. 19 (a), (b), (d): 100.2) vergrößert wird. Bei einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 19 (c) angedeutet ist, sind Zapfen und Aussparung zusätzlich oder ausschließlich formschlüssig durch elastisches Aufweiten eines ein- oder mehrteilig ausgebildeten Antriebszapfens gekoppelt. In einer
Ausführung, die in Fig. 19 (c) exemplarisch in Kombination mit dem Formschluss dargestellt ist, weist ein Klemmmittel (in Fig. 19 (c) beispielhaft: 100.2) eine konische Außenform auf und ist im Zapfen 100 axial verstellbar, um diesen von innen radial aufzuweiten. In den Ausführungen der Fig. 19 (a), (b) weist das Klemmmittel 100.2 hingegen einen Flansch auf, um den elastischen Zapfen durch axiale Kompression radial aufzuweiten. In der Ausführung der Fig. 19 (d) ist das Klemmmittel 100.2 hydraulisch oder pneumatisch ausgebildet, der Zapfen 100 wird durch
Druckbeaufschlagung von innen radial aufgeweitet.
Eine sterile Schutzhülle 3 ist zwischen Zapfen und Aussparung angeordnet und ermöglicht aufgrund ihrer Elastizität den vorstehend beschrieben Form- oder
Reibschluss. Wie an anderer Stelle ausgeführt, wird auch bei dieser Ausführung eine Bewegung der (unsterilen) Antriebseinheit auf einen (sterilen) Instrumentenschaft nicht durch eine Aussparung in der Sterilbarriere hindurch, sondern über die geschlossene Sterilbarriere hinweg übertragen, was die sterile Handhabung erleichtert.
Die Klemmbewegung bzw. das Klemmmittel (in Fig. 19 beispielhaft: 100.2) kann von dem Instrumentenantrieb abhängig oder davon unabhängig betätigt werden.
Fig. 20 (a) zeigt exemplarisch eine Antriebseinheit 1 mit drei Abtriebselementen in Form von Zapfen, Fig. 20 (b) einen damit koppelbaren Instrumentenschaft 2 mit drei Eintriebselementen, die entsprechende Aussparungen aufweisen. In einer Ausführung kann ein Zapfen eines Ab- oder Eintriebselements nicht-elastisch radial aufweitbar sein und hierzu ein oder mehrere radial verschieblich geführte, vorzugsweise lamellenartige, separate Körper (in Fig. 20 (a) beispielsweise 100.1) aufweisen, wie dies exemplarisch in Fig. 20 (a) dargestellt ist. Fig. 21 bis 23 zeigen Schnitte durch eine Antriebseinheit 1 und einen damit gekoppelten Instrumentenschaft 2 mit einer (Hub)Zapfen-Schnittstelle nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Schematisch angedeutet sind insbesondere ein Klemmmittelantrieb in Form eines Elektromotors 100.3 und eine Gewindespindel 100.2, beispielsweise ein
Wälzschraubtrieb, eines Klemmmittels, ein Hubzapfen 100 und eine
instrumentenschaftseitige Kupplungsbuchse mit einer Aussparung 200. Die
Gewindespindel 100.2, beispielsweise eines Kugel- oder Rollengewindetriebs, wird von dem Elektromotor 100.3 weggesteuert angetrieben. Die Gewindespindel ist durch eine Spindellagerung in der Antriebseinheit 1 gelagert. Eine mit der Gewindespindel 100.2 kämmende Spindelmutter 100.4 ist drehfest mit dem Hubzapfen 100 verbunden. Der Hubzapfen ist seinerseits in einem Schublager 100.5 geführt, das nur eine
Translation in Axialrichtung zulässt und sämtliche Radialkräfte und Momente
aufnimmt. Zum Reib- oder Formschluss (vgl. insb. Fig. 19) weist der Zapfen 100 mehrere separate Körper in Form von lamellenartigen Spannhebeln 100.1 auf, die gleichmäßig am Umfang des Hubzapfens verteilt sind. Die Spannhebel 100.1 sind am distalen Ende des Hubzapfens 100 (rechts in Fig. 22) drehbar in diesem gelagert und hierdurch radial verschieblich geführt, so dass eine radiale Auslenkung der
Spannhebel zu einer kraft- oder formschlüssigen Klemmung des Hubzapfens in der instrumentenseitigen Kupplungsbuchse führt. Die Auslenkung der Spannhebel erfolgt weggesteuert durch eine Steuerkontur, die in die Gewindespindel integriert sein kann, wie exemplarisch in Fig. 21 bis 23 angedeutet. Fig. 23 zeigt Schritte des weggesteuerten Koppelvorgangs von Abtriebsanordnung und Antriebsanordnung mittels der mechanischen Schnittstelle miteinander, und zwar eine Situation vor dem Ankoppeln von Ab- und Eintriebselement 100, 200 (Fig. 23 (a)), ein Herstellen der Klemmung nach Einführen des Antriebszapfens in die
Kupplungsbuchse (Fig. 23 (b)) und ein Aufrechterhalten der Klemmung über den gesamten Stellbereich durch mechanische Zwangsführung der Spannhebel.
Fig. 23 (a) zeigt die Situation vor dem Ankoppeln. Die Antriebseinheit 1 ist durch eine sterile Hülle 3 abgedeckt und der Instrumentenschaft an der Antriebseinheit 1 fixiert. Der Antriebszapfen 100 ist in eine untere Grenzlage gefahren. Eine Druckfeder 200.1 im Instrumentenschaft unterstützt den Kopplungsvorgang, indem sie sicherstellt, dass sich die Kupplungsbuchse 200 ebenfalls in einer unteren Grenzlage befindet. Fig. 23 (b) zeigt die Situation unmittelbar nach dem Ankoppeln. Durch Ausfahren des Zapfens 100 aus der Antriebseinheit 1 wird dieser in die Kupplungsbuche des
Instrumentenschafts eingeführt. Anschließend werden die Spannhebel 100.1
zwangsgeführt durch die auf die Gewindespindel 100.2 aufgebrachte Steuerkontur radial ausgefahren und dadurch die reib- oder formschlüssige Verbindung hergestellt. Wie in Fig. 23 (c) gezeigt, wird diese mechanische Verbindung durch eine
mechanische Zwangsführung der Spannhebel 100.1 im gesamten Arbeitsbereich des Instrumentenschafts aufrechterhalten, im Ausführungsbeispiel bei translatorisch verstell- bzw. aktuiertem Zapfen 100 (vertikal in Fig. 23).
Fig. 24 zeigt mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei der Ausführung der Fig. 24 ist der Hubzapfen- bzw. Klemmmittelantrieb
kraftgesteuert, die Klemmkraft wird im Gegensatz zur Ausführung der Fig. 21 bis 24 nicht durch eine vom Stellantrieb des Abtriebselements bzw. Zapfens abhängige Zwangsführung aufgebracht. Die Kopplung zwischen Ab- und Eintriebselement wird durch elastisches Aufweiten des Antriebszapfens 100 hergestellt und kann kraft- oder formschlüssig erfolgen. Durch Verspannen eines Klemmmechanismus bzw. -mittels wird der Antriebszapfen radial aufgeweitet. In der Ausführung der Fig. 24 weist das Klemmmittel hierzu einen Rastkugelmechanismus auf, in einer nicht dargestellten
Abwandlung kann es beispielsweise einen Spreizdorn, einen Kniehebel-Mechanismus oder eine Sternscheibe aufweisen. Um die Klemmkraft über den gesamten
Stellbereich aufrecht zu erhalten, ist das Klemmmittel in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie exemplarisch in Fig. 24 angedeutet ist, allgemein so gestaltet, dass es über einen kinematischen Totpunkt verfügt. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass es einen kinematischen Bereich gibt, in dem das Klemmmittel stabil geöffnet bleibt bzw. Ab- und Eintriebselement nicht koppelt, und einen weiteren, von diesem durch einen Totpunkt getrennten
kinematischen Bereich, in dem das Klemmmittel stabil geschlossen bleibt bzw. Ab- und Eintriebselement koppelt. In der Ausführung der Fig. 24 weist das Klemmmittel hierzu mehrere am Umfang des Antriebszapfens 100 verteilte Rastkugeln 100.6 und einen Betätigungsstift 100.2 mit einem Kugelkopf auf, dessen Durchmesser größer ist als der durch die nicht radial aufgeweiteten Rastkugeln definierte Innenring. Das Klemmmittel wird betätigt bzw. aktuiert, indem der Betätigungsstift 100.2 in den Antriebszapfen 100 vorgeschoben und somit die Rastkugeln 100.6 radial nach außen gedrückt werden. Dadurch wird ein separater elastischer Körper in Form einer Dehnhülse 100.1 im Durchmesser aufgeweitet, die ausgeklinkt oder geschlitzt sein kann, um die Betätigungskraft möglichst gering zu halten. Diese Hülse vermeidet vorteilhaft Punktkontakt zwischen den Rastkugeln und der Sterilbarriere, die den Zapfen 100 umhüllt (nicht dargestellt), und ermöglicht eine gleichmäßigere
Anpresskraft über eine möglichst große Kontaktfläche. Dadurch kann die
Kontaktsteifigkeit erhöht und die Flächenpressung der Sterilbarriere minimiert werden. Der Betätigungsstift 100.2 wird über den Totpunkt des Rastkugelmechanismus hinaus vorgeschoben, so dass die Rastkugeln hinter dem Kugelkopf des Betätigungsstiftes geringfügig radial nach innen zurückstellen, um die Klemmkraft stabil aufrecht zu erhalten.
Als Stellantrieb zur Aktuierung des Ab- bzw. Eintriebselements kann insbesondere ein Spindelantrieb dienen, wie er beispielsweise mit Bezug auf Fig. 22 erläutert wurde, wobei der Klemmmechanismus bzw. das Klemmmittel abhängig oder unabhängig vom Stellantrieb aktuiert werden kann. Im ersteren Fall wirkt die Vorschubbewegung der Antriebseinheit auf den Betätigungsstift 100.2, wie mit Bezug auf Fig. 23 erläutert.
Fig. 25 zeigt Schritte des kraftgesteuerten Koppelvorgangs von Abtriebsanordnung und Antriebsanordnung mittels der mechanischen Schnittstelle der Fig. 24
miteinander, in Fig. 23 entsprechender Darstellung, auf die ergänzend Bezug genommen wird. Fig. 25 (a) zeigt die Situation vor dem Einkoppeln. Die
Antriebseinheit 1 ist durch eine sterile Hülle abgedeckt und der Instrumentenschaft an der Antriebseinheit fixiert. Der Antriebszapfen 100 ist in eine untere Grenzlage gefahren. Fig. 25 (b) zeigt die Situation unmittelbar nach dem Ankoppeln: Um den Antriebszapfen zuverlässig in die Kupplungsbuche des Instrumentenschafts einzuführen, wird das Abtriebselement 100 gegen einen Endanschlag im
Instrumentenschaft gefahren und der Kupplungsmechanismus ausgelöst bzw. das Klemmmittel betätigt. Die Rastkugeln 100.6 werden von dem Betätigungsstift 100.2 radial nach außen gedrückt und so die mechanische Verbindung von Ab- und
Eintriebselement hergestellt. Wie in Fig. 25 (c) gezeigt, wird die mechanische
Verbindung im gesamten Arbeitsbereich des Instruments aufrechterhalten, da der Totpunkt des Klemmmechanismus überwunden ist.
Bei einer Instrumentenanordnung nach der vorliegenden Erfindung kann der
Instrumentenschaft insbesondere einen Flansch aufweisen, wobei die mechanische Schnittstelle auf einer endeffektorzugewandten, endeffektorabgewandten oder seitlichen Fläche dieses Flansches angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Antriebseinheit 1 als„Hinterlader",„Vorderlader" oder„Seitenlader" ausgebildet sein.
Zur Erläuterung sind in Fig. 26 vorteilhafte Fügerichtungen eines Instrumentenschafts an eine Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung nach verschiedenen
Ausführungen der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Nach einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 26 (a) angedeutet ist, wird der
Instrumentenschaft entlang der Einführrichtung des Instruments in den Patienten an die Antriebseinheit gefügt, was daher als„Hinterlader" bezeichnet wird. In einer anderen Ausführung, die exemplarisch in Fig. 26 (b) angedeutet ist, wird der
Instrumentenschaft entgegen der Einführrichtung des Instruments in den Patienten an die Antriebseinheit gefügt, was entsprechend als„Vorderlader" bezeichnet wird. In einer anderen Ausführung, die exemplarisch in Fig. 26 (c) angedeutet ist, wird der Instrumentenschaft quer zur Einführrichtung des Instruments in den Patienten an die Antriebseinheit gefügt, was als„Seitenlader" bezeichnet wird. Bei der in Fig. 26 gezeigten Instrumentenanordnung kann es sich insbesondere um eine der mit Bezug auf eine der anderen Figuren erläuterte Ausführung handeln, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen wird.
Fig. 27 zeigt eine mechanische Schnittstelle einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, und zwar in einer perspektivischen Ansicht (Fig. 27 (a)), und zwei Schnitten in unterschiedlichen Hubstellungen (Fig. 27 (b), (c)). Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei dieser Ausführung ist zwischen dem Zapfen und der Aussparung ein in radialer Richtung wellenförmiger Spalt ausgebildet, in dem eine radial verschiebbare, axial feste Zwischenelementanordnung angeordnet ist, um eine translatorische Bewegung über eine Sterilbarriere hinweg zu übertragen.
Hierzu ist der Zapfen 100 mit umlaufender Einkerbung und eine
instrumentenschaftseitige Kupplungsbuche 200 mit einem umlaufenden Ringprofil auf der Innenseite ausgebildet. Zapfen und Kupplungsbuchse sind so gestaltet, dass sich im gefügten Zustand zwischen diesen Bauteilen ein, vorzugsweise äquidistanter, wellenförmiger Spalt ausbildet. In diesen Spalt sind stabförmige Zwischenelemente 100.7 einer Zwischenelementanordnung eingebracht, die in einer Käfighülse 100.8 raumfest gelagert und nur in radialer Richtung verschieblich sind. Die dünne, folienartige Sterilbarriere (nicht dargestellt) ist zwischen Kupplungsbuche und
Käfighülse angeordnet. Durch Verschieben des Zapfens 100 in axialer Richtung (vertikal in Fig. 27) wird der antriebsseitige Teil des wellenförmigen Spalts zwischen Zapfen und Kupplungsbuchse verschoben. Durch die kinematischen Zwänge in der Schnittstelle wird die Kupplungsbuchse zusammen mit dem Zapfen axial bzw.
translatorisch verschoben, wie in der Figurenfolge Fig. 27 (b) -> (c) angedeutet. In einer Weiterbildung können die Zwischenelemente der Zwischenelementanordnung hülsenförmig ausgebildet sein, an deren Stirnseiten Kugeln drehbar angeordnet sind, um den Reibungswiderstand zu reduzieren.
Fig. 28, 29 zeigen mechanische Schnittstellen von Instrumentenanordnungen nach weiteren Ausführungen der vorliegenden Erfindung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Bei diesen Ausführungen weist die mechanische Schnittstelle einen Kipphebel auf, um insbesondere eine translatorische Antriebsbewegung über eine Sterilbarriere hinweg zu übertragen. Ein besonderer Vorzug dieses Konzepts ist eine einfache
Gestaltung der Sterilbarriere: Sie muss lediglich für die Kippbewegungen des Hebels ausgelegt sein und kann in einer Weiterbildung daher als Kunststoff-Formteil, beispielsweise aus thermoplastischem Elastomer oder Silikon, insbesondere als tiefgezogene Folie, einfach hergestellt werden. Der Neigungswinkel des Hebels kann in einer Ausführung von einem Drehantrieb verstellt werden, insbesondere einem Elektromotor, gegebenenfalls mit zwischengeschaltetem Getriebe. Die Sterilbarriere kann die gesamte Antriebseinheit einhüllen und auch über den Hebel gestülpt sein. In einer nicht dargestellten Weiterbildung kann ein Hebel (in Fig. 28, 29 beispielhaft: 1000) allgemein auf seiner kontakt- bzw. sterilbarrierenabgewandten Seite (unten in Fig. 28, 29) über sein Drehlager hinaus verlängert und dort mit einem Antrieb bzw. einem instrumentenschaftseitigen Antriebsstrang, beispielsweise einem Zugseil oder einem Gestänge, gekoppelt sein. Der Kipphebel (in Fig. 28, 29 beispielhaft: 1000) ist in einer Ausführung allgemein formschlüssig mit einem Kupplungsteil gekoppelt, insbesondere kann er, wie in den Ausführungen der Fig. 28, 29 angedeutet, in einer Nut eines Kupplungsteils (in Fig. 28, 29 beispielhaft: 2000) geführt sein. Der Kipphebel kann insbesondere mit einem
Abtriebselement der Abtriebsanordnung der Antriebseinheit gekoppelt sein oder ein solches darstellen, das Kupplungsteil entsprechend mit einem Antriebselement der Antriebsanordnung des Instrumentenschafts gekoppelt sein oder ein solches
darstellen. Gleichermaßen kann umgekehrt auch der Kipphebel mit einem
Antriebselement der Antriebsanordnung des Instrumentenschafts gekoppelt sein oder ein solches darstellen, das Kupplungsteil entsprechend mit einem Abtriebselement der Abtriebsanordnung der Antriebseinheit gekoppelt sein oder ein solches darstellen.
Das Kupplungsteil 2000 kann in einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 28 angedeutet ist, durch ein Schublager 2000.1 translatorisch verstellbar geführt sein. Somit wird die Drehbewegung des Kipphebels 1000 beispielsweise im
Instrumentenschaft als translatorische Bewegung abgegriffen bzw. in der
Antriebseinheit als translatorische Bewegung aufgeprägt. Die Kinematik dieser
Schnittstelle ist nichtlinear und wird daher in einer Weiterbildung rechnerisch bzw. in der Antriebseinheitssteuerung kompensiert.
Indem ein Kipphebel in einer Weiterbildung kardanisch gelagert ist, können auch Bewegungen in zwei Freiheitsgraden übertragen werden. Hierzu ist beispielsweise die Abbildung der Fig. 28 als Schnittdarstellung in zwei zueinander senkrechten Ebenen zu denken. Durch eine optionale zusätzliche Verschiebbarkeit des Kipphebels entlang seiner Längsachse (vertikal in Fig. 28) kann eine Schnittstelle mit Kipphebel zur Aktuierung von drei Freiheitsgraden ausgebildet sein. In einer anderen Ausführung, die exemplarisch in Fig. 29 angedeutet ist, kann das mit dem Kipphebel formschlüssig gekoppelte Kupplungsteil ebenfalls drehbar gelagert sein bzw. in einem Drehlager geführt sein. Auch diese Ausführung kann zur
Aktuierung von zwei oder mehr Freiheitsgraden erweitert sein, wie dies vorstehend mit Bezug auf Fig. 28 erläutert wurde. Die Figuren Fig. 30 bis 32 zeigen Instrumentenanordnungen nach weiteren
Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit einer Sterilbarriere, die - wenigstens im OP-Betrieb - eine Antriebseinheit umhüllt und zwischen der Antriebseinheit und einem mit diesem mittels einer mechanischen Schnittstelle gekoppelten Instrumentenschaft angeordnet ist. Antriebseinheit, Instrumentenschaft und/oder mechanische
Schnittstelle können insbesondere solcher der anderen Ausführungen und Figuren sein, so dass mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale durch identische Bezugszeichen bezeichnet sind und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Die Sterilbarriere kann allgemein insbesondere einteilig und/oder als Folienschlauch ausgeführt sein. In einer Weiterbildung ist die Sterilbarriere luftdicht ausgebildet bzw. umhüllt die Antriebseinheit luftdicht. Wie insbesondere nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 30 bis 32 beschrieben, erfolgt nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Übertragung einer Antriebs- bzw. Stellbewegung von einem Ab- auf ein
Eintriebselement nicht durch eine Öffnung in der Sterilbarriere hindurch, sondern über die in diesem Bereich geschlossene Sterilbarriere hinweg. In einer Ausführung, die in zwei Varianten in Fig. 30 dargestellt ist, weist die
Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle wenigstens eine,
insbesondere im Bereich jedes Abtriebselements je eine, vorgespannte Lose in einer Verstellrichtung der Ab- und Antriebsanordnung auf. Die vorgespannte Lose ist in einer Weiterbildung als elastischer Faltenbalg, insbesondere als Elastomer-Faltenbalg ausgebildet, vorzugsweise als Wellmembran (in Fig. 30 (a) beispielhaft: 3.2) oder Wellbalg (in Fig. 30 (b) beispielhaft: 3.3), der direkt in die sterile Hülle integriert bzw. einteilig mit dieser ausgebildet, insbesondere ur- oder umgeformt, ist. In einer anderen Ausführung, die als Variante in Fig. 30 (c) dargestellt ist, weist die Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle wenigstens eine, insbesondere im Bereich jedes Abtriebselements je eine, nicht vorgespannte Lose in einer Verstellrichtung der Ab- und Antriebsanordnung auf. Diese, wenigstens im Wesentlichen nicht
vorgespannte, Lose ist in einer Weiterbildung als, vorzugsweise elastische, Stulpe, insbesondere als Thermoplast- oder Elastomer-Stulpe (in Fig. 30 (c) beispielhaft: 3.4) ausgebildet, die direkt in die sterile Hülle integriert bzw. einteilig mit dieser ausgebildet, insbesondere ur- oder umgeformt, ist.
Fig. 30 (a) zeigt eine Ausführung als ebene Wellmembran 3.2, Fig. 30 (b) als Wellbalg 3.3, dessen Querschnitt insbesondere zylindrisch oder kegelförmig sein kann. Beide Faltenbalge speichern Lose in Verstellrichtung (vertikal in Fig. 30), in die durch die Faltung bzw. vorgeformten Wellen eine rückstellende Vorspannung eingeprägt ist, die bei Aktuierung des Abtriebselements (in Fig. 30 beispielsweise 10A, 100 oder 1000) in Verstellrichtung den auftretenden Hub kompensiert. In einer anderen Ausführung, die in drei Varianten in Fig. 31 dargestellt ist, weist die Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle wenigstens eine,
insbesondere im Bereich jedes Abtriebselements je eine, berührungslose
translatorisch verschiebbare Dichtung auf (in Fig. 31 beispielhaft: 3.5). Diese kann in einer Weiterbildung, die exemplarisch in Fig. 31 (a) angedeutet ist, als axial verschiebliche Spaltdichtung ausgebildet sein. Gleichermaßen kann sie in einer Weiterbildung, die exemplarisch in Fig. 31 (b) angedeutet ist, als Labyrinthdichtung ausgebildet sein. Wie exemplarisch in Fig. 31 (c) angedeutet, kann eine translatorisch verschiebbare Dichtung vorzugsweise teleskopierbar sein, insbesondere als ein- oder mehrstufige Teleskophülse (in Fig. 31 (c) beispielhaft: dreistufig). Fig. 32 zeigt eine weitere Ausführung der Sterilbarriere im Bereich der mechanischen Schnittstelle, insbesondere wenigstens eines, vorzugsweise jedes Ab- bzw.
Eintriebselements, die sich durch eine sehr einfache Struktur und Fertigung
auszeichnet. Die Sterilbarriere weist für wenigstens ein, vorzugsweise jedes Ab- oder Eintriebselement einen sterilen Elementfortsatz auf, der lösbar mit einer Elementbasis verbindbar ist, welche die Sterilbarriere zerstörend durchgreift. Wie in der Figurenfolge Fig. 32 (a) -> 32 (b) angedeutet, durchgreift exemplarisch eine Abtriebselementbasis 1 1 zerstörend die Sterilbarriere 3 und wird mit ihrem Durchtrittsbereich lösbar mit einem sterilen Elementfortsatz 3.6 zu einem Abtriebselement verbunden, wie es beispielsweise als 10A, 10B, 100 oder 1000 in den anderen Ausführungen und Figuren erläutert ist. Gleichermaßen kann umgekehrt auch eine Eintriebselementbasis 21 zerstörend die Sterilbarriere 3 durchgreifen und mit ihrem Durchtrittsbereich lösbar mit einem sterilen Elementfortsatz 3.6 zu einem Eintriebselement verbunden werden, wie es beispielsweise als 20A, 20B, 200 oder 2000 in den anderen Ausführungen und Figuren erläutert ist. In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 32 angedeutet ist, weist die Sterilbarriere im Bereich der sie durchgreifenden Elementbasen je eine, vorzugsweise ringförmige, Aufdickung 3.7 auf, beispielsweise durch aufgeklebte Kunststoffscheiben, urgeformte lokale Wandstärkenvergrößerungen und/oder lokaler Werkstoffänderung. In der Mitte des verstärkten Bereichs kann die Sterilbarriere wieder als dünne Membran ausgeführt sein. Nach dem Einhüllen der Antriebseinheit wird, wie beschrieben, beispielsweise auf einen Zapfen der sterile Fortsatz 3.6 gefügt. Hierzu wird die dünne Membran der Sterilbarriere im Inneren des Verstärkungsrings durchstoßen. Die Fixierung des sterilen Fortsatzes kann insbesondere reib-, stoff- und/oder
formschlüssig, schlüssig beispielsweise durch eine Schraub- oder Bajonettverbindung erfolgen oder auch als Kugelsperrbolzen ausgeführt sein.
Fig. 33 zeigt eine Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einer Sterilbarriere 3, die - wenigstens im OP-Betrieb - eine Antriebseinheit 1 umhüllt und zwischen der Antriebseinheit und einem mit diesem mittels einer mechanischen Schnittstelle gekoppelten Instrumentenschaft 2
angeordnet ist. Antriebseinheit 1 , Instrumentenschaft 2 und/oder mechanische
Schnittstelle 3 können insbesondere solcher der anderen Ausführungen und Figuren sein, so dass mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale durch identische Bezugszeichen bezeichnet sind und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die gesamte Beschreibung Bezug genommen wird.
Die Instrumentenanordnung weist ein Befestigungselement in Form eines sterilen Adapters 4 zur lösbaren Verbindung des Instrumentenschafts 2 an der Antriebseinheit 1 auf, welcher auf einer der Antriebseinheit abgewandten Oberfläche der Sterilbarriere angeordnet wird bzw. ist.
Die Antriebseinheit 1 , die in der in Fig. 33 dargestellten Ausführung beispielhaft mehrere Hubzapfen 100 aufweist, wird von der sterilen Hülle 3 umschlossen. In der sterilen Hülle sind die Abdeckungen für die Abtriebselemente integriert, in der in Fig. 33 dargestellten Ausführung beispielhaft als Elastomer-Faltenbälge wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 30 erläutert. Nachdem die Antriebseinheit von der Sterilbarriere umschlossen wurde, wird der sterile Adapter 4 von außen an der steril verpackten Antriebseinheit fixiert. Der Adapter 4 interagiert somit nicht mit den Abtriebselementen 100, sondern stellt lediglich eine mechanische Schnittstelle zur Befestigung des Instrumentenschafts 2 an der umhüllten Antriebseinheit 1 zur Verfügung. Diese Trennung von mechanischer Kopplung von Ab- und Eintriebselementen einerseits (durch die mechanische Schnittstelle) und der mechanischen Befestigung von Antriebseinheit und Instrumentenschaft andererseits (durch das Befestigungselement bzw. den Adapter) erleichtert die sterile Handhabung der Instrumentenanordnung. In einer Ausführung, die exemplarisch in Fig. 33 angedeutet ist, ist der Adapter 4 form- und/oder reibschlüssig, beispielsweise durch Rast- bzw. Clipverbindungen, mit Instrumentenschaft und Antriebseinheit verbindbar bzw. verbunden, wobei die sterile Hülle 3 auch zwischen Rastvorsprüngen und -aussparungen von Antriebseinheit und Adapter dicht bzw. durchgangsfrei ist, um so die Sterilität zu wahren.
Die vorstehenden Instrumentenanordnungen sind in einer Weiterbildung
robotergeführt bzw. zur Befestigung an einem Manipulator eines
Manipulatorchirurgiesystems eingerichtet. Insbesondere kann hierzu die
Antriebseinheit 1 , der Instrumentenschaft 2 und/oder ein Befestigungselement bzw. ein Adapter 4 eine entsprechend eingerichtete Befestigungsschnittstelle aufweisen, beispielsweise entsprechende Aussparungen, Verriegelungen oder dergleichen.
Vorstehend wurden insbesondere Komponenten einer erfindungsgemäßen
Instrumentenanordnung beschrieben, wobei jedoch auch Verfahren zum Bestücken eines Manipulators eines Manipulatorchirurgiesystems umfasst sind, bei denen eine modulare motorische Antriebseinheit und ein Instrumentenschaft lösbar miteinander verbunden und dabei die Abtriebsanordnung und die Antriebsanordnung mittels der mechanischen Schnittstelle miteinander gekoppelt werden, wie beispielsweise in den Figurenfolgen Fig. 23 (a) - Fig. 23 (b) -> Fig. 23 (c), Fig. 25 (a) - Fig. 25 (b) -> Fig. 25 (c) und Fig. 32 (a) -» Fig. 32 (b) sowie den Montagepfeilen in Fig. 26 und Fig. 33.
Fig. 34 zeigt einen Teil eines robotergeführten minimalinvasiven chirurgischen
Instruments nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem
Antriebsmodul 10 und einem damit in nicht näher gezeigter Weise lösbar
verbundenen Instrumentenschaft 20 mit einem Endeffektor in Form einer beweglichen Klemme mit zwei Klingen 2.1 , 2.2. Nachfolgend wird eine Ausführung der Erfindung insbesondere anhand der Klinge 2.1 näher erläutert, Aufbau und Funktion der Klinge 2.2 sind analog, so dass hierauf Bezug genommen wird.
Die Klinge 2.1 weist gegenüber dem Instrumentenschaft 20 einen Drehfreiheitsgrad qi auf. Um diesen Freiheitsgrad zu aktuieren bzw. die Klinge 2.1 der Klemme zu öffnen bzw. zu schließen, sind zwei Antriebsstränge 21 , 22 einer instrumentenschaftseitigen Antriebsstranganordnung gegensinnig an der Klinge 2.1 angelenkt. Bei den
Antriebssträngen 21 , 22 kann es sich beispielsweise um Druckstangen bzw. Stößel handeln, die in dem Instrumentenschaft translatorisch beweglich gelagert sind.
Um die Druckstangen 21 , 22 gegensinnig zu aktuieren, weist das Antriebsmodul zwei gegensinnige Antriebsstränge 1 1 , 12 einer antriebsmodulseitigen
Antriebsstranganordnung auf, die über eine Wippe durch einen Elektromotor 13 eines Antriebs des Antriebsmoduls gegensinnig aktuierbar sind. Bei den Antriebssträngen 1 1 , 12 kann es sich ebenfalls um Druckstangen bzw. Stößel handeln, die in dem Antriebsmodul translatorisch beweglich gelagert sind. In einer Schnittstelle zwischen Antriebsmodul und Instrumentenschaft ist optional eine flexible Sterilbarriere 4 angeordnet, über die die instrumentenschaftseitige und die antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung miteinander lösbar gekoppelt sind.
Die Antriebsstranganordnungen sind einseitig translatorisch gekoppelt: die
Druckstangen bzw. Stößel 1 1 und 21 bzw. 12 und 22 sind translatorisch verschiebbar und können aufeinander über die Sterilbarriere hinweg nur Druckkräfte übertragen.
Um den Kraftschluss zwischen den Druckstangen bzw. Stößeln 1 1 und 21 sowie 12 und 22 sicherzustellen, die nur Druckkräfte über die Sterilbarriere 4 übertragen können, ist die antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung gegen die Schnittstelle vorgespannt, wie in Fig. 34 durch eine durch eine Feder 5 vorgespannte Lagerung des Elektromotors 13 mit angekoppelter Antriebsstranganordnung angedeutet.
An dem ersten antriebsmodulseitigen Antriebsstrang 1 1 sind zum Erfassen einer Last Fi in diesem Antriebsstrang ein erstes Messmittel in Form eines Dehnmessstreifens 31 und diesem gegenüberliegend ein drittes Messmittel in Form eines
Dehnmessstreifens 33 einer Messanordnung angeordnet. An dem zweiten antriebsmodulseitigen Antriebsstrang 12 zum Aktuieren desselben Freiheitsgrades qi der Klinge 2.1 des Endeffektors sind zum Erfassen einer Last F2 in diesem Antriebsstrang ein zweites Messmittel in Form eines Dehnmessstreifens 32 und diesem gegenüberliegend ein viertes Messmittel in Form eines
Dehnmessstreifens 34 der Messanordnung angeordnet. Wie in Fig. 35 gezeigt, sind das erste Messmittel 31 in einem ersten Zweig, das zweite Messmittel 32 in einem zweiten Zweig, das dritte Messmittel 33 in einem dritten Zweig und das vierte Messmittel 34 in einem vierten Zweig einer Wheatstoneschen
Vollbrückenschaltung miteinander signaltechnisch verknüpft. Dabei ist das zweite Messmittel 32 in Reihe mit dem ersten Messmittel 31 zwischen einer Speisespannung UE angeordnet, das dritte Messmittel 33 parallel zu dem zweiten Messmittel 32 zwischen der Speisespannung, und das vierte Messmittel 34 parallel zu dem ersten Messmittel 31 zwischen der Speisespannung.
Durch die Verschaltung des ersten und dritten bzw. zweiten und vierten Messmittels zu einem verknüpften Ausgangssignal in Form einer Brücken-Ausgangsspannung UA können insbesondere Biegemomente in den Antriebssträngen 1 1 , 12 kompensiert werden, die mit keinen aktiven Kräften des Endeffektors korrespondieren. Durch die Verschaltung des ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Messmittels im bzw. der Brücken-Ausgangsspannung UA kann insbesondere die gemeinsame Vorspannung der antriebsmodulseitigen Antriebsstranganordnung kompensiert werden, die auf die gegensinnigen Stößel 1 1 , 12 wirkt und somit keine aktive, die Klinge 2.1 aktuierende Kraft ist. Bei im unbelasteten Zustand abgeglichener Brücke ergibt sich im
Ausführungsbeispiel ein, wenigstens im Wesentlichen, linearer Zusammenhang zwischen der um die Vorspannung der Feder 5 bereinigten, d.h. aktiv die Klinge 2.1 aktuierenden Kraft und dem Doppelten der von dem Dehnmessstreifen 31 erfassten Dehnung, vorteilhafterweise also zusätzlich eine signaltechnische Verstärkung der erfassten Last.
Wie in Fig. 34 angedeutet, sind die Messmittel 31 -34 der Messanordnung zum
Erfassen axialer Drucklasten in Längsrichtung der Antriebsstränge 1 1 , 12 ausgerichtet und in radialen Aussparungen der Antriebsstränge 1 1 , 12 angeordnet.
Insbesondere, um den Elektromotor 13 und/oder ein manuelles Teleoperationsmittel, beispielsweise ein Spiegelinstrument (nicht dargestellt) zu steuern, werden durch die Messmittel 31 -34 die aktiven bzw. generalisierten Lasten Fi , F2 erfasst und der Antrieb und das Teleoperationsmittel auf Basis dieser erfassten Lasten gesteuert. Auf diese Weise kann dem Teleoperateur beispielsweise eine haptische Rückmeldung über die Klemmkräfte vermittelt werden, die der Endeffektor auf ein Lumen ausübt, bzw. über den Widerstand, den das Lumen der Klemme 2.1 , 2.2 entgegensetzt.
Fig. 36 zeigt zur kompakteren Darstellung gleichermaßen einen Teil eines
Steuermittels wie auch eines Verfahrens nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Ein Steuermittel 3, das beispielsweise in einer Steuerung des Roboters implementiert sein kann, der das minimalinvasive chirurgische Instrument der Fig. 34 führt, erhält von der Messanordnung 31 -34 (vgl. auch Fig. 35) das verknüpfte Ausgangssignal UA, das, wie vorstehend erläutert, insbesondere proportional zum Doppelten der Last F im Antriebsstrang 1 1 ist. Auf Basis dieser durch die Messanordnung erfassten Last bestimmt das Steuermittel 3 ein Kommando S, welches es beispielsweise an eine Motorsteuerung des Elektromotors 13 oder ein Teleoperationsmittel in Form eines Spiegelinstruments (nicht dargestellt) ausgibt, so dass der Motor 13 eine gewünschte Soll-Kraft im Antriebsstrang 1 1 realisiert bzw. das Spiegelinstrument dem
Teleoperateur eine virtuelle Belastung vermittelt, die den tatsächlich am Endeffektor wirkenden Kräften FEi , FE2 entspricht.
Ein Verfahren, das beispielsweise von dem vorstehend erläuterten Steuermittel 3 ausgeführt wird, steuert in entsprechender Weise den Antrieb 13 bzw. das
Spiegelinstrument, indem es in einem Schritt S1 von der Messanordnung 31 -34 das verknüpfte Ausgangssignal UA erhält und auf Basis dieser durch die Messanordnung erfassten Last das Kommando S bestimmt, welches beispielsweise die
Motorsteuerung des Elektromotors 13 oder das Spiegelinstrument derart steuert, dass der Motor 13 die gewünschte Soll-Kraft im Antriebsstrang 1 1 realisiert bzw. das Spiegelinstrument dem Teleoperateur die virtuelle Belastung vermittelt, die den tatsächlich am Endeffektor wirkenden Kräften FE1, FE2 entspricht.
Fig. 37 zeigt einen Teil eines robotergeführten, minimalinvasiven chirurgischen Instruments nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt. Das Instrument weist einen Instrumentenschaft 31 und eine damit lösbar verbundene Antriebseinheit 30 auf. Der Instrumentenschaft weist eine Schnittstelle 42 zum Befestigen an einem Roboter 40 auf, der durch eine sterile Hülle 41 abgedeckt ist.
Der Instrumentenschaft weist mehrere Freiheitsgrade auf, von denen im
Ausführungsbeispiel exemplarisch zwei angedeutet sind: Der Instrumentenschaft weist ein Rohr 54 auf, das gegenüber einem
Instrumentenschaftgehäuse 53 in einem Drehlager 55 drehbar gelagert ist. Zwei gegenläufige Zugtrumme 57c, 57d beaufschlagen gegensinnig ein Getrieberad 58 und sind jeweils mit nachfolgend näher erläuterten Eintriebsgliedern in Form von
Eintriebsstößeln 37, 38 (vgl. Fig. 38) gekoppelt, die ihrerseits durch Abtriebsglieder in Form von Abtriebsstößeln 34, 35 (vgl. Fig. 38) aktuiert werden. Ab- und
Eintriebsstößel 34/37 bzw. 35/38 bilden jeweils ein Stößelpaar, welches in Fig. 37 mit 45a - 45d bezeichnet ist. Durch gegensinnige Aktuierung der Stößelpaare 45c, 45d kann das Rohr 54 im Drehlager 55 in beide Richtungen verdreht und so dieser
Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes 31 aktuiert werden. Am antriebseinheitfernen Ende des Rohres 54 ist ein Endeffektor angeordnet (nicht dargestellt), der wenigstens einen Freiheitsgrad relativ zum Rohr und/oder wenigstens einen funktionalen Freiheitsgrad, beispielsweise das Öffnen und Schließen einer Zange, aufweist. Zwei gegenläufige Zugtrumme 57a, 57b beaufschlagen gegensinnig den Endeffektor und sind jeweils mit nachfolgend näher erläuterten Eintriebsgliedern in Form von Eintriebsstößeln 37, 38 (vgl. Fig. 38) gekoppelt, die ihrerseits durch Abtriebsglieder in Form von Abtriebsstößeln 34, 35 (vgl. Fig. 38) aktuiert werden.
Durch gegensinnige Aktuierung der Stößelpaare 45a, 45b kann ein Freiheitsgrad des Endeffektors aktuiert werden.
Die Eintriebsstößel 37, 38 sind im Ausführungsbeispiel translatorisch bzw.
verschiebbar in einer Schnittstelle 56a bzw. 56b des Instrumentenschaftes 31 gelagert. In einer nicht dargestellten Abwandlung können gleichermaßen rotatorische bzw.
drehbare Eintriebswellen drehfest mit Abtriebswellen gekoppelt sein, eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird insofern nur exemplarisch mit zur Aktuierung verschiebbaren Ab- und Eintriebsgliedern erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Die Antriebseinheit 30 weist ein Gehäuse 49 auf, in dem exemplarisch zwei
Antriebsmodule 47a, 47b zum Aktuieren der vorstehend erläuterten Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes 31 angeordnet sind. Die Antriebsmodule weisen jeweils einen Antrieb in Form eines Elektromotors 44a bzw. 44b und eine
Abtriebsgliedanordnung mit zwei translatorisch beweglichen Abtriebsgliedern auf, die die Abtriebsstößel der Stößelpaare 45a, 45b bzw. 45c, 45d bilden.
Die Aktuierung der Eintriebsstößel durch Abtriebsstößel wird nachfolgend
insbesondere mit Bezug auf Fig. 38 erläutert. Dabei können deren Stößelpaare 34/37 und 35/38 gleichermaßen die vorstehend genannten Stößelpaare 45a und 45b oder 45c und 45d darstellen.
Der Antrieb 44, der der Antrieb 44a oder 44b der Fig. 37 sein kann, aktuiert
gegensinnig die zwei Abtriebsstößel 34 und 35, die verschiebbar in einem Gehäuse des Antriebsmoduls 47 gelagert sind, das das Antriebsmodul 47a oder 47b der Fig. 37 sein kann. Ab- und Eintriebsgliedanordnung 34, 35 und 37, 38 sind im
Ausführungsbeispiel über eine optionale, flexible Sterilbarriere 32 einseitig gekoppelt. Die Eintriebsstößel 37, 38 sind über Koppelstangen mit einer Wippe gekoppelt, die ihrerseits die Zugtrumme 57.1 , 57.2 gegensinnig aktuiert, die die Zugtrumme 57a, 57b oder 57c, 57d der Fig. 37 sein können. Koppelstangen und Wippe bilden ein Getriebe, welches in Fig. 38 strichpunktiert abgegrenzt ist. Die Antriebsmodule sind, wie in Fig. 37, 38 angedeutet, in dem Gehäuse 49 der
Antriebseinheit 30 jeweils in einer Koppelrichtung (horizontal in Fig. 37; vertikal in Fig. 38) gegen die Eintriebsgliedanordnung 37, 38 beweglich gelagert und vorgespannt. Die Koppelrichtungen der zwei Antriebsmodule 47a, 47b sind parallel (vgl. Fig. 37) zueinander und zur jeweiligen Aktuierungsrichtung, in der die Glieder zum Aktuieren der Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes beweglich sind.
Die Antriebsmodule können eine Druckfeder aufweisen, die das Antriebsmodul in dem Gehäuse fesselt und in Koppelrichtung bzw. gegen die Eintriebsgliedanordnung vorspannt. Diese ist in Fig. 37 mit 46a bzw. 46b, in Fig. 38 gemeinsam mit 46 bezeichnet. In einer in Fig. 41 gezeigten Abwandlung weist das Antriebsmodul stattdessen eine Magnetanordnung zum Vorspannen des Antriebsmoduls auf.
Die Magnetanordnung weist im Ausführungsbeispiel einen Elektromagneten 100 an dem Gehäuse 49 der Antriebseinheit auf einer instrumentenschaftzugewandten Seite (unten in Fig. 41 ) und diesem gegenüberliegend, einen Permanentmagneten 101 auf, der an dem Antriebsmodul 47 angeordnet ist. Zusätzlich ist ein Elektromagnet 103 an dem Gehäuse auf einer instrumentenschaftabgewandten Seite (oben in Fig. 41 ) angeordnet und diesem gegenüberliegend ein Permanentmagnet 104 an dem
Antriebsmodul. Anstelle des Permanentmagneten 101 und/oder 104 kann auch ein weichmagnetischer Bereich vorgesehen sein, der durch die (bestromten)
Elektromagnete 100 bzw. 103 angezogen werden kann.
Der bestromte Elektromagnet 100 zieht das Antriebsmodul 47 magnetisch in
Koppelrichtung (nach unten in Fig. 41 ) und spannt so dessen Abtriebsgliedanordnung 34, 35 gegen die Eintriebsgliedanordnung (nicht dargestellt in Fig. 41 ) vor.
Gleichermaßen kann der bestromte Elektromagnet 103 den gegenpoligen
Permanentmagneten 104 abstoßen und so das Antriebsmodul 47 magnetisch in Koppelrichtung gegen die Eintriebsgliedanordnung vorspannen.
In einer nicht dargestellten Abwandlung kann einer der beiden Elektromagnete 100, 103 entfallen. Zusätzlich oder alternativ kann in einer Abwandlung anstelle des
Elektromagneten 100 und/oder 103 auch ein Permanentmagnet vorgesehen sein. Die Vorspannwirkung eines Permanentmagneten 101 kann durch Bestromen des
Elektromagneten 103 reduziert, insbesondere aufgehoben werden. Wenn in einer Abwandlung an Stelle des Elektromagneten 103 ein Permanentmagnet angeordnet ist, der zu dem Permanentmagneten 104 gegenpolig ist bzw. diesen magnetisch anzieht, oder der Permanentmagnet 104 durch einen weichmagnetischen Bereich des
Antriebsmoduls ersetzt ist, kann hierdurch eine permanentmagnetische
Antriebsmodul-Verriegelungsanordnung zum Verriegeln des zurückgezogenen
Antriebsmoduls verwirklicht sein, auf die nachfolgend mit Bezug auf Fig. 40A, 40B noch näher eingegangen wird. In der Ausführung der Fig. 41 weist die Magnetanordnung mehrere, vorzugsweise unmagnetische, Abstandselemente 102 auf, die einen direkten Kontakt zwischen dem Permanent- oder Elektromagneten 100 an dem Gehäuse der Antriebseinheit mit dem weich- oder hartmagnetischen Bereich, insbesondere (weiteren) Permanentmagneten 101 an dem Antriebsmodul verhindern. Gleichermaßen verhindern, vorzugsweise unmagnetische, Abstandselemente 105 einen direkten Kontakt zwischen dem
Permanent- oder Elektromagneten 103 und dem weich- oder hartmagnetischen Bereich, insbesondere (weiteren) Permanentmagneten 104.
Fig. 39 zeigt ein Antriebsmodul und eine damit gekoppelte Eintriebsgliedanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 38 entsprechender Darstellung. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
Wie in der Ausführung der Fig. 38 exemplarisch gezeigt, kann ein Antriebsmodul 47 direkt im Gehäuse 49 der Antriebseinheit 30 beweglich gelagert sein, insbesondere formschlüssig, beispielsweise durch eine oder mehrere Nuten und/oder Rippen.
Zusätzlich oder alternativ kann, wie in der Ausführung der Fig. 39 nur exemplarisch gezeigt, in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Abtriebsgliedanordnung in dem Gehäuse der Antriebseinheit beweglich gelagert sein, wobei der Antrieb, insbesondere ein Antriebsmodulgehäuse 47.1 , in dem dieser abgestützt ist, beweglich an der Abtriebsgliedanordnung gelagert und, insbesondere elastisch und/oder permanent- und/oder elektromagnetisch, gegen das Gehäuse der Antriebseinheit gefesselt und dadurch in Koppelrichtung vorgespannt ist. In der Ausführung der Fig. 39 sind die Abtriebsstößel 34, 35 jeweils in Schublagern des Gehäuses 49 der
Antriebseinheit beweglich gelagert. Ein Gehäuse 47.1 des Antriebsmoduls, in dem sich der die Abtriebsstößel 34, 35 gegensinnig beaufschlagende Antrieb abstützt, ist durch eine Magnetanordnung oder Druckfeder 46 gegen das Gehäuse 49 der
Antriebseinheit gefesselt und dadurch in Koppelrichtung (vertikal nach unten in Fig. 39) vorgespannt.
Fig. 40A, 40B zeigen ein Antriebsmodul und eine damit gekoppelte
Eintriebsgliedanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 38 entsprechender Darstellung. Mit den anderen Ausführungen
übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Fig. 40A zeigt dabei das Antriebsmodul in einem mit der Eintriebsgliedanordnung gekoppelten Zustand, Fig. 40B das zurückgezogene und verriegelte Antriebsmodul.
Wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 41 erläutert, kann durch wahlweises, insbesondere gesteuertes Bestromen einer Magnetanordnung mit wenigstens einem
Elektromagneten 100 und/oder 103 das Antriebsmodul 47 gegen die Vorspannung zurückgezogen werden. Dies kann insbesondere ein An- und Abkoppeln der
Antriebseinheit an den Instrumentenschaft erleichtern, da dabei nicht die (volle) Vorspannung, insbesondere manuell, überwunden werden muss. Somit stellt eine entsprechend bestromte Magnetanordnung, wie sie mit Bezug auf Fig. 41 erläutert wurde, eine magnetische Rückzuganordnung zum Zurückziehen des Antriebsmoduls gegen die Vorspannung dar.
Zusätzlich oder alternativ kann eine mechanische Rückzuganordnung zum
Zurückziehen des Antriebsmoduls gegen die Vorspannung vorgesehen sein, wie sie nun exemplarisch mit Bezug auf Fig. 40A, 40B erläutert wird.
In der Ausführung der Fig. 40 weist der Antrieb ein Abtriebsmittel in Form einer Wippe 59 auf, mit der die Abtriebsstößel 34, 35 über Koppelstangen gegenläufig gekoppelt sind. Zum Aktuieren eines Freiheitsgrads des Instrumentenschaftes benötigt der Antrieb nur einen begrenzten Winkelbereich, der somit einen Aktuierbereich definiert. Von diesem ist ein Rückzugbereich durch einen mechanischen Anschlag 60 für die Wippe 59 abgegrenzt, die hierzu aus einem Gehäuse des Antriebsmoduls 47.1 hervorragt.
Solange der Antrieb die Wippe innerhalb des Aktuierbereichs bewegt, wie in Fig. 40A angedeutet, werden die Abtriebsstößel gegensinnig aktuiert. Mit Erreichen des Rückzugbereichs stützt sich, wie in Fig. 40B dargestellt, die Wippe 59 an dem mechanischen Anschlag 60 ab. Durch Weiterdrehen der Wippe in den
Rückzugbereich hinein verschiebt der Antrieb über die Wippe 59 das Antriebsmodul gegen die Vorspannung des Federmittels 46 und zieht somit das Antriebsmodul motorisch gegen die Vorspannung zurück. In einer nicht dargestellten Abwandlung interagiert der Anschlag 60 nicht mit der Wippe 59, sondern einem oder beiden Stößeln 34, 35. Wie in Fig. 41 dargestellt, kann die Rückzuganordnung 59, 60 auch mit einer magnetischen Vorspannung, insbesondere durch eine Magnetanordnung mit
Permanentmagnete 101 und/oder 104, kombiniert sein.
Insbesondere, um den Antrieb zu entlasten, kann eine Antriebsmodul- Verriegelungsanordnung zum Verriegeln des zurückgezogenen Antriebsmoduls vorgesehen sein. Diese weist in der Ausführung der Fig. 40B einen federbelasteten und manuell oder automatisch lösbaren Riegel 61 auf, durch den das gegen die Vorspannung zurückgezogene Abtriebsmodul formschlüssig gesichert wird.
Die Antriebsmodul-Verriegelungsanordnung kann auch magnetisch ausgebildet sein. Wenn, wie mit Bezug auf Fig. 41 erläutert, ein Magnet, insbesondere ein
Permanentmagnet 101 , einen weichmagnetischen Bereich oder gegenpoligen Permanentmagneten 104 des Antriebsmoduls magnetisch anzieht, kann hierdurch das (stärker vorgespannte) Antriebsmodul magnetisch verriegelt werden. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Rückzuganordnung auch zum Lösen der Verriegelung bzw. zum Verstellen des Antriebsmoduls in Koppelrichtung ausgebildet. Hierzu kann in einer Ausführung allgemein ein mechanischer
Gegenanschlag vorgesehen sein, an dem sich das Abtriebsmittel abstützt, wenn es in einen von dem Aktuierungs- und Rückzugbereich verschiedenen Vorschubbereich verstellt wird. In der Ausführung der Fig. 41 ist ein entsprechender Gegenanschlag 106 am Gehäuse der Antriebseinheit angeordnet und definiert einen vom
Aktuierbereich und dem durch den Anschlag 60 definierten Rückzugbereich verschiedenen Vorschubbereich. Mit Erreichen des Vorschubbereichs stützt sich, wie in Fig. 41 dargestellt, die Wippe 59 an dem mechanischen Gegenanschlag 106 ab. Durch Weiterdrehen der Wippe in den Vorschubbereich hinein verschiebt der Antrieb über die Wippe 59 das Antriebsmodul gegen die Verriegelung der Magnetanordnung 103, 104 in Koppelrichtung (vertikal nach unten in Fig. 41 ). Auch hier kann in einer Abwandlung der Anschlag 60 statt mit Wippe 59 mit einem oder beiden Stößeln 34, 35 interagieren.
Wie insbesondere in Fign. 37 und 42-46 erkennbar, schließt die Koppelrichtung (horizontal in den Figuren), in der das Antriebsmodul 47(a, b) in dem Gehäuse 49 der Antriebseinheit beweglich gelagert und vorgespannt ist, mit einer Längsachse des Instrumentenschaftes 31 (vertikal in den Figuren) einen Winkel ein, der im
Wesentlichen 90° beträgt.
Mit Bezug auf Fig. 42 - 46 wird nachfolgend eine Aufnahme des Instrumentenschafts zur formschlüssigen, lösbaren Befestigung der Antriebseinheit nach verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung erläutert. Mit den anderen Ausführungen übereinstimmende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die
Unterschiede eingegangen wird. Die Figuren zeigen jeweils einen Teil des
Instrumentenschafts mit seiner Aufnahme sowie die noch hiervon getrennte
Antriebseinheit, wobei eine Einführrichtung der Antriebseinheit in die Aufnahme durch einen Bewegungspfeil angedeutet ist.
Die Aufnahme 80 der Ausführung der Fig. 42(a) weist eine angefaste Einführöffnung 140 zum Einführen der Antriebseinheit 30 in einer Einführrichtung auf, wobei die Einführrichtung parallel zur Längsachse des Instrumentenschaftes 31 (vertikal in Fig. 42(a)) ist. Die Einführöffnung 140 ist auf der instrumentenschaftabgewandten Seite (oben in Fig. 42(a)) angeordnet.
Die beweglichen Eintriebsglieder der Eintriebsgliedanordnung 45.2 des
Instrumentenschaftes, beispielsweise die Eintriebsstößel 37, 38, wie sie vorstehend mit Bezug auf Fig. 38 - 41 erläutert wurden, stehen senkrecht zur Längsachse des Instrumentenschaftes 31 zu dessen Aufnahme 80 hin vor, wobei die Schnittstelle bzw. Kontaktebene der Eintriebsgliedanordnung 45.2 parallel zur Längsachse ist.
In der Ausführung der Fig. 42(b) ist die Eintriebsgliedanordnung 45.2 des
Instrumentenschaftes 31 in einer Vertiefung 142 angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist die Abtriebsgliedanordnung 45.1 der Antriebseinheit 30, beispielsweise die Abtriebsstößel 34, 35, wie sie vorstehend mit Bezug auf Fig. 38 - 41 erläutert wurden, in einer Vertiefung 143 angeordnet, wenn sie durch die Rückzuganordnung gegen die Vorspannung zurückgezogen ist. Nach Einführen der Antriebseinheit 30 in die Aufnahme 80 und Entriegeln der Rückzuganordnung bzw. Aufbauen der
Vorspannung kontaktiert die vorgespannte Abtriebsgliedanordnung 45.1 , die dann aus der Vertiefung 143 vorsteht, die Eintriebsgliedanordnung 45.2 des
Instrumentenschaftes 31 . Die Ausführung der Fig. 43(a) entspricht im Wesentlichen derjenigen der Fig. 42(a). Zum formschlüssigen Befestigen der Antriebseinheit 30 in der Aufnahme 80 des Instrumentenschafts 31 ist ein Bajonettverschluss mit wenigstens einem Vorsprung 151 am Gehäuse 49 der Antriebseinheit vorgesehen, der infolge einer Verdrehung der Antriebseinheit in eine Aussparung 150 der Aufnahme 80 eingreift. Gleichermaßen kann der Vorsprung 151 in einer Abwandlung infolge einer Verschiebung (horizontal nach links in Fig. 43(a)) statt durch eine Verdrehung in die Aussparung 150 der Aufnahme 80 eingreifen, wobei diese Verschiebung vorzugsweise durch Aufprägen der Vorspannkraft erfolgt. Der Anwender schiebt somit die Antriebseinheit (vertikal von oben in Fig. 43(a)) in die Aufnahme ein. Anschließend wird, insbesondere manuell oder automatisch, ein Ankopplungsvorgang initiiert, bei dem die Schnittstellen mit der Vorspannkraft beaufschlagt werden. Dadurch wird der Vorsprung 151 der Antriebseinheit senkrecht zur Einführrichtung in die Aussparung 150 gedrückt und somit die Antriebseinheit formschlüssig verriegelt. Die Ausführung der Fig. 43(b) entspricht im Wesentlichen derjenigen der Fig. 42(a), 43(a). Die Aufnahme 80 weist in dieser Ausführung eine mehrteilige formschlüssige Führung zum Einführen der Antriebseinheit 30 in der Einführrichtung auf. Die Führung weist mehrere Führungsnuten 152 auf, die mit entsprechenden Vorsprüngen 153 am Gehäuse 49 der Antriebseinheit 30 formschlüssig zusammenwirken, um dieses formschlüssig in der Aufnahme 80 des Instrumentenschafts 31 zu befestigen. Die Führungsnuten 152 sind im Wesentlichen L-förmig ausgebildet, so dass die
Antriebseinheit wiederum infolge einer Verdrehung in der Aufnahme formschlüssig festgelegt werden kann. Wie bei dem Bajonettverschluss der Ausführung nach Fig. 43(a) ist die nach Einführen in der Aufnahme verdrehte und hierdurch formschlüssig festgelegte Antriebseinheit entgegen der Einführrichtung vorgespannt, beispielsweise durch entsprechendes Übermaß oder elastische Federmittel (nicht dargestellt), um so reibschlüssig einem Zurückdrehen und damit Lösen der Antriebseinheit
entgegenzuwirken. Gleichermaßen können auch hier in einer Abwandlung wie in der vorstehend mit Bezug auf Fig. 43(a) erläuterten Abwandlung die Vorsprünge 153 infolge einer Verschiebung (horizontal nach links in Fig. 43(b)) in den kurzen Schenkel der Aussparungen 152 senkrecht zur Einführrichtung verschoben werden, wobei diese Verschiebung wiederum vorzugsweise durch Aufprägen der Vorspannkraft erfolgt. Der Anwender schiebt somit die Antriebseinheit (vertikal von oben in Fig. 43(b)) in die Aufnahme ein. Dabei gleiten die Vorsprünge 153 in den langen Schenkeln der L-förmigen Aussparungen 152 bis zu deren Knick. Anschließend wird, insbesondere manuell oder automatisch, ein Ankopplungsvorgang initiiert, bei dem die Schnittstellen mit der Vorspannkraft beaufschlagt werden. Dadurch werden die Vorsprünge 153 der Antriebseinheit senkrecht zur Einführrichtung in den Aussparungen 152 verschoben und somit die Antriebseinheit formschlüssig verriegelt.
Die Ausführung der Fig. 44(a) entspricht im Wesentlichen derjenigen der Fig. 43(b), wobei hier eine Führungsrippe 161 , die sich in Einführrichtung erstreckt, in eine hierzu komplementäre Führungsnut 160 der Aufnahme 80 eingeführt und in dieser beispielsweise reibschlüssig festgelegt wird bzw. ist. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie exemplarisch in Fig. 44(a) dargestellt ist, weist die Aufnahme allgemein zusätzlich zu der Einführöffnung eine weitere Öffnung (links in Fig. 44(a)) auf, insbesondere, um eine Signal- und/oder energietechnische Verbindung der Antriebseinheit zu verbessern (nicht dargestellt).
In der Ausführung der Fig. 44(b) ist die Einführrichtung senkrecht zur Längsachse des Instrumentenschaftes. Die Einführöffnung ist auf der instrumentenschaftabgewandten Seite (links in Fig. 44(b)) angeordnet.
In der Ausführung der Fig. 44(b) ist eine Antriebseinheit-Verriegelungsanordnung zum formschlüssigen Verriegeln der Antriebseinheit 30 in der Aufnahme 80 in Form eines beweglichen, vorgespannten Riegels 167 vorgesehen, der in der Antriebseinheit 30 einrastet, wenn diese in der Aufnahme 80 platziert ist. Obwohl nicht dargestellt, kann eine solche oder ähnliche Antriebseinheit-Verriegelungsanordnung auch in den anderen Ausführungen vorgesehen sein, insbesondere zusätzlich oder alternativ zu einer formschlüssigen Festlegung, insbesondere einem Bajonettverschluss, oder einer reibschlüssigen Festlegung. Die Aufnahme 80 der Ausführung der Fig. 44(b) weist eine oder mehrere
Führungsrippen 165 auf, die in entsprechende Führungsnuten 166 im Gehäuse 49 der Antriebseinheit 30 eingreifen. Wie mit Bezug auf Fig. 42(b) beschrieben, ist die
Eintriebsgliedanordnung 45.2 in einer Vertiefung 164 angeordnet. Die Ausführung der Fig. 45(a) entspricht im Wesentlichen derjenigen der Fig. 44(b), wobei die Einführöffnung durch eine verschwenkbare Klappe 170 verschließbar ist, um die Antriebseinheit 30 entgegen der Einführrichtung formschlüssig festzulegen.
In der Ausführung der Fig. 45(b) ist die Aufnahme 80 relativ zur Längsachse des Instrumentenschafts verschwenkbar. Dies ermöglicht es, die Antriebseinheit 30, wie in Fig. 45(b) durch Bewegungspfeile angedeutet, zunächst in die in eine
Aufnahmestellung (vgl. Fig. 45(b)) verschwenkte Aufnahme einzuführen, und dann die Aufnahme in eine Verriegelungsstellung zu verschwenken, wobei die Antriebseinheit in dieser Verriegelungsstellung der Aufnahme dann formschlüssig fixiert ist. In der Ausführung der Fig. 46(a) weist die Antriebseinheit 30 ein konvergentes
Verdrängungsmittel zum Verdrängen der Eintriebsgliedanordnung des
Instrumentenschaftes bei einem Einführen der Antriebseinheit in die Aufnahme des Instrumentenschaftes auf. Das konvergente Verdrängungsmittel der Ausführung der Fig. 46(a) weist eine konvexe, insbesondere schräge oder elliptische Fläche auf, die in einem ersten Abschnitt 180a in Einführrichtung konvergiert und so
überdurchschnittlich vorstehende Eintriebsglieder der Eintriebsgliedanordnung 45. 2 beim Einführen formschlüssig zurückdrängt. An die in Einführrichtung konvergierende Fläche 180a schließt sich eine in Einführrichtung divergierende, in der Ausführung der Fig. 46(a) ebenfalls konvexe Fläche 180b an, um auch bei einem Ausführen der Antriebseinheit 30 aus der Aufnahme 80 vorstehende Eintriebsglieder
zurückzudrängen.
In der Ausführung der Fig. 46(b) weist die Antriebseinheit 30 hingegen ein
bewegliches Verdrängungsmittel in Form mehrerer drehbarer Rollen 181 a, 181 b auf, welche beim Einführen überdurchschnittlich vorstehende Eintriebsglieder der
Eintriebsgliedanordnung 45.2 zurückdrängen und so die Eintriebsgliedanordnung nivellieren. Nach Überlaufen der Rollen 181a, 181 b bzw. der konvexen Fläche 180a stehen die Eintriebsglieder, wenigstens im Wesentlichen, gleichmäßig zu der
Aufnahme des Instrumentenschaftes hin vor.
Fig. 47 zeigt schematisch ein chirurgisches Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Instrumentenschaft 20. Der Instrumentenschaft weist ein starres, gelenkiges oder biegsamens Rohr 22 auf, an dessen distalem Ende ein Endeffektor 21 angeordnet ist, der einen oder mehrere funktionale und/oder kinematische Freiheitsgrade aufweist. In einem proximalen Instrumentengehäuse 23 des Instrumentenschafts ist ein Antriebsmodul 25 lösbar an einer Schnittstelle 24 mit dem Instrumentenschaft verbunden. Das Rohr 22 kann an dem Instrumentengehäuse 23 fixiert oder drehbar gelagert sein, sodass das Rohr 22 einen Drehfreiheitsgrad um seine Längsachse aufweist.
Fig. 48A, 48B zeigen diese Schnittstelle in unterschiedlichen perspektivischen
Ansichten. Zur besseren Übersicht sind nur einige Komponenten des Antriebsmoduls 25 und Instrumentenschaftes 20 dargestellt und daher durch einen Apostroph (') gekennzeichnet. Insbesondere ist nur ein Antriebsstrang zur Aktuierung eines
Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes gezeigt, weitere Antriebsstränge sind analog aufgebaut und beispielsweise parallel zu dem gezeigten Antriebsstrang angeordnet.
Jeder Antriebsstrang weist einen Aktuator in Form einer Elektromotor-Getriebe-Einheit 31 ' auf, deren Abtriebswelle ein unbegrenzt drehbares Abtriebsglied des
Antriebsmoduls darstellt.
Mit diesem Abtriebsglied wird in nachfolgend beschriebener Weise ein Eintriebsglied 32' gekoppelt, das in einem Schublager 34' formschlüssig in einer Verschiebeachse B' verschiebbar in dem Instrumentenschaft geführt ist. Das Eintriebsglied ist durch ein Zugmittel oder eine Druckstange 36 mit dem
Endeffektor 21 verbunden, um diesen zu aktuieren (nicht dargestellt), wobei die Druckstange parallel zu der Verschiebeachse B' ist. Das Eintriebsglied ist zwischen zwei Endanschlägen 37.1 , 37.2 (vgl. Fig. 53, in Fig. 48 nicht dargestellt) verschiebbar.
An dem Eintriebsglied ist eine lineare Nut 33' angeordnet, die senkrecht zu der Verschiebeachse B' ist. Ein Führungselement 30' ist exzentrisch an dem drehbaren Abtriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt, wenn Ab- und
Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. Die Drehachse des drehbaren
Abtriebsgliedes ist senkrecht zu der Verschiebeachse B' des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes und der Nut. Das Führungselement 30' weist einen Zapfen auf, auf dem ein Wälzkörper in Form eines Laufrings gleit- oder wälzgelagert ist. In einer Abwandlung kann stattdessen auch ein außenringloses Wälzlager auf dem Zapfen angeordnet sein.
Fig. 49(a), (b) zeigen Schritte beim Koppeln des Führungselements mit der Nut, Fig. 49(c)-(f) Schritte beim Aktuieren des Eintriebsglieds durch das Abtriebsglied.
In Fig. 49(a) sind Antriebsmodul und Instrumentenschaft miteinander verbunden, wobei Abtriebsglied und Eintriebsglied 32' noch nicht miteinander gekoppelt sind. Durch Drehen des Abtriebsgliedes (vgl. Bewegungspfeil A' in Fig. 48A, 49(c)) rotiert das Führungselement 30' durch eine Öffnung in der in Fig. 49 oberen Führungswand der Nut 33' in die Nut (vgl. Bewegungspfeil F in Fig.49(a)) und koppelt so - zunächst einseitig - Abtriebsglied und Eintriebsglied (Fig. 49(b)). Bei Weiterdrehen des
Abtriebsgliedes (vgl. Bewegungspfeil A' in Fig. 49(c)) verschiebt das nun in der Nut 33' geführte Führungselement 30' das Eintriebsglied 32' im Schublager 34' in seiner Verschiebeachse B'. In den Fig. 49(d) bis 49(f) wird deutlich, wie das drehende Abtriebsglied das Eintriebsglied beidseitig entlang seiner Verschiebeachse B' verschiebt und so den Endeffektor aktuieren kann: durch Drehen des Abtriebsglieds und des daran exzentrisch angeordneten Führungselements 30' in Richtung bzw. entgegen dem Bewegungspfeil A' in Fig. 49(c) kann das Eintriebsglied 32' in seiner Verschiebeachse B' in beide Richtungen (nach oben/unten in Fig. 49) verschoben und so über das Zugmittel bzw. die Druckstange 36 (vgl. Fig. 48) ein intrakorporaler Freiheitsgrad des Instruments aktuiert werden.
In der Ausführung der Fig. 48, 49 weist die (in den Figuren obere) Führungswand der Nut eine Öffnung zum Einführen des Führungselementes durch Drehen des
Abtriebsgliedes auf, die durch einen verkürzten Schenkel eines offenen bzw. U- förmigen Schenkelpaares ausgebildet ist, das seinerseits die Nut definiert.
Fig. 50 zeigt in Fig. 48 entsprechender Weise eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt. Wie in Fig. 48 sind zur besseren Übersicht nur einige Komponenten eines Antriebsmoduls 125 und Instrumentenschaftes 120 dargestellt, insbesondere nur ein Antriebsstrang zur Aktuierung eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes gezeigt, weitere Antriebsstränge können analog aufgebaut und beispielsweise parallel zu dem gezeigten Antriebsstrang angeordnet sein.
Jeder Antriebsstrang weist einen Aktuator, beispielsweise in Form einer Elektromotor- Getriebe-Einheit, 131 auf, deren Abtriebswelle ein unbegrenzt drehbares Abtriebsglied des Antriebsmoduls darstellt.
Mit diesem Abtriebsglied wird in nachfolgend beschriebener Weise ein Eintriebsglied 132 gekoppelt, das in einem Schublager (nicht dargestellt) formschlüssig in einer Verschiebeachse B'" verschiebbar in dem Instrumentenschaft geführt und durch ein Zugmittel oder eine Druckstange 136 mit dem Endeffektor verbunden ist, die parallel zu der Verschiebeachse B'" ist.
In dem Eintriebsglied ist eine lineare Nut (geschnitten in Fig. 50) angeordnet, die senkrecht zu der Verschiebeachse B'" und einer Achse eines Führungselements 30 ist, welches exzentrisch an dem drehbaren Abtriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. Die Drehachse des drehbaren Abtriebsgliedes ist senkrecht zu der Verschiebeachse B'" des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes und der Nut. Das exzentrische
Führungselement 130 stützt sich über ein Radiallager 140 an einem Rahmen 139 des Aktuators 131 ab.
In der Ausführung der Fig. 50 ist ein Toleranzelement 132.3 vorgesehen. Das
Toleranzelement ist an dem Eintriebsglied 132 parallel zu dessen Verschiebeachse B'" verschiebbar geführt und gegen dieses durch ein Federmittel 132.4 elastisch vorgespannt. Hierdurch verspannt das Toleranzelement 132.3 das Abtriebsglied und das Eintriebsglied in der Verschiebeachse B'" des Eintriebsgliedes, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. Das Toleranzelement weist eine Toleranzelementnut auf, die parallel zu der Nut in dem Eintriebsglied 132 ist und von dem Führungselement 130.2 durchgriffen wird, wenn Ab- und Eintriebselement gekoppelt sind.
In der Ausführung der Fig. 50 weist das Führungselement einen drehbar gelagerten Wälzkörper in Form eines gleit- oder wälzgelagerten Laufrings 130.2 zum Kontaktieren der Nut in dem Eintriebselement auf. Axial daneben ist ein weiterer drehbar gelagerter Wälzkörper in Form eines gleit- oder wälzgelagerten Laufrings 130.1 zum Kontaktieren der Toleranzelementnut angeordnet. In einer Abwandlung können stattdessen auch außenringlose Wälzlager vorgesehen sein. Das Führungselement 130 ist axial verschiebbar in dem Abtriebsglied gelagert.
Hierdurch kann es axial in die Nut in dem Eintriebselement und die
Toleranzelementnut ein- bzw. aus diesen ausgeführt werden. Es ist durch eine Axialfeder (nicht dargestellt) gegen die Nuten vorgespannt, so dass es selbsttätig in diese einfährt. Eine Kulisse 138 zum axialen Verschieben des Führungselements ist drehfest mit dem Rahmen 139 verbunden. Sie weist eine Schräge in Drehrichtung auf, auf der ein Bund des Führungselements aufläuft. Auf diese Weise kann durch Drehen des Abtriebsgliedes in der in Fig. 50 durch einen Bewegungspfeil A'" angedeuteten Richtung über die Kulisse 138 das Führungselement 130.2 axial verschoben (nach links in Fig. 50) und so außer Eingriff mit den Nuten gebracht werden. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann durch die Kulisse das Führungselement in
voneinander beabstandeten Drehstellungen gegensinnig axial verschoben und so nicht nur außer Eingriff, sondern auch in Eingriff mit den Nuten gebracht werden. Hierfür kann die Kulisse entsprechend der in Fig. 50 dargestellten Schräge eine weitere, hierzu gegensinnige und in Drehrichtung beabstandete Schräge aufweisen, die den Bund des Führungselements bei Drehen des Abtriebsglieds entgegen der Richtung A'" axial in die Nut einschiebt. In diesem Fall kann eine Vorspannung durch eine Axialfeder reduziert werden oder entfallen.
Fig. 51 A, 51 B zeigen in perspektivischer Ansicht (Fig. 51 A) und einem Teilschnitt (Fig. 51 B) eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren
Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diese entspricht im Wesentlichen der
Ausführung der Fig. 50, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 51 ist das Toleranzelement integral mit dem Eintriebsglied 132" ausgebildet, und zwar durch einen Hohlraum 333.3, in den eine integraler
Schenkel 333.1 einfedern kann, der beidseitig (links, rechts in Fig. 51 A) gelagert ist. Im Teilschnitt der Fig. 51 B ist das Führungselement 330 erkennbar, das durch ein Wälzlager 330.2 in der Nut 333.2 des Eintriebsglieds 132" geführt ist. Zusätzlich stützt sich das Führungselement 330 über ein weiteres Wälzlager 330.1 an dem Schenkel
333.1 des integralen Toleranzelements ab, welches das Führungselement 330 und damit das Abtriebsglied, in dem dieses gelagert ist, und das Eintriebsglied 132" in einer Verschiebeachse des Eintriebsgliedes (vertikal in Fig. 51 B) verspannt.
Fig. 52 zeigt in Fig. 51 B entsprechender Weise eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt. Diese entspricht im Wesentlichen der Ausführung der Fig. 50, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 52 ist auf einem Zapfen 130' des Führungselements ein Innenring 230.3 eines außenringlosen Wälzlagers mit Wälzkörpern 130.1 , 130.2 angeordnet. Dabei fungiert der in Fig. 52 rechte Wälzkörper 130.2 als
Toleranzelement, das das Führungselement und damit das Abtriebsglied gegen das Eintriebsglied 132' in einer Verschiebeachse Blv des Eintriebsgliedes verspannt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
Hierzu weist der in Fig. 52 linke Wälzkörper 130.1 des Führungselementes und das Toleranzelement 130.2 gegensinnige Schrägen auf, die zu gegensinnigen Schrägen 233.1 , 233.2 des Eintriebselements 132' komplementär sind. Das Toleranzelement
130.2 ist auf dem Innenring 230.3 des Führungselements axial verschiebbar geführt und gegen diesen durch ein Federmittel 230.4 elastisch vorgespannt. Durch das federmittelbedingte axiale Zustellen der Schräge des Toleranzelementes 130.2 verspannt dieses das Abtriebsglied und das Eintriebsglied 132' in der
Verschiebeachse BIV.
Wie vorstehend ausgeführt, stellen auch der in Fig. 52 linke Laufring 130.1 , der radial außen an dem Eintriebsglied 132' und/oder radial innen auf dem Innenring 230.3 gleitgelagert sein bzw. gleiten kann, sowie das in Fig. 52 rechte Toleranzelement 130.2, das radial außen an dem Eintriebsglied 132' und/oder radial innen auf dem Innenring 230.3 gleitgelagert sein bzw. gleiten kann, Wälzkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, Wälzkörper 130.1 , 130.2 und Innenring 230.3 zusammen somit ein außenringloses Wälzlager im Sinne der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich oder alternativ zu einer Drehbarkeit bzw. Gleitlagerung der Wälzkörper 130.1 , 130.2 gegenüber dem Eintriebsglied 132' und/oder dem Innenring 230.3 kann der Innenring 230.3 auf dem Zapfen 130'drehfest oder gleitgelagert sein bzw. gleiten. Fig. 53A, 53B zeigen eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Stellungen. Diese entspricht im Wesentlichen den vorstehend erläuterten Ausführungen, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird. In der Ausführung der Fig. 53 ist die O-förmig geschlossene Nut 33" im
Eintriebselement 32" asymmetrisch zur Drehachse des Abtriebsgliedes 31 "
(senkrecht auf der Bildebene der Fig. 53) und Verschiebeachse B" des
Eintriebselements 32" ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen nur bis zu dieser Drehachse. Hierdurch werden Abtriebsglied 31 " und Eintriebsglied 32" eindeutig miteinander gekoppelt. Denkt man sich die Nut 33" hingegen über die Drehachse hinaus, insbesondere symmetrisch zu dieser, verlängert (nach links in Fig. 53), wird deutlich, dass das Führungselement 30" dann jeweils in zwei zur Verschiebeachse B" symmetrischen Drehstellungen in die Nut 33" eingreifen könnte. Durch eine
asymmetrische Ausbildung der Nut 33' kann dies verhindert werden, durch diese kann das Führungselement 30" nur in je genau einer Drehstellung in die Nut 33" eingreifen.
Die Figurenfolge Fig. 53A -> Fig. 53B verdeutlicht nochmals das Funktionsprinzip der Schnittstelle nach einer Ausführung der Erfindung. Dreht das Abtriebselement 31 " in der in Fig. 53 durch den Bewegungspfeil A" angedeuteten Richtung, wird das hiermit gekoppelte Eintriebsglied 32" in seinem Schublager (schraffiert in Fig. 53) in seiner Verschiebeachse B" verschoben. Zur Begrenzung dieser Verschiebung, insbesondere bei abgekoppeltem Abtriebsglied, sind zwei Endanschläge 37.1 , 37.2 vorgesehen, auf die Stirnseiten 32.1 " bzw. 32.2" die Eintriebsglieder auflaufen.
Der (Voll)Hub H des Eintriebsglieds ergibt sich bei entkoppeltem Abtriebsglied durch den Abstand der Endanschläge 37.1 , 37.2 abzüglich der Abstände B der Stirnseiten 32.1 " bzw. 32.2" von einer Mittellinie der Nut 33". Daher ist in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, für die die Darstellung der Fig. 53 nur eine mögliche
Ausführung zeigt, allgemein ein Abstand B einer Stirnseite des Eintriebsgliedes von einer Mittellinie der Nut in dem Eintriebsglied wenigstens gleich dem Vollhub zuzüglich der halben Nutweite, mit den Bezeichungen der Fig. 53:
B > H + D/2 mit
B: Abstand einer Stirnseite
des Eintriebsgliedes von
einer Mittellinie der Nut;
H: Gesamthub des Eintriebsgliedes; und D: Nutweite.
Fig. 54 zeigt eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diese entspricht im Wesentlichen den vorstehend erläuterten Ausführungen, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 54 ist zwischen dem Führungselement 30 des
Abtriebsglieds 31 des Antriebsmoduls 25, das in die Nut 33 des am Schublager 34 des Instrumentenschaftes 20 in Verschiebeachse B geführten Eintriebsglieds 32 eingreift, um eine Drehbewegung A des Führungselements 30 in einer
translatorischen Verschiebung des Eintriebsglieds 32 umzusetzen, eine Sterilbarriere 35 angeordnet. Diese kann auch in den vorstehend erläuterten Ausführungen der Fig. 47 - 53 vorgesehen sein, ohne dort gezeigt zu sein.
Fig. 55A - 55D zeigen eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht in Richtung einer Verschiebeachse (Fig. 55A, 55B) bzw. in perspektivischer Ansicht (Fig. 55C, 55D), wobei das Ab- und Eintriebsglied nicht miteinander gekoppelt (Fig. 55A) bzw.
miteinander gekoppelt (Fig. 55B) sind. Diese entspricht im Wesentlichen den vorstehend erläuterten Ausführungen, insbesondere gemäß Fig. 48, so dass auf die Beschreibung der vorhergehenden Ausführungen Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 55 ist das Eintriebsglied 32' in einem Schublager 34' mit einem größeren Spiel, insbesondere lose, verschiebbar an dem Instrumentenschaft geführt. Zusätzlich ist es in einem Schublager 340 mit einem kleineren Spiel, insbesondere wenigstens im Wesentlichen spielfrei, an dem Aktuator 31 ' des
Antriebsmoduls verschiebbar geführt sein, wenn dieses mit dem Instrumentenschaft verbunden ist (vgl. Fig. 55B). Im verbundenen Zustand wird somit die ungenauere Führung am Instrumentenschaft funktionslos. Hierdurch kann die aufwändigere, präzisere Führung auf das Antriebsmodul verlagert und so der Instrumentenschaft einfacher und/oder kostengünstiger, insbesondere leichter sterilisierbar und/oder als Einmalartikel ausgebildet werden bzw. sein. Sobald Instrumentenschaft und
Antriebsmodul verbunden sind, übernimmt dieses die - präzisere - Führung des Eintriebsgliedes.
Bezugszeichenliste den Figuren 1 bis 33:
Antriebseinheit
Instrumentenschaft
Sterilbarriere
Ausgleichselement
Wellmembran (vorgespannte Lose)
Wellbalg (vorgespannte Lose)
Elastomer-Stulpe (Lose)
translatorisch verschiebbare Dichtung
steriler Fortsatz
Aufdickung
Adapter (Befestigungselement)
A, 10B Abtriebselement (Abtriebsanordnung)
C Koppelmittel
D Führungsschiene
Abtriebselementbasis
A, 20B Eintriebselement (Antriebsanordnung)
C Koppelmittel
D Dreh-Schublager
E Verzahnung
Eintriebselementbasis
Rolle
Koppelstange
Feder
Seilzug
0 Zapfen (Abtriebselement)
0.1 Dehnhülse/Spannhebel (elastischer/separater Körper)0.2 Gewindespindel/Betätigungsstift (Klemmmittel)0.3 Elektromotor
0.4 Spindelmutter
0.5 Schublager 100.6 Rastkugeln
100.7 Zwischenelement(anordnung)
100.8 Käfighülse
200 Kupplungsbuchse mit Aussparung (Eintriebselement)
200.1 Druckfeder
1000 Kipphebel (Ab-/Eintriebselement)
2000 Kupplungsteil (Ein-/Abtriebselement)
2000.1 Schublager
In den Figuren 34 bis 36:
2.1 , 2.2 Klinge (Endeffektor)
3 Steuermittel
4 Sterilbarriere
5 Feder
10 Antriebsmodul
1 1 , 12 Stößel ((antriebsmodulsseitige) Antriebsstrang(anordnung))
13 Elektromotor (Antrieb)
20 Instrumentenschaft
21 , 22 Stößel ((instrumentenschaftseitige) Antriebsstrang(anordnung))
31-34 Dehnmessstreifen (Messmittel/-anordnung)
FEI , FE2 Klemmkraft
FSI , Fs2 Instrumentenschaft-Stößel-Kraft
Fi, F2 Antriebsmodul-Stößel-Kraft
qi (Dreh)Freiheitsgrad
S1 Verfahrensschritt
UA Brücken-Ausgangsspannung
UE Speisespannung
In den Figuren 37 bis 46:
30 Antriebseinheit
31 Instrumentenschaft
32 (flexible) Sterilbarriere
34, 35 Abtriebsstößel 37, 38 Eintriebstößel
40 Roboter
41 (sterile) Hülle
42 Schnittstelle
44; 44a, 44b Elektromotor
45a - 45d Stößelpaar
45.1 Abtriebsgliedanordnung
45.2 Eintriebsgliedanordnung
46; 46a, 46b Federmittel (Druckfeder)
47; 47a, 47b Antriebsmodul
47.1 Gehäuse des Antriebsmoduls
49 Gehäuse
53 Instrumentenschaftgehäuse
54 Rohr
55 Drehlager
56a, 56b Schnittstelle
57.1 , 57.2, 57a - 57d Zugtrumme
58 Getrieberad
59 Wippe
60 (mechanischer) Anschlag
61 , 167 Riegel
80 Aufnahme
100, 103 Elektromagnet
101 , 104 Permanentmagnet
102 Abstandselement
105 Abstandselement
106 Gegenanschlag
140 Einführöffnung
142, 143, 164 Vertiefung
150 Aussparung
151 , 153 Vorsprung
152, 160, 166 Führungsnut
161 , 165 Führungsrippe
170 Klappe
180a, 108b Abschnitt / konvergierende Fläche
181 a, 181 b bewegliche Rolle
In den Figuren 47 bis 55:
20; 20'; Instrumentenschaft
120
21 Endeffektor 22 Rohr
23 Instrumentengehäuse
24 Schnittstelle
25; 25'; Antriebsmodul
125
30; 30'; Führungselement
30"; 130;
330
31 Abtriebsglied
31 '; 31 "; Elektromotor-Getriebe-Einheit (Aktuator) 131
32; 32'; Eintriebsglied
32"; 132;
132'; 132"
32.1"; Stirnseite
32.2"
33; 33', 33" Nut
34; 34' Schublager
35 Sterilbarriere
36; 136 Zugseil/Druckstange
37.1 , 37.2 Endanschlag
130.1 Laufring (Wälzkörper)
130.2 Laufring (Toleranzelement)
130' Zapfen
132.3 Toleranzelement
132.4 Federmittel
138 Kulisse
139 Rahmen
140 Radiallager
230.3 Innenring
230.4 Federmittel
233.1 , Schrägen
233.2
330.1 , Wälzlager
330.2
333.1 Schenkel (integrales Toleranzelement)
333.2 Nut
333.3 Hohlraum
340 Schublager
A; Α'; A"; Drehbewegung
A'"
B; Β'; B"; Verschiebeachse
B'"; BIV

Claims

Patentansprüche
Chirurgische Instrumentenanordnung, mit
einer modularen motorischen Antriebseinheit (1 ), die eine Abtriebsanordnung mit wenigstens einem Abtriebselement (10A, 10B; 100; 1000) aufweist; und
einem Instrumentenschaft (2), der lösbar mit der Antriebseinheit verbindbar ist und eine Antriebsanordnung mit wenigstens einem Eintriebselement (20A, 20B; 200; 2000) aufweist,
wobei die Abtriebsanordnung und die Antriebsanordnung mittels einer
mechanischen Schnittstelle miteinander koppelbar sind, die
wenigstens eine einseitige Bindung (10A-20A, 10B, 20B);
einen Zapfen (100) und eine Aussparung, wobei
der Zapfen in der Aussparung radial, insbesondere elastisch und/oder durch wenigstens einen separaten Körper (100.1 ), aufweitbar ist, und/oder
zwischen dem Zapfen und der Aussparung ein in radialer Richtung wellenförmiger
Spalt ausgebildet ist, in dem eine radial verschiebbare, axial feste
Zwischenelementanordnung (100.7) angeordnet ist; und/oder
einen Kipphebel (1000) aufweist.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei wenigstens ein Ab- und/oder Eintriebselement translatorisch oder rotatorisch verstellbar geführt ist.
Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Ab- und/oder Eintriebselement derart mit einem Koppelmittel (10C, 20C) gekoppelt ist, dass eine von einer translatorischen oder rotatorischen
Bewegung von dem einen von dem Element und dem Koppelmittel in die andere von einer translatorischen oder rotatorischen Bewegung von dem anderen von dem Element und dem Koppelmittel umgesetzt wird.
Instrumentenanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das
Koppelmittel ein Drehschublager (20D) und/oder eine Verzahnung (20E) aufweist.
Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Instrumentenschaft einen Flansch aufweist, und wobei die mechanische Schnittstelle auf einer endeffektorzugewandten (Fig. 26 (a)),
endeffektorabgewandten (Fig. 26 (b)) oder seitlichen Fläche (Fig. 26 (c)) dieses Flansches angeordnet ist. 6. Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtriebsanordnung und/oder die Antriebsanordnung wenigstens ein Paar gegensinniger Ab- bzw. Eintriebselemente aufweist.
7. Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Ausgleichmittel (3.1 ) zum Toleranzausgleich.
8. Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
wenigstens ein Ab- und/oder Eintriebselement entgegen seiner Verstellrichtung vorgespannt ist.
9. Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
wenigstens eine von einander zugewandten Stirnseiten eines Ab- und eines damit koppelbaren Eintriebselements eben oder ballig ausgebildet sind und/oder einen Vorsprung zum Eingreifen in eine Aussparung in der anderen Stirnseite aufweisen.
10. Instrumentenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Klemmmittel (100.2) zum radialen Aufweiten eines in eine Aussparung
eingeführten Zapfens der mechanischen Schnittstelle. 1 1. Chirurgische Instrumentenanordnung, insbesondere nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, mit einer modularen motorischen Antriebseinheit (1 ), die eine Abtriebsanordnung mit wenigstens einem Abtriebselement (10A, 10B; 100; 1000) aufweist, einem Instrumentenschaft (2), der lösbar mit der Antriebseinheit verbindbar ist und eine Antriebsanordnung mit wenigstens einem Eintriebselement (20A, 20B; 200; 2000) aufweist, wobei die Abtriebsanordnung und die
Antriebsanordnung mittels einer mechanischen Schnittstelle miteinander
koppelbar sind, und mit einer Sterilbarriere (3), die dazu vorgesehen ist, die
Antriebseinheit zu umhüllen und zwischen der Antriebseinheit und dem
Instrumentenschaft angeordnet zu werden, und die im Bereich der mechanischen Schnittstelle eine, insbesondere vorgespannte, Lose (3.2; 3.3; 3.4) in einer
Verstellrichtung der Ab- und Antriebsanordnung, eine berührungslose
translatorisch verschiebbare Dichtung (3.5), ein Ausgleichmittel zum
Toleranzausgleich (3.1 ) und/oder einen Elementfortsatz (3.6) aufweist, der lösbar mit einem von einer Ab- und einem Eintriebselementbasis (1 1 ; 21 ) verbindbar ist, welches die Sterilbarriere zerstörend durchgreift.
12. Chirurgische Instrumentenanordnung, insbesondere nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, mit einer modularen motorischen Antriebseinheit (1 ), die eine Abtriebsanordnung mit wenigstens einem Abtriebselement (10A, 10B; 100; 1000) aufweist, einem Instrumentenschaft (2), der lösbar mit der Antriebseinheit verbindbar ist und eine Antriebsanordnung mit wenigstens einem Eintriebselement (20A, 20B; 200; 2000) aufweist, wobei die Abtriebsanordnung und die
Antriebsanordnung mittels einer mechanischen Schnittstelle miteinander
koppelbar sind, einer Sterilbarriere (3), die dazu vorgesehen ist, die
Antriebseinheit zu umhüllen, und mit einem Befestigungselement (4) zur lösbaren Verbindung mit der Antriebseinheit, welches dazu vorgesehen ist, auf einer der Antriebseinheit abgewandten Oberfläche der Sterilbarriere angeordnet zu werden.
13. Manipulatorchirurgiesystem mit wenigstens einem Manipulator und wenigstens
einer manipulatorgeführten Instrumentenanordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, deren Antriebseinheit (1 ) und Instrumentenschaft (2) miteinander verbunden sind.
14. Verfahren zum Bestücken eines Manipulators eines Manipulatorchirurgiesystems nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine modulare motorische
Antriebseinheit (1 ) und ein Instrumentenschaft (2) der Instrumentenanordnung lösbar miteinander verbunden und die Abtriebsanordnung und die
Antriebsanordnung mittels der mechanischen Schnittstelle miteinander gekoppelt werden.
15. Antriebsstranganordnung mit wenigstens einem Antriebsstrang (1 1 , 12, 21 , 22) zur Aktuierung eines Freiheitsgrades (qi) eines Endeffektors (2.1 , 2.2) eines, insbesondere robotergeführten, chirurgischen Instruments relativ zu einem
Instrumentenschaft (20) durch einen Antrieb (13), gekennzeichnet durch eine an dem Antriebsstrang angeordnete Messanordnung (31 -34) zum Erfassen einer Last (FL F2) in dem Antriebsstrang.
16. Antriebsstranganordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die Antriebsstranganordnung wenigstens zwei,
insbesondere gegensinnige, Antriebsstränge (1 1 , 12; 21 , 22) zur Aktuierung desselben Freiheitsgrades (qi) des Endeffektors aufweist, wobei die
Messanordnung wenigstens ein Messmittel (31 -34) aufweist, welches an einem dieser Antriebsstränge zum Erfassen einer Last in diesem Antriebsstrang angeordnet ist. 17. Antriebsstranganordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messanordnung ein erstes Messmittel (31 ), welches an einem ersten Antriebsstrang (1 1 ) zum Erfassen einer Last (Fi) in diesem
Antriebsstrang angeordnet ist, und ein zweites Messmittel (32) aufweist, welches an einem zweiten, insbesondere gegensinnigen, Antriebsstrang (12) zum Erfassen einer Last (F2) in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, wobei derselbe
Freiheitsgrades (qi) des Endeffektors durch den ersten und zweiten
Antriebsstrang aktuierbar ist, und wobei das erste und zweite Messmittel signaltechnisch miteinander verknüpft sind.
18. Antriebsstranganordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass das erste und zweite Messmittel kompensatorisch, insbesondere in zwei Zweigen einer Wheatstoneschen Brückenschaltung miteinander verknüpft sind.
19. Antriebsstranganordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die Messanordnung ein drittes Messmittel (33), welches, insbesondere dem ersten Messmittel (31 ) gegenüberliegend, an dem ersten Antriebsstrang (1 1 ) zum Erfassen einer Last (F in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, und ein viertes Messmittel (34) aufweist, welches, insbesondere dem zweiten Messmittel (32) gegenüberliegend, an dem zweiten Antriebsstrang (12) zum Erfassen einer Last (F2) in diesem Antriebsstrang angeordnet ist, wobei die Messmittel kompensatorisch, insbesondere das erste Messmittel in einem ersten Zweig, das zweite Messmittel in einem zweiten Zweig, das dritte Messmittel in einem dritten Zweig und das vierte Messmittel in einem vierten Zweig der Wheatstoneschen Vollbrückenschaltung, miteinander verknüpft sind.
20. Antriebsstranganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel der Messanordnung einen, insbesondere elektrischen, magnetoelastischen, optischen und/oder akustischen,
Dehnungsmesser (31-34) zum Erfassen einer mechanischen Last (F^ F2) aufweist, insbesondere ist.
21. Antriebsstranganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel (31-34) der Messanordnung, wenigstens im Wesentlichen, zum Erfassen einer axialen Zug- und/oder Drucklast (F t F2) in einem Antriebsstrang an diesem Antriebsstrang (11 , 12) angeordnet ist.
22. Antriebsstranganordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel (31-34) der Messanordnung in einer
Aussparung und/oder in einem Bereich einer Wandstärkenreduzierung eines Antriebsstrangs angeordnet ist.
23. Antriebsmodul (10) eines chirurgischen Instruments zur lösbaren Verbindung mit einem Instrumentenschaft (20), der einen Endeffektor (2.1 , 2.2) aufweist, mit einem Antrieb (13) und einer antriebsmodulseitigen Antriebsstranganordnung (1 1 , 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Aktuierung wenigstens eines Freiheitsgrades (q^ des Endeffektors, welche über eine Schnittstelle mit einer instrumentenschaftseitigen Antriebsstranganordnung (21 , 22) zur Aktuierung des Endeffektors, insbesondere einseitig, translatorisch und/oder über eine
Sterilbarriere (4), koppelbar ist.
24. Instrumentenschaft (20) eines chirurgischen Instruments zur lösbaren Verbindung mit einem Antriebsmodul (10), der einen Endeffektor (2.1 , 2.2) und eine
instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung (21 , 22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Aktuierung wenigstens eines Freiheitsgrades (qi) des Endeffektors aufweist, welche über eine Schnittstelle mit einer
antriebsmodulseitigen Antriebsstranganordnung (1 1 , 12) zur Aktuierung des Endeffektors durch einen Antrieb (13) des Antriebsmoduls, insbesondere einseitig, translatorisch und/oder über eine Sterilbarriere (4), koppelbar ist.
25. Chirurgisches Instrument mit einem Instrumentenschaft (20), der einen
Endeffektor (2.1 , 2.2) aufweist, und mit einem Antriebsmodul (10), das einen Antrieb (13) aufweist, wobei der Instrumentenschaft eine instrumentenschaftseitige Antriebsstranganordnung (21 , 22) und/oder das Antriebsmodul eine
antriebsmodulseitige Antriebsstranganordnung (1 1 , 12) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Aktuierung wenigstens eines Freiheitsgrades (q ^ ) des Endeffektors aufweist. 26. Manipulatoranordnung mit wenigstens einem Manipulator, insbesondere Roboter, und einem durch den Manipulator geführten chirurgischen Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch.
27. Verfahren zum Steuern eines Antriebs (13) und/oder manuellen
Teleoperationsmittels eines chirurgischen Instruments nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb und/oder das Teleoperationsmittel auf Basis wenigstens einer durch die Messanordnung erfassten Last (Fi , F2) gesteuert wird.
28. Steuermittel zum Steuern eines chirurgischen Instruments nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, das dazu eingerichtet ist, wenigstens eine durch die Messanordnung erfasste Last (Fi, F2) weiterzu verarbeiten, insbesondere den Antrieb (13) und/oder ein manuelles Teleoperationsmittel auf Basis wenigstens einer durch die Messanordnung erfassten Last zu steuern.
29. Chirurgisches Instrument mit
- einem Instrumentenschaft (31 ) mit einer Eintriebsgliedanordnung (45.2) mit wenigstens einem beweglichen Eintriebsglied (37, 38) zum Aktuieren eines
Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes, insbesondere nach einem der nachfolgenden Ansprüche, und
- einer lösbar mit dem Instrumentenschaft verbindbaren Antriebseinheit (30) nach einem der nachfolgenden Ansprüche.
30. Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelrichtung, in der das Antriebsmodul in dem
Gehäuse der Antriebseinheit beweglich gelagert und vorgespannt ist, mit einer Längsachse des Instrumentenschaftes einen Winkel einschließt, dessen Betrag größer als 0°, insbesondere größer als 45°, insbesondere wenigstens im
Wesentlichen 90° ist.
31. Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Antriebseinheit- Verriegelungsanordnung (150, 151 ; 152, 153; 167; 170) zum Verriegeln der Antriebseinheit in einer Aufnahme (80) des
Instrumentenschaftes.
32. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Schnittstelle zum Befestigen an einem Roboter (40).
33. Instrumentenschaft (31 ) mit einer Eintriebsgliedanordnung (45.2) mit wenigstens einem beweglichen Eintriebsglied (37, 38) zum Aktuieren eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes, welches, wenigstens im Wesentlichen, senkrecht zu einer Längsachse des Instrumentenschaftes zu einer Aufnahme (80) des
Instrumentenschaftes für eine Antriebseinheit (31 ) hin vorsteht.
34. Instrumentenschaft nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahme eine Führung (152, 153;160, 161 ; 165, 166) und/oder eine, insbesondere verschließbare (170), Einführöffnung (140) zum Einführen einer Antriebseinheit (30) in einer Einführrichtung aufweist, welche insbesondere, wenigstens im Wesentlichen, senkrecht oder parallel zur
Längsachse des Instrumentenschaftes ist.
35. Instrumentenschaft nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahme relativ zu einer Längsachse des
Instrumentenschafts beweglich, insbesondere verschwenkbar, ist.
36. Instrumentenschaft nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Eintriebsgliedanordnung in einer Vertiefung (142; 164) angeordnet ist.
37. Antriebseinheit (30) mit einem Gehäuse (49) und wenigstens einem Antriebsmodul (47; 47a, 47b) mit einem Antrieb und einer Abtriebsgliedanordnung (45.1 ) mit wenigstens einem beweglichen Abtriebsglied (34, 35) zum Aktuieren eines
Freiheitsgrades eines Instrumentenschaftes (31 ), welches in dem Gehäuse in einer Koppelrichtung beweglich gelagert und vorgespannt ist.
38. Antriebseinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Magnetanordnung (100, 101 , 103, 104) zum Vorspannen des Antriebsmoduls in der Koppelrichtung.
39. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine, insbesondere mechanische und/oder magnetische,
Rückzuganordnung (59, 60) zum Zurückziehen des Antriebsmoduls gegen die Vorspannung.
40. Antriebseinheit nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Antriebsmodul- Verriegelungsanordnung (61 ; 103, 104) zum Verriegeln des zurückgezogenen Antriebsmoduls.
41 . Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rückzuganordnung (59, 60) durch einen Antrieb des Antriebsmoduls aktuierbar ist.
42. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet
durch ein, insbesondere konkaves und/oder bewegliches, Verdrängungsmittel
(180a; 181 a, 181 b) zum Verdrängen einer Eintriebsgliedanordnung (45.2) eines Instrumentenschafts (31 ) bei einem Einführen der Antriebseinheit in eine
Aufnahme (80) des Instrumentenschaftes.
43. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abtriebsgliedanordnung (45.1 ) in einer Vertiefung (143) angeordnet ist.
44. Chirurgisches Instrument mit: einem Antriebsmodul (25; 25'; 125) mit wenigstens einem, insbesondere unbegrenzt, drehbaren Abtriebsglied (31 );
einem mit dem Antriebsmodul lösbar verbindbaren Instrumentenschaft (20; 20'; 120) mit wenigstens einem, insbesondere zwischen Endanschlägen (37.1 , 37.2), verschiebbar geführten Eintriebsglied (32; 32'; 32"; 132; 132'; 132"); und einer Schnittstelle (24) zwischen dem Antriebsmodul und dem Instrumentenschaft, die ein Führungselement (30; 30'; 30"; 130; 330) und eine Nut (33; 33') aufweist, wobei die Nut an einem von dem Ab- und Eintriebsglied und das Führungselement an dem anderen von dem Ab- und Eintriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt ist, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
45. Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass das Eintriebsglied an dem Instrumentenschaft und/oder dem damit verbundenen Antriebsmodul verschiebbar geführt (34; 34') ist.
46. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement wenigstens einen drehbar gelagerten Wälzkörper (130.1 ; 330.2) zum Kontaktieren der Nut aufweist.
47. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch ein Toleranzelement (130.2; 132.3; 333.1 ), welches das Abtriebsglied und das Eintriebsglied in einer Verschiebeachse (B; Β'; B"; B'"; BIV) des Eintriebsgliedes verspannt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
48. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement, insbesondere vorgespannt, axial verschiebbar gelagert ist. 49. Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Kulisse (138) zum axialen Verschieben des Führungselements.
50. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungswand der Nut eine Öffnung zum Einführen des Führungselementes durch Drehen des Abtriebsgliedes aufweist.
51. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut asymmetrisch zu einer Drehachse des
Abtriebsgliedes und/oder einer Verschiebeachse (B; Β'; B"; B'"; BIV) des
Eintriebsglieds, insbesondere im Wesentlichen nur bis zu dieser Drehachse ausgebildet ist.
52. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement exzentrisch an dem Abtriebsglied, insbesondere einer Abtriebswelle eines Drehmotors des Antriebsmoduls, angeordnet ist. 53. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut quer, insbesondere senkrecht, zu einer
Verschiebeachse (B; Β'; B"; B'"; BIV) des Eintriebsgliedes an diesem angeordnet ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintriebsglied mit einem Zug- und/oder Druckmittel (36; 136) verbunden ist, das, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer
Verschiebeachse des Eintriebsgliedes ist.
55. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter. 56. Antriebsmodul (25; 25'; 25) für ein chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem, insbesondere unbegrenzt, drehbaren Abtriebsglied (31 ) und dem Führungselement (30; 30'; 30"; 130; 330) oder der Nut der Schnittstelle des chirurgischen Instruments.
57. Instrumentenschaft (20; 20'; 120) für ein chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem, insbesondere zwischen
Endanschlägen (37.1 , 37.2), verschiebbar geführten Eintriebsglied (32; 32'; 32"; 132; 132'; 132") und der Nut oder dem Führungselement der Schnittstelle des chirurgischen Instruments.
58. Verfahren zum lösbaren Verbinden des Antriebsmoduls und des
Instrumentenschaftes eines chirurgischen Instruments nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement axial in die Nut eingeschoben oder in die Nut rotiert wird.
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