WO2023148381A1 - Manipulator for robotic surgery and sterile unit - Google Patents

Manipulator for robotic surgery and sterile unit Download PDF

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WO2023148381A1
WO2023148381A1 PCT/EP2023/052862 EP2023052862W WO2023148381A1 WO 2023148381 A1 WO2023148381 A1 WO 2023148381A1 EP 2023052862 W EP2023052862 W EP 2023052862W WO 2023148381 A1 WO2023148381 A1 WO 2023148381A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coupling structure
wedge
instrument
unit
sterile
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052862
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Martin ASSING
Anne-Ruth MEYER
Original Assignee
avateramedical GmBH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by avateramedical GmBH filed Critical avateramedical GmBH
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A61B2017/00477—Coupling

Definitions

  • the invention relates to a manipulator for robotic surgery, which comprises an instrument drive unit and a sterile unit for coupling a surgical instrument, the sterile unit having a base with at least one transmission body, which is mounted such that it can rotate about an axis of rotation, with a first coupling structure and a first fastening mechanism which the sterile unit is connected to the instrument drive unit.
  • the instrument drive unit has at least one drive with a drive body which is associated with the at least one transmission body and has a second coupling structure complementary to the first coupling structure.
  • the first and the second coupling structure together form an alignment mechanism, so that the at least one transmission body is aligned in accordance with the second coupling structure assigned to it, while the sterile unit is connected to the instrument drive unit.
  • the alignment which is caused by the first and second coupling structures meeting when the sterile unit is connected to the instrument drive unit, causes the coupling structures to be oriented to one another and brought into contact in such a way that they allow a torque generated by the drive to be transmitted to the associated transmission body.
  • the sterile unit thus allows the torque to be transmitted through a sterile barrier to an instrument coupled to the sterile unit.
  • the first and the second coupling structure are designed in such a way that they absorb a force acting parallel to the axis of rotation on the sterile unit and/or the instrument drive unit and convert it into an alignment movement of the transmission body and/or the drive body through their shape.
  • the invention also relates to a sterile unit for the sterile connection of an instrument drive unit, which comprises at least one drive, the at least one drive having a drive body with a first coupling structure, with a surgical instrument comprising at least one output, wherein the at least one output is associated with the at least one drive and the at least one output has an output body with a fourth coupling structure.
  • the sterile unit comprises a base with at least one transfer body mounted rotatably about an axis of rotation, a first fastening mechanism with which the sterile unit is connected to the instrument drive unit, and a second fastening mechanism with which the instrument is connected to the sterile unit.
  • the at least one transmission body has a second coupling structure that is complementary to the first coupling structure and a third coupling structure that is complementary to the fourth coupling structure.
  • the at least one transmission body is in a coupled state of the sterile unit between the at least one drive and the at least one output.
  • Telemanipulators have been used successfully for many decades in a wide variety of environments that a human cannot easily reach. This applies to space applications, underwater applications, nuclear reactors and, above all, surgical applications.
  • instruments In manual laparoscopic surgery, instruments are used which have a long shaft, at the distal end of which there is an end effector, eg gripper or scissors, and at the proximal end of which there is a handle.
  • the latter has a lever, knob or similar mechanism that can be used to move the end effector.
  • the handling of such instruments is difficult, since they are guided through a small incision in the patient and their freedom of movement is severely restricted. It is also difficult for the doctor to orientate himself, since a generally deviating viewing angle of the endoscope has to be compensated for.
  • This difficulty can be solved by a telemanipulator.
  • Such a robot consists of several robotic arms, the manipulators, and usually two input devices, one for each hand.
  • One of the manipulators holds and controls an endoscope, the others each a surgical instrument.
  • a computer connected to the manipulators and input devices can give the surgeon the impression that he is looking at the surgical site from the direction of the endoscope and that the end effectors of the instruments are his hands. This allows him to use his hand-eye coordination and work effectively.
  • the manipulators While the input devices of a telemanipulator are usually located away from the patient in the operating room, the manipulators have to get close to the patient. However, this area must be kept sterile in order to prevent contamination of the patient's wounds with germs as far as possible. For this purpose, the manipulators are packaged using sterile foils made of plastic. However, this is not possible for the instruments, so that they are usually sterilized directly. Instruments are used that are sterilized again after use or disposed of after a single use.
  • EP 3 119 328 B1 discloses a sterile adapter which has a plurality of rotatably mounted transfer bodies.
  • the transmission bodies In order to come into contact with the drives of the instrument drive unit, the transmission bodies have projections designed to engage in the drives. Furthermore, the transmission bodies each comprise a recess which engages with a locking mechanism which fixes the alignment of the transmission bodies. Coupling the sterile adapter to the instrument drive unit then causes the transfer bodies to be raised so that they either rest against the locking mechanism from below or the locking elements immediately engage in the recesses. In both cases, the drives then rotate, and in the first case the transmission bodies are carried along by friction until they can engage in the locking mechanism and block. The drives rotate until the respective transmission body is aligned with the drive assigned to it, i.e. until the projections and the respective recesses are superimposed, and the respective transmission body engages with the drive assigned to it, so that a torque is transmitted.
  • EP 3 099 265 B1 discloses an interface for a surgical system between an instrument drive unit and a surgical instrument.
  • transmission structures through which a force for actuating, ie for robot-supported deflection of an end effector of the instrument, is transmitted are designed as inclined surfaces.
  • the transmission structures on the instrument side are thereby aligned on the instrument drive unit by sliding the inclined surfaces over one another while the instrument is connected to the instrument drive unit.
  • the disadvantage of this interface is that it does not provide a way to introduce a sterile barrier between the instrument and the instrument drive unit. It can also happen that the transmission structures are so superimposed that blocking occurs.
  • the object is achieved by a manipulator explained at the outset in that one of the first and second coupling structures is formed by a first wedge-shaped recess and the other of the first and second coupling structures is formed by a first wedge corresponding to the first wedge-shaped recess.
  • the alignment of the transfer bodies becomes clear easier because the first wedge is guided along two sides of the coupling structure formed by the first wedge-shaped recess or alternatively because the coupling structure formed by the first wedge-shaped recess slides over the first wedge.
  • the forces effecting the alignment act primarily on the edge of the coupling structure to be aligned, so that the application of force is improved and the connection of the sterile unit to the instrument drive unit is generally facilitated.
  • the transmission body or the drive body is cylindrical. In this way, a transfer body can be more easily rotated within the base and aligned with the associated drive body.
  • a further advantage is that the first wedge no longer has to slide over a surface formed by the first wedge-shaped recess, but over the edges formed by this on the corresponding drive or transmission body. In this way, the first wedge as well as the first wedge-shaped recess can be better aligned with one another.
  • the first wedge at a wedge tip on a pin, while a complementary to the pin groove is present on the first wedge-shaped recess.
  • the task of the transmission body is to transmit a torque that it absorbs from the drive. This torque acts in the direction perpendicular to the axis of rotation of the transmission body, so that the pin and the associated groove allow improved transmission of the torque.
  • the groove does not necessarily have to correspond to the shape of the pin, as long as it completely accommodates the pin and the torque can be passed on in the best possible way.
  • the pin is designed as a cuboid which is chamfered or rounded at two remote from the first wedge long edges.
  • the chamfered edges facilitate the sliding of the pin over the edges located on the first wedge-shaped recess.
  • the sliding over one another of the first wedge and the edges of the wedge-shaped recess can be further advantageously configured in such a way that a plurality of sliding surfaces are formed on the first wedge-shaped recess.
  • the sliding surfaces are chamfers that are provided on the edges of the transmission or drive body in the area of the wedge-shaped recess. Ideally, the chamfers extend along the entire wedge-shaped recess.
  • the manipulator also includes a surgical instrument which has at least one output drive associated with the at least one transmission body.
  • the sterile unit additionally has a second attachment mechanism, with which the instrument is connected to the sterile unit.
  • the sterile unit is thus placed between the instrument drive unit and the instrument, and the transmission bodies allow torque to be transmitted from the drives to the associated drives of the instrument.
  • the sterile unit is itself part of a sterile barrier that shields the area on the manipulator side from the operating area in a sterile manner. The number of drives, transmission bodies and outputs can be adjusted depending on the application.
  • the number of drives will match the number of transmission bodies for the purpose of interchangeability, but adjustments are also possible if an instrument has a number of degrees of freedom of an end effector that differs from the number of drives or transmission bodies.
  • the number of degrees of freedom depends on the mobility and the functions of the end effector located on the instrument: an endoscope, for example, can have a single degree of freedom, while a stapling instrument can be movable in five degrees of freedom.
  • the at least one transmission body also advantageously comprises a third coupling structure and the at least one driven body comprises a fourth coupling structure which is complementary to the third coupling structure.
  • the third coupling structure and the fourth coupling structure together form a second alignment mechanism so that the at least one driven body is aligned according to the third coupling structure corresponding to it when the instrument is attached to the sterile unit while the sterile unit is already connected to the instrument drive unit.
  • Each output can move the end effector located on the instrument in one degree of freedom.
  • one of the third or fourth coupling structures by a second wedge-shaped recess present on the transmission body or on the driven body and the other of the third or fourth coupling structures is formed by a second wedge corresponding to the second wedge-shaped recess, since the alignment of the driven bodies is made possible by improved transmission of the torque analogous to the embodiment described above.
  • first and the third coupling structure are formed as first and second wedge-shaped recesses and are offset from one another by 90° on the transmission body.
  • This version is particularly compact. It is also particularly advantageous here if the first and the second wedge each have a recess in the middle. This makes it possible to arrange the first and the second wedge-shaped recess on the transmission body in such a way that they overlap. An opening created in this way must then be filled with material in order to maintain the sterile separation. The cutouts on the first and second wedges make it possible to make the transmission bodies more compact.
  • the object is also achieved in a sterile unit as described above in that the second coupling structure is formed by a first wedge-shaped recess or by a first wedge. Alignment of the transfer body is thus significantly simplified compared to the known prior art.
  • the third coupling structure is advantageous here to design the third coupling structure as a second alignment structure, which aligns the at least one transfer body relative to the fourth coupling structure when the sterile unit is connected to the instrument, and particularly advantageously the third coupling structure by a second wedge-shaped recess or is formed by a second wedge.
  • This makes it possible to also align the at least one transmission body with the associated output body or, if the transmission body is blocked, for example by contact with the associated drive, to align the corresponding output body of the outputs of the instrument on the transmission body as described above.
  • FIG. 2 shows a drive unit, a sterile unit and a surgical instrument in an exploded view
  • FIG. 3A shows the sterile unit from FIG. 2 in a first view
  • FIG. 3B shows the sterile unit from FIG. 2 in a second view
  • FIG. 4 shows the surgical instrument from FIG. 2,
  • manipulators 50 include a variety of joints that allow free positioning of the instrument 30 in space. They can be used independently as an aid for the surgeon, e.g. as endoscope holders, or as part of a surgical telemanipulator. Since the area around a patient to be operated on must always be sterile in order to avoid infections, parts of the system that are difficult to sterilize, ie the manipulator 50 and the instrument drive unit 20, are separated from the sterile area by a sterile barrier 60. In order to still be able to actuate the instrument 30, which is designed here as an endoscope, the sterile unit 10 is designed as an adapter, as described above.
  • Fig. 2 shows how the instrument 30, a sterile unit 10 and the instrument drive unit 20 are arranged in relation to one another.
  • the sterile unit 10 has a base 11 and a plurality of transmission bodies 12 which are mounted so as to be rotatable about an axis of rotation.
  • the sterile unit 10 is arranged between the instrument 30 and the instrument drive unit 20 .
  • the surgical instrument 30 is also composed of an instrument housing 31 and an instrument shaft 32 .
  • An end effector 35 in the form of a gripper is arranged here at a distal end of the instrument shaft 32 .
  • all types of end effectors 35 can be used, such as scissors, stapling instruments or dissectors.
  • an endoscope can also be used.
  • the number of degrees of freedom depends on the type of instrument 30, which includes not only the movement of end effector joints but also a mechanical triggering of additional functions, such as opening and closing jaw parts of a gripper or activating a blade, as individual degrees of freedom.
  • the number of degrees of freedom is between one for an endoscope, for example, or five for a stapling instrument, but in principle it is arbitrary and can be adapted to the specific application.
  • the instrument drive unit 20 includes a drive housing 22 in which five drives 21 are housed, each having a drive body with a have a second coupling structure and a motor, not visible here, which are generally electric motors that generate torque.
  • the second coupling structure is arranged outside of the drive housing 22, with its structure being described in more detail below.
  • the torque generated by the motor is transmitted by the respective drive bodies, each with the second coupling structure, to the transmission bodies 12 and passed on by them to the output drives of the instrument 30 , which are covered here, in order to move the end effector 35 .
  • the instrument drive unit 20 includes one or more first fastening elements 23 which fasten the sterile unit 10 to the instrument drive unit 20 .
  • the sterile unit 10 again has a complementary first fastening mechanism that is covered in this figure.
  • a second attachment mechanism 14 On the side of the sterile unit 10 facing the instrument 30 there is a second attachment mechanism 14 which in turn makes it possible to attach the surgical instrument 30 to the sterile unit 10 .
  • This connection can be released by means of a release mechanism 33.
  • the sterile unit 10 is shown in more detail in FIGS. 3A and 3B.
  • a first attachment mechanism 13 and a second attachment mechanism 14 are attached to the sterile unit 10 in addition to the transfer bodies 12 and the base 11 .
  • Both fastening mechanisms 13, 14 are part of a snap connection, but in general the first and the second fastening mechanism 13, 14 can be designed as desired by a specialist, provided that the sterile unit 10 can be detachably or non-detachably connected to the instrument 30 and the instrument drive unit 20 by means of a positive or non-positive connection .
  • the transfer bodies 12 are each introduced into a through-opening in the base 11, and there are various options for the specific design.
  • the base 11 can be designed in two parts, so that the transmission bodies 12 are accommodated between the two parts of the base 11 become.
  • the transfer bodies 12 themselves are provided with a means of attachment. They can themselves be composed of two bodies which clamp the base 11 between them, or they can be equipped with fastening means which hold them rotatably mounted on the base 11 about an axis of rotation. Snap hooks, ball joint connections or similar are suitable for this.
  • transmission bodies 12 or an electrical contact for conducting current signals through the sterile unit 10.
  • a sterile film is attached here by means of gluing or welding, which together with the sterile unit 10 forms a sterile barrier 60 .
  • Another possibility, customary in the art, for inserting the sterile foil is to design the base 11 in two parts, so that the sterile foil is clamped between the two parts.
  • Each output 34 comprises an output body with a fourth coupling structure, which is at least partially visible from the outside, and a transmission mechanism located in the instrument housing 31, which is firmly connected to the output body and transmits a torque acting on the output body to the end effector 35.
  • one or more second fastening elements 36 are present which engage in the second fastening mechanism 14 so that the instrument 30 is held on the sterile unit 10.
  • the second fastening elements 36 can be moved by means of the release mechanism 33 and the connection between the instrument 30 and the sterile unit 10 can thus be released.
  • the design of the second fastening elements 36 and the second fastening mechanism 14 is generally freely selectable.
  • 5A and 5B show the example of the drive body 25 and the transmission body 12, how the coupling structures are formed and how they work. The principle can easily be transferred to the coupling structures between the transmission body 12 and the driven body of the instrument 30 , even if the description below is based on the coupling structures of the transmission body 12 and the drive body 25 .
  • the transmission body 12 has a wedge 43 as the first coupling structure, at the tip of which a pin 44 is located.
  • the pin 44 is designed as a cuboid whose edges facing the drive 21 are rounded.
  • On the side facing the instrument 30, an open structure is shown here, which can engage in the driven body and transmit a torque.
  • the associated drive body 25 comprises a second coupling structure, which has a wedge-shaped recess 42 complementary to the wedge 43 and a groove 45 complementary to the pin 44 .
  • groove 45 and the peg 44 need not be positively engaged. Rather, it is sufficient for torque transmission if there are surfaces on the groove 45 and pin 44 that are parallel to the axis of rotation 48 of the transmission body 12 .
  • the rounded edges of the pin 44 allow better sliding over the edges of the drive body 25 on the wedge-shaped recess 42.
  • the arched shape of the wedge-shaped recess 42 causes the transmission body 12 to start rotating until the first and the second coupling structure, ie here the wedge 43 and the wedge-shaped recess 42, are in positive contact with one another. Now a generated by the drive 21 Torque can be transmitted to the transmission body 12. Since the torque acts perpendicularly to the axis of rotation 48, the transmission is improved by the groove 45 and pin 44 as described above.
  • 5B shows the inverse case, where the second coupling structure of the drive body 25 is formed as a wedge 43 and the first coupling structure of the transmission body 12 is formed by the wedge-shaped recess 42.
  • the procedure for aligning the transmission body 12 on the drive body 25 is basically identical, but the transmission body 12 with the wedge-shaped recess 42 adapts to the wedge 43 .
  • additional sliding surfaces 46 are present on the transmission body 12 in the area of the edges of the wedge-shaped recess 42, which further improve the alignment by guiding the wedge 43 better. Furthermore, abrasion is reduced by the sliding surfaces 46 since the wedge 43 comes into contact with a surface and not with a sharp edge.
  • the transmission body 12 has a first wedge-shaped recess 42a as the first coupling structure and a second wedge-shaped recess 42b as the third coupling structure, the wedge-shaped recesses 42a, 42b being offset from one another by 90° in a plane perpendicular to the axis of rotation 48. Both grooves 45a, 45b and sliding surfaces 46 are present.
  • the second coupling structure of the drive body 25 and the fourth coupling structure of the driven body 37 are each designed as a first and second wedge 43a, 43b, each with a pin 44a, 44b. In this exemplary embodiment, the edges of each pin 44a, 44b facing the transmission body 12 are chamfered.
  • a motor 24 which is connected to the drive body 25 and transmits a torque to it.
  • the grooves 45a, 45b of the first and the third coupling structure lie in one plane, so that there is an overlap in the middle of the transmission body 12. This overlap is filled with material so that the sterile barrier 60 does not break through here, which would make the entire system unsuitable for use in surgery. This results in an increase within both grooves 45a, 45b. In order to take this increase into account, there are corresponding recesses 47a, 47b on both pins 44a, 44b. This allows him Transmission body 12 and thus the entire sterile unit 10 are made particularly compact.
  • connection of the transmission body 12 to the drive body 25 is analogous to that already described with reference to FIGS. 5A and 5B.
  • the system consisting of the drive body 25 and the transmission body 12 is generally fixed in a position which corresponds to the zero position of the instrument 30, in which the end effector 35 is not deflected.
  • the fourth coupling structure of the driven body 37 can be aligned with the third coupling structure of the transfer body 12 when the instrument 30 is connected to the sterile unit 10 .
  • the torque acting on the driven body 37 is transmitted directly to the end effector 35 of the instrument 30, which is brought to its zero position in this way if the position of the end effector 35 deviates from this position.

Abstract

The invention relates to a manipulator for robotic surgery, comprising an instrument drive unit (20) and a sterile unit (10) for coupling a surgical instrument (30), the sterile unit (10) having a base (11) with at least one transfer body (12) mounted rotatably about a rotation axis and having a first coupling structure and a first fastening mechanism for connecting the sterile unit (10) to the instrument drive unit (20). The instrument drive unit (20) has at least one drive (21), which is associated with the at least one transfer body (12) and comprises a drive body which has a second coupling structure complementary to the first coupling structure. The first and the second coupling structure together form an alignment mechanism so that the at least one transfer body (12) is aligned in accordance with the second coupling structure associated with it whilst the sterile unit (10) is connected to the instrument drive unit (20). In order to facilitate the alignment, one of the first and second coupling structures is formed by a first wedge-shaped recess and the other of the first and the second coupling structures is formed by a first wedge corresponding to the first wedge-shaped recess.

Description

Titel title
Manipulator für die robotische Chirurgie und Sterileinheit Manipulator for robotic surgery and sterile unit
Gebiet der Erfindung field of invention
[0001] Die Erfindung betrifft einen Manipulator für die robotische Chirurgie, der eine Instrumentenantriebseinheit und eine Sterileinheit zum Ankoppeln eines chirurgischen Instruments umfasst, wobei die Sterileinheit eine Basis mit mindestens einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Übertragungskörper mit einer ersten Koppelstruktur und einen ersten Befestigungsmechanismus, mit dem die Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird, aufweist. The invention relates to a manipulator for robotic surgery, which comprises an instrument drive unit and a sterile unit for coupling a surgical instrument, the sterile unit having a base with at least one transmission body, which is mounted such that it can rotate about an axis of rotation, with a first coupling structure and a first fastening mechanism which the sterile unit is connected to the instrument drive unit.
[0002] Die Instrumentenantriebseinheit weist mindestens einen Antrieb mit einem Antriebskörper auf, der dem mindestens einen Übertragungskörper zugeordnet ist und eine zu der ersten Koppelstruktur komplementäre zweite Koppelstruktur aufweist. Die erste und die zweite Koppelstruktur bilden zusammen einen Ausrichtungsmechanismus, so dass der mindestens eine Übertragungskörper entsprechend der ihm zugeordneten zweiten Koppelstruktur ausgerichtet wird, während die Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird. Durch das Ausrichten, welches durch ein Aufeinandertreffen der ersten und der zweiten Koppelstrukturen beim Verbinden der Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit hervorgerufen wird, werden die Koppelstrukturen so zueinander orientiert und in Kontakt gebracht, dass sie eine Übertragung eines vom Antrieb erzeugten Drehmoments auf den zugeordneten Übertragungskörper erlauben. Die Sterileinheit erlaubt so, das Drehmoment durch eine Sterilbarriere hindurch auf ein an die Sterileinheit gekoppeltes Instrument zu übertragen. Die erste und die zweite Koppelstruktur sind dabei so gestaltet, dass sie eine parallel zur Drehachse auf die Sterileinheit und/oder die Instrumentenantriebseinheit wirkende Kraft aufnehmen und durch ihre Form in eine Ausrichtbewegung des Übertragungskörpers und/oder des Antriebkörpers umwandeln. The instrument drive unit has at least one drive with a drive body which is associated with the at least one transmission body and has a second coupling structure complementary to the first coupling structure. The first and the second coupling structure together form an alignment mechanism, so that the at least one transmission body is aligned in accordance with the second coupling structure assigned to it, while the sterile unit is connected to the instrument drive unit. The alignment, which is caused by the first and second coupling structures meeting when the sterile unit is connected to the instrument drive unit, causes the coupling structures to be oriented to one another and brought into contact in such a way that they allow a torque generated by the drive to be transmitted to the associated transmission body. The sterile unit thus allows the torque to be transmitted through a sterile barrier to an instrument coupled to the sterile unit. The first and the second coupling structure are designed in such a way that they absorb a force acting parallel to the axis of rotation on the sterile unit and/or the instrument drive unit and convert it into an alignment movement of the transmission body and/or the drive body through their shape.
[0003] Ferner betrifft die Erfindung eine Sterileinheit zum sterilen Verbinden einer Instrumentenantriebseinheit, die mindestens einen Antrieb umfasst, wobei der mindestens eine Antrieb einen Antriebskörper mit einer ersten Koppelstruktur aufweist, mit einem chirurgischen Instrument, das mindestens einen Abtrieb umfasst, wobei der mindestens eine Abtrieb dem mindestens einen Antrieb zugeordnet ist und der mindestens eine Abtrieb einen Abtriebskörper mit einer vierten Koppelstruktur aufweist. Die Sterileinheit umfasst dabei eine Basis mit mindestens einem jeweils um eine Drehachse drehbar gelagerten Übertragungskörper, einen ersten Befestigungsmechanismus, mit dem die Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird, sowie einen zweiten Befestigungsmechanismus, mit dem das Instrument mit der Sterileinheit verbunden wird. Der mindestens eine Übertragungskörper weist eine zu der ersten Koppelstruktur komplementäre zweite Koppelstruktur und eine zu der vierten Koppelstruktur komplementäre dritte Koppelstruktur auf. Der mindestens eine Übertragungskörper befindet sich in einem gekoppelten Zustand der Sterileinheit zwischen dem mindestens einen Antrieb und dem mindestens einen Abtrieb. The invention also relates to a sterile unit for the sterile connection of an instrument drive unit, which comprises at least one drive, the at least one drive having a drive body with a first coupling structure, with a surgical instrument comprising at least one output, wherein the at least one output is associated with the at least one drive and the at least one output has an output body with a fourth coupling structure. The sterile unit comprises a base with at least one transfer body mounted rotatably about an axis of rotation, a first fastening mechanism with which the sterile unit is connected to the instrument drive unit, and a second fastening mechanism with which the instrument is connected to the sterile unit. The at least one transmission body has a second coupling structure that is complementary to the first coupling structure and a third coupling structure that is complementary to the fourth coupling structure. The at least one transmission body is in a coupled state of the sterile unit between the at least one drive and the at least one output.
Stand der Technik State of the art
[0004] Telemanipulatoren werden seit vielen Jahrzehnten erfolgreich in den verschiedensten Umgebungen eingesetzt, die ein Mensch nicht ohne weiteres erreichen kann. Dies betrifft Weltraumanwendungen, Unterwasseranwendungen, Atomreaktoren und vor allem auch chirurgische Anwendungen. [0004] Telemanipulators have been used successfully for many decades in a wide variety of environments that a human cannot easily reach. This applies to space applications, underwater applications, nuclear reactors and, above all, surgical applications.
[0005] In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Disziplin der laparoskopisch- robotischen Chirurgie etabliert, welche Konzepte der Robotik mit denen der virtuellen Realität verbindet, so dass ein Arzt minimalinvasive Eingriffe am Patienten unter Ausnutzung seiner Augen-Hand-Koordination durchführen kann. [0005] In the past few decades, the discipline of laparoscopic robotic surgery has been established, which combines concepts of robotics with those of virtual reality, so that a doctor can carry out minimally invasive interventions on the patient using his hand-eye coordination.
[0006] Bei der manuell-laparoskopischen Chirurgie werden Instrumente eingesetzt, welche einen langen Schaft besitzen, an dessen distalen Ende sich ein Endeffektor, z.B. Greifer oder Schere, und an dessen proximalen Ende sich ein Handgriff befindet. Letzterer weist einen Hebel, Knopf oder einen ähnlichen Mechanismus auf, mit dessen Hilfe der Endeffektor bewegt werden kann. Die Handhabung solcher Instrumente gestaltet sich schwierig, da sie durch einen kleinen Einschnitt am Patienten geführt in ihrer Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt sind. Auch ist es schwierig für den Arzt, sich zu orientieren, da ein in der Regel abweichender Blickwinkel des Endoskops kompensiert werden muss. [0007] Diese Schwierigkeit kann durch einen Telemanipulator gelöst werden. Ein solcher besteht aus mehreren Roboterarmen, den Manipulatoren, und in der Regel zwei Eingabegeräten, eines für jede Hand. Einer der Manipulatoren hält und steuert ein Endoskop, die anderen jeweils ein chirurgisches Instrument. Durch entsprechende Transformationen kann ein mit den Manipulatoren und Eingabegeräten verbundener Computer für den Chirurgen den Eindruck schaffen, dass er aus Richtung des Endoskops auf die Operationsstelle schaut und die Endeffektoren der Instrumente seine Hände sind. Auf diese Weise kann er seine Augen-Hand-Koordination ausnutzen und effektiv arbeiten. In manual laparoscopic surgery, instruments are used which have a long shaft, at the distal end of which there is an end effector, eg gripper or scissors, and at the proximal end of which there is a handle. The latter has a lever, knob or similar mechanism that can be used to move the end effector. The handling of such instruments is difficult, since they are guided through a small incision in the patient and their freedom of movement is severely restricted. It is also difficult for the doctor to orientate himself, since a generally deviating viewing angle of the endoscope has to be compensated for. This difficulty can be solved by a telemanipulator. Such a robot consists of several robotic arms, the manipulators, and usually two input devices, one for each hand. One of the manipulators holds and controls an endoscope, the others each a surgical instrument. Through appropriate transformations, a computer connected to the manipulators and input devices can give the surgeon the impression that he is looking at the surgical site from the direction of the endoscope and that the end effectors of the instruments are his hands. This allows him to use his hand-eye coordination and work effectively.
[0008] Während im OP-Saal die Eingabegeräte eines Telemanipulators in der Regel von dem Patienten entfernt angeordnet sind, müssen die Manipulatoren nah an den Patienten heran. Dieser Bereich ist jedoch zwingend steril zu halten, um eine Kontamination der Wunden des Patienten mit Keimen möglichst zu verhindern. Dazu werden die Manipulatoren mittels aus Kunststoff gefertigter Sterilfolien verpackt. Dies ist für die Instrumente jedoch nicht möglich, so dass diese meist direkt sterilisiert werden. Dabei kommen Instrumente zum Einsatz, die nach ihrer Verwendung erneut sterilisiert oder nach einmaliger Nutzung entsorgt werden. While the input devices of a telemanipulator are usually located away from the patient in the operating room, the manipulators have to get close to the patient. However, this area must be kept sterile in order to prevent contamination of the patient's wounds with germs as far as possible. For this purpose, the manipulators are packaged using sterile foils made of plastic. However, this is not possible for the instruments, so that they are usually sterilized directly. Instruments are used that are sterilized again after use or disposed of after a single use.
[0009] Im Stand der Technik hat sich daher etabliert, Manipulatoren von chirurgischen Robotersystemen mit einer Instrumentenantriebseinheit auszustatten, welche mit Sterilfolie verpackt wird. Um nun die Instrumente mit dieser betreiben zu können, werden unter anderem Steriladapter eingesetzt, die mittels Übertragungskörpern ein Drehmoment von den Antrieben der Instrumentenantriebseinheit auf die Abtriebe des Instruments übertragen. Diese Komponenten werden in der Regel formschlüssig miteinander gekoppelt, was wiederum ein Ausrichten der Übertragungskörper zu den Antrieben und schließlich zu den Abtrieben des Instruments erfordert. It has therefore become established in the prior art to equip manipulators of surgical robot systems with an instrument drive unit, which is packaged with sterile foil. In order to be able to operate the instruments with this, sterile adapters are used, among other things, which transmit a torque from the drives of the instrument drive unit to the drives of the instrument by means of transmission bodies. As a rule, these components are coupled to one another in a form-fitting manner, which in turn requires the transmission bodies to be aligned with the drives and finally with the drives of the instrument.
[0010] Eine Lösung für dieses Problem ist aus der EP 3 119 328 B1 bekannt, welche einen Steriladapter offenbart, der mehrere, drehbar gelagerte Übertragungskörper aufweist. Um mit den Antrieben der Instrumentenantriebseinheit in Verbindung zu kommen, weisen die Übertragungskörper zum Eingriff in die Antriebe ausgebildete Vorsprünge auf. Ferner umfassen die Übertragungskörper jeweils eine Aussparung, die mit einem Verriegelungsmechanismus in Eingriff kommt, der die Übertragungskörper in ihrer Ausrichtung fixiert. Ein Koppeln des Steriladapters mit der Instrumentenantriebseinheit bewirkt dann, dass die Übertragungskörper angehoben werden, so dass sie entweder an dem Verriegelungsmechanismus von unten anliegen oder die Verriegelungselemente sofort in die Aussparungen greifen. In beiden Fällen drehen anschließend die Antriebe, wobei im ersten Fall die Übertragungskörper durch Reibung mitgenommen werden, bis sie in den Verriegelungsmechanismus greifen können und blockieren. Die Antriebe drehen so lange, bis der jeweilige Übertragungskörper zum ihm zugeordneten Antrieb ausgerichtet ist, also bis die Vorsprünge und die jeweiligen Aussparungen übereinanderliegen, und der jeweilige Übertragungskörper mit dem ihm zugeordneten Antrieb in Formschluss fällt, so dass ein Drehmoment übertragen wird. A solution to this problem is known from EP 3 119 328 B1, which discloses a sterile adapter which has a plurality of rotatably mounted transfer bodies. In order to come into contact with the drives of the instrument drive unit, the transmission bodies have projections designed to engage in the drives. Furthermore, the transmission bodies each comprise a recess which engages with a locking mechanism which fixes the alignment of the transmission bodies. Coupling the sterile adapter to the instrument drive unit then causes the transfer bodies to be raised so that they either rest against the locking mechanism from below or the locking elements immediately engage in the recesses. In both cases, the drives then rotate, and in the first case the transmission bodies are carried along by friction until they can engage in the locking mechanism and block. The drives rotate until the respective transmission body is aligned with the drive assigned to it, i.e. until the projections and the respective recesses are superimposed, and the respective transmission body engages with the drive assigned to it, so that a torque is transmitted.
[0011] Die EP 3 099 265 B1 offenbart eine Schnittstelle für ein chirurgisches System zwischen einer Instrumentenantriebseinheit und einem chirurgischen Instrument. [0011] EP 3 099 265 B1 discloses an interface for a surgical system between an instrument drive unit and a surgical instrument.
Sowohl auf Seiten des Instruments als auch auf Seiten der Instrumentenantriebseinheit sind Übertragungsstrukturen, durch die eine Kraft zum Aktuieren, also zum robotergestützten Auslenken eines Endeffektors des Instruments übertragen wird, als schräge Flächen ausgebildet. Die Übertragungsstrukturen auf Seiten des Instruments werden dabei an der Instrumentenantriebseinheit ausgerichtet, indem die schrägen Flächen übereinander gleiten, während das Instrument mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird. Der Nachteil dieser Schnittstelle ist, dass sie keine Möglichkeit vorsieht, eine sterile Barriere zwischen Instrument und Instrumentenantriebseinheit einzubringen. Außerdem kann es vorkommen, dass die Übertragungsstrukturen derart aufeinander stehen, dass es zu einer Blockierung kommt. Both on the side of the instrument and on the side of the instrument drive unit, transmission structures through which a force for actuating, ie for robot-supported deflection of an end effector of the instrument, is transmitted are designed as inclined surfaces. The transmission structures on the instrument side are thereby aligned on the instrument drive unit by sliding the inclined surfaces over one another while the instrument is connected to the instrument drive unit. The disadvantage of this interface is that it does not provide a way to introduce a sterile barrier between the instrument and the instrument drive unit. It can also happen that the transmission structures are so superimposed that blocking occurs.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
[0012] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Sterileinheit für ein chirurgisch robotisches System bereitzustellen, die ermöglicht, die Übertragungskörper antriebs- und abtriebsseitig leichter verbinden zu können. It is therefore the object of the invention to provide a sterile unit for a surgical robotic system which makes it possible to connect the transmission bodies on the input and output sides more easily.
[0013] Die Aufgabe wird durch für einen eingangs erläuterten Manipulator dadurch gelöst, dass die eine der ersten und zweiten Koppelstrukturen durch eine erste keilförmige Ausnehmung und die andere der ersten und der zweiten Koppelstrukturen durch einen der ersten keilförmigen Ausnehmung entsprechenden ersten Keil gebildet ist. Auf diese Weise wird das Ausrichten der Übertragungskörper deutlich erleichtert, da der erste Keil an zwei Seiten der durch die erste keilförmige Ausnehmung gebildeten Koppelstruktur entlanggeführt wird bzw. alternativ da die durch die erste keilförmige Ausnehmung gebildete Koppelstruktur über den ersten Keil gleitet. Die die Ausrichtung bewirkenden Kräfte wirken vor allem am Rand der auszurichtenden Koppelstruktur, so dass der Krafteintrag verbessert und damit das Verbinden der Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit allgemein erleichtert wird. The object is achieved by a manipulator explained at the outset in that one of the first and second coupling structures is formed by a first wedge-shaped recess and the other of the first and second coupling structures is formed by a first wedge corresponding to the first wedge-shaped recess. In this way, the alignment of the transfer bodies becomes clear easier because the first wedge is guided along two sides of the coupling structure formed by the first wedge-shaped recess or alternatively because the coupling structure formed by the first wedge-shaped recess slides over the first wedge. The forces effecting the alignment act primarily on the edge of the coupling structure to be aligned, so that the application of force is improved and the connection of the sterile unit to the instrument drive unit is generally facilitated.
[0014] In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Übertragungskörper oder der Antriebskörper zylinderförmig. Auf diese Weise kann ein Übertragungskörper leichter innerhalb der Basis gedreht und zu dem zugehörigen Antriebskörper ausgerichtet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der erste Keil nicht mehr über eine durch die erste keilförmige Ausnehmung gebildete Fläche gleiten muss, sondern über die durch diese gebildeten Kanten an dem entsprechenden Antriebs- oder Übertragungskörper. Auf diese Weise können der erste Keil wie auch die erste keilförmige Ausnehmung besser zueinander ausgerichtet werden. In an advantageous embodiment, the transmission body or the drive body is cylindrical. In this way, a transfer body can be more easily rotated within the base and aligned with the associated drive body. A further advantage is that the first wedge no longer has to slide over a surface formed by the first wedge-shaped recess, but over the edges formed by this on the corresponding drive or transmission body. In this way, the first wedge as well as the first wedge-shaped recess can be better aligned with one another.
[0015] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste Keil an einer Keilspitze einen Zapfen auf, während an der ersten keilförmigen Ausnehmung eine zu dem Zapfen komplementäre Nut vorhanden ist. Die Aufgabe des Übertragungskörpers ist die Weitergabe eines Drehmoments, welches es von dem Antrieb aufnimmt. Dieses Drehmoment wirkt in senkrechter Richtung zur Drehachse des Übertragungskörpers, so dass der Zapfen und die zugehörige Nut eine verbesserte Übertragung des Drehmoments erlauben. Die Nut muss dabei nicht zwingend der Form des Zapfens entsprechen, solange sie den Zapfen vollständig aufnimmt und das Drehmoment bestmöglich weitergegeben werden kann. In a further advantageous embodiment, the first wedge at a wedge tip on a pin, while a complementary to the pin groove is present on the first wedge-shaped recess. The task of the transmission body is to transmit a torque that it absorbs from the drive. This torque acts in the direction perpendicular to the axis of rotation of the transmission body, so that the pin and the associated groove allow improved transmission of the torque. The groove does not necessarily have to correspond to the shape of the pin, as long as it completely accommodates the pin and the torque can be passed on in the best possible way.
[0016] Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zapfen als Quader ausgebildet ist, der an zwei von dem ersten Keil abgewandten langen Kanten gefast oder abgerundet ist. Die gefasten Kanten erleichtern das Gleiten des Zapfens über die an der ersten keilförmigen Ausnehmung befindlichen Kanten. It is particularly advantageous if the pin is designed as a cuboid which is chamfered or rounded at two remote from the first wedge long edges. The chamfered edges facilitate the sliding of the pin over the edges located on the first wedge-shaped recess.
[0017] Das Übereinandergleiten des ersten Keils und der Kanten an der keilförmigen Ausnehmung kann weitergehend vorteilhaft derart ausgestaltet werden, dass an der ersten keilförmigen Ausnehmung mehrere Gleitflächen ausgebildet sind. Bei den Gleitflächen handelt es um Fasen, die an den Kanten des Übertragungs- oder des Antriebskörpers im Bereich der keilförmigen Ausnehmung vorgesehen werden. Idealerweise erstrecken sich die Fasen entlang der gesamten keilförmigen Ausnehmung. The sliding over one another of the first wedge and the edges of the wedge-shaped recess can be further advantageously configured in such a way that a plurality of sliding surfaces are formed on the first wedge-shaped recess. The sliding surfaces are chamfers that are provided on the edges of the transmission or drive body in the area of the wedge-shaped recess. Ideally, the chamfers extend along the entire wedge-shaped recess.
[0018] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Manipulator außerdem ein chirurgisches Instrument, welches mindestens ein dem mindestens einen Übertragungskörper zugeordneten Abtrieb aufweist. Die Sterileinheit weist dabei zusätzlich einen zweiten Befestigungsmechanismus, mit dem das Instrument mit der Sterileinheit verbunden wird, auf. Die Sterileinheit wird so zwischen der Instrumentenantriebseinheit und dem Instrument platziert und die Übertragungskörper erlauben die Weitergabe eines Drehmoments von den Antrieben auf die zugehörigen Abtriebe des Instruments. Die Sterileinheit ist dabei selbst Teil einer Sterilbarriere, die den manipulatorseitigen Bereich von dem Operationsbereich steril abschirmt. Die Anzahl der Antriebe, Übertragungskörper und Abtriebe kann je nach Anwendung angepasst werden. So wird in der Regel die Anzahl der Antriebe zum Zwecke der Austauschbarkeit mit der Anzahl der Übertragungskörper übereinstimmen, es sind aber auch Anpassungen möglich, sofern ein Instrument eine von der Anzahl der Antriebe oder der Übertragungskörper verschiedene Anzahl an Freiheitsgraden eines Endeffektors hat. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist dabei abhängig von der Beweglichkeit und den Funktionen des am Instrument befindlichen Endeffektors: Ein Endoskop kann beispielsweise einen einzigen Freiheitsgrad aufweisen, während ein Klammerinstrument in fünf Freiheitsgraden beweglich sein kann. In a further advantageous embodiment, the manipulator also includes a surgical instrument which has at least one output drive associated with the at least one transmission body. The sterile unit additionally has a second attachment mechanism, with which the instrument is connected to the sterile unit. The sterile unit is thus placed between the instrument drive unit and the instrument, and the transmission bodies allow torque to be transmitted from the drives to the associated drives of the instrument. The sterile unit is itself part of a sterile barrier that shields the area on the manipulator side from the operating area in a sterile manner. The number of drives, transmission bodies and outputs can be adjusted depending on the application. As a rule, the number of drives will match the number of transmission bodies for the purpose of interchangeability, but adjustments are also possible if an instrument has a number of degrees of freedom of an end effector that differs from the number of drives or transmission bodies. The number of degrees of freedom depends on the mobility and the functions of the end effector located on the instrument: an endoscope, for example, can have a single degree of freedom, while a stapling instrument can be movable in five degrees of freedom.
[0019] Der mindestens eine Übertragungskörper umfasst außerdem vorteilhaft eine dritte Koppelstruktur und der mindestens eine Abtriebskörper eine zur dritten Koppelstruktur komplementäre vierte Koppelstruktur. Die dritte Koppelstruktur und die vierte Koppelstruktur bilden zusammen einen zweiten Ausrichtungsmechanismus, so dass der mindestens eine Abtriebskörper entsprechend der ihm entsprechenden dritten Koppelstruktur ausgerichtet wird, wenn das Instrument an der Sterileinheit befestigt wird, während die Sterileinheit bereits mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden ist. Jeder Abtrieb kann den am Instrument befindlichen Endeffektor in einem Freiheitsgrad bewegen. The at least one transmission body also advantageously comprises a third coupling structure and the at least one driven body comprises a fourth coupling structure which is complementary to the third coupling structure. The third coupling structure and the fourth coupling structure together form a second alignment mechanism so that the at least one driven body is aligned according to the third coupling structure corresponding to it when the instrument is attached to the sterile unit while the sterile unit is already connected to the instrument drive unit. Each output can move the end effector located on the instrument in one degree of freedom.
[0020] Bei einer solchen Ausgestaltung ist es besonders vorteilhaft, wenn die eine der dritten oder vierten Koppelstrukturen durch eine an dem Übertragungskörper oder an dem Abtriebskörper vorhandene, zweite keilförmige Ausnehmung und die andere der dritten oder der vierten Koppelstrukturen durch einen der zweiten keilförmigen Ausnehmung entsprechenden zweiten Keil gebildet ist, da die Ausrichtung der Abtriebskörper durch eine verbesserte Übertragung des Drehmoments analog der oben beschriebenen Ausführung ermöglicht wird. In such a configuration, it is particularly advantageous if one of the third or fourth coupling structures by a second wedge-shaped recess present on the transmission body or on the driven body and the other of the third or fourth coupling structures is formed by a second wedge corresponding to the second wedge-shaped recess, since the alignment of the driven bodies is made possible by improved transmission of the torque analogous to the embodiment described above.
[0021] Ferner ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung derart beschaffen, dass die erste und die dritte Koppelstruktur als erste und zweite keilförmige Ausnehmungen sowie zueinander um 90° versetzt an dem Übertragungskörper ausgebildet sind. Diese Ausführung ist besonders kompakt. Hier ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Keil jeweils mittig eine Aussparung aufweisen. Dies ermöglicht, die erste und die zweite keilförmige Ausnehmung so an dem Übertragungskörper anzuordnen, dass sie sich überschneiden. Eine so entstehende Öffnung muss dann mit Material ausgefüllt werden, um die sterile Abtrennung zu erhalten. Durch die Aussparungen am ersten und am zweiten Keil wird es ermöglicht, die Übertragungskörper kompakter zu gestalten. Furthermore, a particularly advantageous embodiment is such that the first and the third coupling structure are formed as first and second wedge-shaped recesses and are offset from one another by 90° on the transmission body. This version is particularly compact. It is also particularly advantageous here if the first and the second wedge each have a recess in the middle. This makes it possible to arrange the first and the second wedge-shaped recess on the transmission body in such a way that they overlap. An opening created in this way must then be filled with material in order to maintain the sterile separation. The cutouts on the first and second wedges make it possible to make the transmission bodies more compact.
[0022] Die Aufgabe wird ferner bei einer eingangs beschriebene Sterileinheit dadurch gelöst, dass die zweite Koppelstruktur durch eine erste keilförmige Ausnehmung oder durch einen ersten Keil gebildet ist. Ein Ausrichten des Übertragungskörpers wird so im Vergleich zum bekannten Stand der Technik deutlich vereinfacht. The object is also achieved in a sterile unit as described above in that the second coupling structure is formed by a first wedge-shaped recess or by a first wedge. Alignment of the transfer body is thus significantly simplified compared to the known prior art.
[0023] Es ist dabei von Vorteil, die dritte Koppelstruktur als zweite Ausrichtungsstruktur auszubilden, welche den mindestens einen Übertragungskörper relativ zu der vierten Koppelstruktur ausrichtet, wenn die Sterileinheit mit dem Instrument verbunden wird und dabei besonders vorteilhaft die dritte Koppelstruktur durch eine zweite keilförmige Ausnehmung oder durch einen zweiten Keil gebildet ist. Damit wird ermöglicht, den mindestens einen Übertragungskörper auch zum zugehörigen Abtriebskörper auszurichten oder, wenn der Übertragungskörper zum Beispiel durch Kontakt mit dem zugehörigen Antrieb blockiert wird, den entsprechenden Abtriebskörper der Abtriebe des Instruments wie oben beschrieben an dem Übertragungskörper auszurichten. It is advantageous here to design the third coupling structure as a second alignment structure, which aligns the at least one transfer body relative to the fourth coupling structure when the sterile unit is connected to the instrument, and particularly advantageously the third coupling structure by a second wedge-shaped recess or is formed by a second wedge. This makes it possible to also align the at least one transmission body with the associated output body or, if the transmission body is blocked, for example by contact with the associated drive, to align the corresponding output body of the outputs of the instrument on the transmission body as described above.
[0024] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen It goes without saying that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the specified combinations, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention. Brief description of the drawings
[0025] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below by means of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, which also disclose features that are essential to the invention. These embodiments are provided for illustration only and are not to be construed as limiting. For example, a description of an embodiment having a plurality of elements or components should not be construed as implying that all of those elements or components are necessary for implementation. Rather, other embodiments may include alternative elements and components, fewer elements or components, or additional elements or components. Elements or components of different exemplary embodiments can be combined with one another unless otherwise stated. Modifications and variations that are described for one of the embodiments can also be applicable to other embodiments. To avoid repetition, the same or corresponding elements in different figures are denoted by the same reference symbols and are not explained more than once. Show it:
[0026] Fig. 1 einen Manipulator mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 shows a manipulator with the device according to the invention,
[0027] Fig. 2 eine Antriebseinheit, eine Sterileinheit und ein chirurgische Instrument in einer Explosionsdarstellung, 2 shows a drive unit, a sterile unit and a surgical instrument in an exploded view,
[0028] Fig. 3 A die Sterileinheit aus Fig. 2 in einer ersten Ansicht, [0028] FIG. 3A shows the sterile unit from FIG. 2 in a first view,
[0029] Fig. 3B die Sterileinheit aus Fig. 2 in einer zweiten Ansicht, [0029] FIG. 3B shows the sterile unit from FIG. 2 in a second view,
[0030] Fig. 4 das chirurgische Instrument aus Fig. 2, [0030] FIG. 4 shows the surgical instrument from FIG. 2,
[0031] Fig. 5A, 5B zwei Varianten der ersten und zweiten Koppelstruktur, 5A, 5B two variants of the first and second coupling structure,
[0032] Fig. 6 eine Kombination aus Antrieb, Übertragungskörper und Abtrieb. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen 6 shows a combination of drive, transmission body and output. Detailed description of the drawings
[0033] Fig.1 zeigt einen robotischen Manipulator 50 mit einer Instrumentenantriebseinheit 20 und ein Instrument 30. Derartige Manipulatoren 50 umfassen eine Vielzahl von Gelenken, die eine freie Positionierung des Instruments 30 im Raum ermöglichen. Dabei können sie eigenständig als Hilfe für den Chirurgen, z.B. als Endoskophalterungen, oder im Rahmen eines chirurgischen Telemanipulators eingesetzt werden. Da der Bereich um einen zu operierenden Patienten immer steril sein muss, um Infektionen zu vermeiden, werden schwer zu sterilisierende Teile des Systems, also der Manipulator 50 und die Instrumentenantriebseinheit 20, durch eine Sterilbarriere 60 vom sterilen Bereich abgetrennt. Um trotzdem das Instrument 30, welches hier als Endoskop ausgebildet ist, aktuieren zu können, ist die Sterileinheit 10 wie oben beschrieben als Adapter ausgebildet. shows a robotic manipulator 50 with an instrument drive unit 20 and an instrument 30. Such manipulators 50 include a variety of joints that allow free positioning of the instrument 30 in space. They can be used independently as an aid for the surgeon, e.g. as endoscope holders, or as part of a surgical telemanipulator. Since the area around a patient to be operated on must always be sterile in order to avoid infections, parts of the system that are difficult to sterilize, ie the manipulator 50 and the instrument drive unit 20, are separated from the sterile area by a sterile barrier 60. In order to still be able to actuate the instrument 30, which is designed here as an endoscope, the sterile unit 10 is designed as an adapter, as described above.
[0034] Fig. 2 stellt dar, wie das Instrument 30, eine Sterileinheit 10 und die Instrumentenantriebseinheit 20 zueinander angeordnet werden. Die Sterileinheit 10 weist eine Basis 11 und mehrere Übertragungskörper 12 auf, die drehbar um eine Drehachse gelagert sind. Die Sterileinheit 10 wird zwischen Instrument 30 und Instrumentenantriebseinheit 20 angeordnet. Fig. 2 shows how the instrument 30, a sterile unit 10 and the instrument drive unit 20 are arranged in relation to one another. The sterile unit 10 has a base 11 and a plurality of transmission bodies 12 which are mounted so as to be rotatable about an axis of rotation. The sterile unit 10 is arranged between the instrument 30 and the instrument drive unit 20 .
[0035] Das chirurgische Instrument 30 setzt sich ferner aus einem Instrumentengehäuse 31 und einen Instrumentenschaft 32 zusammen. An einem distalen Ende des Instrumentenschafts 32 ist hier ein Endeffektor 35 in Form eines Greifers angeordnet. Allgemein können sämtliche Typen von Endeffektoren 35 eingesetzt werden, so zum Beispiel Scheren, Klammernahtinstrumente oder Dissektoren. Alternativ kann auch, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Endoskop eingesetzt werden. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist dabei abhängig vom Typ des Instruments 30, wobei neben der Bewegung von Endeffektorgelenken auch eine mechanische Auslösung von zusätzlichen Funktionen, beispielsweise dem Öffnen und Schließen von Maulteilen eines Greifers oder dem Aktivieren einer Klinge, als individuelle Freiheitsgrade umfasst sind. In der Regel liegt die Anzahl der Freiheitsgrade zwischen einem einzelnen für zum Beispiel ein Endoskop oder fünf für ein Klammernahtinstrument, prinzipiell ist sie jedoch beliebig und kann an den konkreten Anwendungsfall angepasst werden. The surgical instrument 30 is also composed of an instrument housing 31 and an instrument shaft 32 . An end effector 35 in the form of a gripper is arranged here at a distal end of the instrument shaft 32 . In general, all types of end effectors 35 can be used, such as scissors, stapling instruments or dissectors. Alternatively, as shown in FIG. 1, an endoscope can also be used. The number of degrees of freedom depends on the type of instrument 30, which includes not only the movement of end effector joints but also a mechanical triggering of additional functions, such as opening and closing jaw parts of a gripper or activating a blade, as individual degrees of freedom. As a rule, the number of degrees of freedom is between one for an endoscope, for example, or five for a stapling instrument, but in principle it is arbitrary and can be adapted to the specific application.
[0036] Die Instrumentenantriebseinheit 20 umfasst ein Antriebsgehäuse 22, in dem fünf Antriebe 21 untergebracht sind, welche jeweils einen Antriebskörper mit einer zweiten Koppelstruktur und einen hier nicht sichtbaren Motor aufweisen, wobei es sich in der Regel um Elektromotoren handelt, die ein Drehmoment erzeugen. Die zweite Koppelstruktur ist dabei außerhalb des Antriebsgehäuses 22 angeordnet, wobei eine genauere Beschreibung ihrer Struktur weiter unten erfolgt. Das vom Motor erzeugte Drehmoment wird durch die jeweiligen Antriebskörper mit jeweils der zweiten Koppelstruktur auf die Übertragungskörper 12 übertragen und von diesen an hier verdeckte Abtriebe des Instruments 30 weitergegeben, um den Endeffektor 35 zu bewegen. Die Instrumentenantriebseinheit 20 umfasst neben den Antrieben 21 und dem Antriebsgehäuse 22 ein oder mehrere erste Befestigungselemente 23, welche die Sterileinheit 10 an der Instrumentenantriebseinheit 20 befestigen. Dazu ist an der Sterileinheit 10 wiederum ein komplementärer, in dieser Abbildung verdeckter, erster Befestigungsmechanismus vorhanden. Auf der dem Instrument 30 zugewandten Seite der Sterileinheit 10 befindet sich ein zweiter Befestigungsmechanismus 14, welcher wiederum ermöglicht, das chirurgische Instrument 30 an der Sterileinheit 10 zu befestigen. Diese Verbindung kann mittels eines Auslösemechanismus 33 gelöst werden. The instrument drive unit 20 includes a drive housing 22 in which five drives 21 are housed, each having a drive body with a have a second coupling structure and a motor, not visible here, which are generally electric motors that generate torque. The second coupling structure is arranged outside of the drive housing 22, with its structure being described in more detail below. The torque generated by the motor is transmitted by the respective drive bodies, each with the second coupling structure, to the transmission bodies 12 and passed on by them to the output drives of the instrument 30 , which are covered here, in order to move the end effector 35 . In addition to the drives 21 and the drive housing 22 , the instrument drive unit 20 includes one or more first fastening elements 23 which fasten the sterile unit 10 to the instrument drive unit 20 . For this purpose, the sterile unit 10 again has a complementary first fastening mechanism that is covered in this figure. On the side of the sterile unit 10 facing the instrument 30 there is a second attachment mechanism 14 which in turn makes it possible to attach the surgical instrument 30 to the sterile unit 10 . This connection can be released by means of a release mechanism 33.
[0037] In den Fig. 3A und 3B ist die Sterileinheit 10 genauer dargestellt. Außer den Übertragungskörpern 12 und der Basis 11 sind an der Sterileinheit 10 ein erster Befestigungsmechanismus 13 und ein zweiter Befestigungsmechanismus 14 angebracht. Auf der dem Instrument 30 zugewandten Seite der Sterileinheit 10, die in Fig. 3A eingesehen werden kann, befindet sich der zweite Befestigungsmechanismus 14, welcher ermöglicht, das chirurgische Instrument 30 an der Sterileinheit 10 zu befestigen. An der der Instrumentenantriebseinheit 20 zugeordneten Seite der Sterileinheit 10, die in Fig. 3B dargestellt ist, befindet sich der erste Befestigungsmechanismus 13, welcher ein Befestigen der Sterileinheit 10 an der Instrumentenantriebseinheit 20 ermöglicht. Beide Befestigungsmechanismen 13, 14 sind Teil einer Schnappverbindung, allgemein kann der erste und der zweite Befestigungsmechanismus 13, 14 jedoch beliebig fachmännisch gestaltet werden, sofern die Sterileinheit 10 mit dem Instrument 30 und der Instrumentenantriebseinheit 20 durch Kraft- oder Formschluss lösbar oder unlösbar verbunden werden kann. The sterile unit 10 is shown in more detail in FIGS. 3A and 3B. A first attachment mechanism 13 and a second attachment mechanism 14 are attached to the sterile unit 10 in addition to the transfer bodies 12 and the base 11 . On the side of the sterile unit 10 facing the instrument 30, which can be seen in FIG. On the side of the sterile unit 10 assigned to the instrument drive unit 20, which is shown in FIG. Both fastening mechanisms 13, 14 are part of a snap connection, but in general the first and the second fastening mechanism 13, 14 can be designed as desired by a specialist, provided that the sterile unit 10 can be detachably or non-detachably connected to the instrument 30 and the instrument drive unit 20 by means of a positive or non-positive connection .
[0038] Die Übertragungskörper 12 werden in jeweils eine Durchgangsöffnung der Basis 11 eingebracht, wobei es verschiedene Möglichkeiten zur konkreten Ausgestaltung gibt. So kann die Basis 11 zweiteilig gestaltet werden, so dass die Übertragungskörper 12 zwischen den beiden Teilen der Basis 11 aufgenommen werden. Alternativ sind, wie in Fig. 3A und 3B gezeigt, die Übertragungskörper 12 selbst mit einer Möglichkeit zur Befestigung ausgestattet. Dabei können sie selbst aus zwei Körpern zusammengesetzt sein, welche die Basis 11 zwischen sich einklemmen, oder aber mit Befestigungsmitteln ausgestattet sein, die sie an der Basis 11 um eine Drehachse drehbar gelagert halten. Dafür geeignet sind Schnapphaken, Kugelgelenkverbindungen oder ähnliches. The transfer bodies 12 are each introduced into a through-opening in the base 11, and there are various options for the specific design. Thus, the base 11 can be designed in two parts, so that the transmission bodies 12 are accommodated between the two parts of the base 11 become. Alternatively, as shown in Figs. 3A and 3B, the transfer bodies 12 themselves are provided with a means of attachment. They can themselves be composed of two bodies which clamp the base 11 between them, or they can be equipped with fastening means which hold them rotatably mounted on the base 11 about an axis of rotation. Snap hooks, ball joint connections or similar are suitable for this.
[0039] Nicht dargestellt aber ebenso möglich sind weitere, anders geformte Übertragungskörper 12 oder ein elektrischer Kontakt zum Leiten von Stromsignalen durch die Sterileinheit 10. Ferner ist an der der Instrumentenantriebseinheit 20 zugewandten Seite der Basis 11 der Sterileinheit 10 vorzugsweise eine Befestigungsfläche 15 vorhanden. Hier wird mittels Kleben oder Schweißen eine Sterilfolie angebracht, welche zusammen mit der Sterileinheit 10 eine Sterilbarriere 60 formt. Eine weitere fachübliche Möglichkeit, die Sterilfolie einzubringen, besteht darin, die Basis 11 zweiteilig zu gestalten, so dass die Sterilfolie zwischen die zwei Teile geklemmt wird. Not shown but also possible are further, differently shaped transmission bodies 12 or an electrical contact for conducting current signals through the sterile unit 10. Furthermore, there is preferably a fastening surface 15 on the side of the base 11 of the sterile unit 10 facing the instrument drive unit 20. A sterile film is attached here by means of gluing or welding, which together with the sterile unit 10 forms a sterile barrier 60 . Another possibility, customary in the art, for inserting the sterile foil is to design the base 11 in two parts, so that the sterile foil is clamped between the two parts.
[0040] Fig. 4 zeigt das chirurgische Instrument 30 von der unteren Seite gesehen. Neben dem Instrumentengehäuse 31 und dem Instrumentenschaft 32 sind hier ebenfalls die Abtriebe 34 gezeigt. Diese dienen der Aktuierung des hier nicht gezeigten Endeffektors 35. Das dargestellte Instrument 30 besitzt fünf dieser Abtriebe 34, die Anzahl kann jedoch entsprechend dem verwendeten Instrumententyp variieren. Jeder Abtrieb 34 umfasst einen Abtriebskörper mit einer vierten Koppelstruktur, der zumindest teilweise von außen ersichtlich ist, und einen in dem Instrumentengehäuse 31 befindlichen Übertragungsmechanismus, der fest mit dem Abtriebskörper verbunden ist und ein an dem Abtriebskörper wirkendes Drehmoment zum Endeffektor 35 leitet. 4 shows the surgical instrument 30 seen from below. In addition to the instrument housing 31 and the instrument shaft 32, the drives 34 are also shown here. These are used to actuate the end effector 35, not shown here. The instrument 30 shown has five of these outputs 34, but the number can vary depending on the type of instrument used. Each output 34 comprises an output body with a fourth coupling structure, which is at least partially visible from the outside, and a transmission mechanism located in the instrument housing 31, which is firmly connected to the output body and transmits a torque acting on the output body to the end effector 35.
[0041] Um das Instrument 30 mit der Sterileinheit 10 zu verbinden sind ein oder mehrere zweite Befestigungselemente 36 vorhanden, die in den zweiten Befestigungsmechanismus 14 greifen, so dass das Instrument 30 an der Sterileinheit 10 gehalten wird. Mittels des Auslösemechanismus 33 können die zweiten Befestigungselement 36 bewegt werden und so die Verbindung zwischen Instrument 30 und Sterileinheit 10 lösen. Die Gestaltung der zweiten Befestigungselemente 36 und des zweiten Befestigungsmechanismus 14 ist jedoch im Allgemeinen frei wählbar. [0042] Die Fig. 5A und 5B zeigen am Beispiel des Antriebskörpers 25 und des Übertragungskörpers 12, wie die Koppelstrukturen ausgebildet sind und wie sie wirken. Das Prinzip lässt sich problemlos auf die Koppelstrukturen zwischen dem Übertragungskörper 12 und dem Abtriebskörper des Instruments 30 übertragen, auch wenn im Folgenden die Beschreibung anhand der Koppelstrukturen des Übertragungskörpers 12 und des Antriebskörpers 25 erfolgt. In order to connect the instrument 30 to the sterile unit 10, one or more second fastening elements 36 are present which engage in the second fastening mechanism 14 so that the instrument 30 is held on the sterile unit 10. The second fastening elements 36 can be moved by means of the release mechanism 33 and the connection between the instrument 30 and the sterile unit 10 can thus be released. However, the design of the second fastening elements 36 and the second fastening mechanism 14 is generally freely selectable. 5A and 5B show the example of the drive body 25 and the transmission body 12, how the coupling structures are formed and how they work. The principle can easily be transferred to the coupling structures between the transmission body 12 and the driven body of the instrument 30 , even if the description below is based on the coupling structures of the transmission body 12 and the drive body 25 .
[0043] Der Übertragungskörper 12 weist in Fig. 5A einen Keil 43 als erste Koppelstruktur auf, an dessen Spitze sich ein Zapfen 44 befindet. Der Zapfen 44 ist als Quader ausgebildet, dessen dem Antrieb 21 zugewandten Kanten abgerundet sind. Auf der dem Instrument 30 zugewandten Seite ist hier eine offene Struktur dargestellt, welche in den Abtriebskörper greifen und ein Drehmoment übertragen kann. Der zugehörige Antriebskörper 25 umfasst eine zweite Koppelstruktur, die als eine zum Keil 43 komplementäre keilförmige Ausnehmung 42 und eine zum Zapfen 44 komplementäre Nut 45 aufweist. In FIG. 5A, the transmission body 12 has a wedge 43 as the first coupling structure, at the tip of which a pin 44 is located. The pin 44 is designed as a cuboid whose edges facing the drive 21 are rounded. On the side facing the instrument 30, an open structure is shown here, which can engage in the driven body and transmit a torque. The associated drive body 25 comprises a second coupling structure, which has a wedge-shaped recess 42 complementary to the wedge 43 and a groove 45 complementary to the pin 44 .
[0044] Es ist in Fig. 5A ferner zu sehen, dass die Nut 45 und der Zapfen 44 nicht formschlüssig ineinandergreifen müssen. Für eine Drehmomentübertragung ist es vielmehr ausreichend, wenn parallel zur Drehachse 48 des Übertragungskörpers 12 ausgerichtete Flächen an Nut 45 und Zapfen 44 vorhanden sind. Die abgerundeten Kanten des Zapfens 44 erlauben ein besseres Gleiten über die Kanten des Antriebskörpers 25 an der keilförmigen Ausnehmung 42. It can also be seen in Figure 5A that the groove 45 and the peg 44 need not be positively engaged. Rather, it is sufficient for torque transmission if there are surfaces on the groove 45 and pin 44 that are parallel to the axis of rotation 48 of the transmission body 12 . The rounded edges of the pin 44 allow better sliding over the edges of the drive body 25 on the wedge-shaped recess 42.
[0045] Im Folgenden soll der Vorgang des Verbindens des Übertragungskörpers 12 und des Antriebskörpers 25 näher erläutert werden. Sind der Zapfen 44 und die Nut 45 nicht zueinander ausgerichtet, führt das beim Zusammenführen des Übertragungskörpers 12 mit dem Antriebskörper 25 dazu, dass der Keil 43 bzw. der Zapfen 44 mit den Kanten des Antriebskörpers 25 an der keilförmigen Ausnehmung 42 in Kontakt treten. Da der Übertragungskörper 12 frei um die Drehachse 48 gelagert ist, der jeweils zugehörige Motor des Antriebs 21 jedoch ein größeres Trägheitsmoment aufweist oder gar aktiv gebremst wird, wird der Übertragungskörper 12 entlang der Kanten des Antriebskörpers 25 geführt, ohne dass dieser selbst wesentlich ausgelenkt wird. Dabei kommt es durch die gewölbte Form an der keilförmigen Ausnehmung 42 dazu, dass sich der Übertragungskörper 12 zu Drehen beginnt, bis die erste und die zweite Koppelstruktur, also hier der Keil 43 und die keilförmige Ausnehmung 42 formschlüssig aneinander liegen. Nun kann ein von dem Antrieb 21 erzeugtes Drehmoment auf den Übertragungskörper 12 übertragen werden. Da das Drehmoment senkrecht zur Drehachse 48 wirkt, wird die Übertragung wie oben beschrieben durch Nut 45 und Zapfen 44 verbessert. The process of connecting the transmission body 12 and the drive body 25 will be explained in more detail below. If the pin 44 and the groove 45 are not aligned with one another, this results in the wedge 43 or the pin 44 coming into contact with the edges of the drive body 25 at the wedge-shaped recess 42 when the transmission body 12 is brought together with the drive body 25 . Since the transmission body 12 is mounted freely about the axis of rotation 48, but the associated motor of the drive 21 has a greater moment of inertia or is even actively braked, the transmission body 12 is guided along the edges of the drive body 25 without the latter itself being significantly deflected. The arched shape of the wedge-shaped recess 42 causes the transmission body 12 to start rotating until the first and the second coupling structure, ie here the wedge 43 and the wedge-shaped recess 42, are in positive contact with one another. Now a generated by the drive 21 Torque can be transmitted to the transmission body 12. Since the torque acts perpendicularly to the axis of rotation 48, the transmission is improved by the groove 45 and pin 44 as described above.
[0046] Die Fig. 5B zeigt den inversen Fall, wo die zweite Koppelstruktur des Antriebskörpers 25 als Keil 43 und die erste Koppelstruktur des Übertragungskörpers 12 durch die keilförmige Ausnehmung 42 ausgebildet ist. Hier ist der Ablauf, den Übertragungskörper 12 an dem Antriebskörper 25 auszurichten, im Prinzip identisch, jedoch passt sich der Übertragungskörper 12 mit der keilförmigen Ausnehmung 42 an den Keil 43 an. Bei dieser Ausführungsform sind an dem Übertragungskörper 12 im Bereich der Kanten an der keilförmigen Ausnehmung 42 zusätzliche Gleitflächen 46 vorhanden, welche die Ausrichtung weiter verbessern, indem sie den Keil 43 besser führen. Ferner wird durch die Gleitflächen 46 ein Abrieb reduziert, da der Keil 43 mit einer Fläche und nicht mit einer scharfen Kante in Berührung kommt. 5B shows the inverse case, where the second coupling structure of the drive body 25 is formed as a wedge 43 and the first coupling structure of the transmission body 12 is formed by the wedge-shaped recess 42. Here, the procedure for aligning the transmission body 12 on the drive body 25 is basically identical, but the transmission body 12 with the wedge-shaped recess 42 adapts to the wedge 43 . In this embodiment, additional sliding surfaces 46 are present on the transmission body 12 in the area of the edges of the wedge-shaped recess 42, which further improve the alignment by guiding the wedge 43 better. Furthermore, abrasion is reduced by the sliding surfaces 46 since the wedge 43 comes into contact with a surface and not with a sharp edge.
[0047] Fig. 6 zeigt nun den Verbund aus Antriebskörper 25, Übertragungskörper 12 und Abtriebskörper 37 in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung. Der Übertragungskörper 12 weist eine erste keilförmige Ausnehmung 42a als erste Koppelstruktur und eine zweite keilförmige Ausnehmung 42b als dritte Koppelstruktur auf, wobei die keilförmigen Ausnehmungen 42a, 42b zueinander um 90° in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse 48 versetzt sind. Es sind sowohl Nuten 45a, 45b als auch Gleitflächen 46 vorhanden. Die zweite Koppelstruktur des Antriebskörpers 25 und die vierte Koppelstruktur des Abtriebskörpers 37 sind jeweils als erster bzw. zweiter Keil 43a, 43b mit jeweils einem Zapfen 44a, 44b ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die dem Übertragungskörper 12 zugewandten Kanten jedes Zapfens 44a, 44b gefast. Schematisch angedeutet ist ferner ein Motor 24, welcher mit dem Antriebskörper 25 verbunden ist und auf diesen ein Drehmoment überträgt. now shows the combination of drive body 25, transmission body 12 and driven body 37 in a further advantageous embodiment. The transmission body 12 has a first wedge-shaped recess 42a as the first coupling structure and a second wedge-shaped recess 42b as the third coupling structure, the wedge-shaped recesses 42a, 42b being offset from one another by 90° in a plane perpendicular to the axis of rotation 48. Both grooves 45a, 45b and sliding surfaces 46 are present. The second coupling structure of the drive body 25 and the fourth coupling structure of the driven body 37 are each designed as a first and second wedge 43a, 43b, each with a pin 44a, 44b. In this exemplary embodiment, the edges of each pin 44a, 44b facing the transmission body 12 are chamfered. Also indicated schematically is a motor 24 which is connected to the drive body 25 and transmits a torque to it.
[0048] Die Nuten 45a, 45b der ersten und der dritten Koppelstruktur liegen in einer Ebene, so dass es in der Mitte des Übertragungskörpers 12 zu einer Überschneidung kommt. Um hier keinen Durchbruch der Sterilbarriere 60 zu schaffen, die das gesamt System ungeeignet für den Einsatz in der Chirurgie machen würde, ist diese Überschneidung mit Material ausgefüllt. Dabei kommt es zu einer Erhöhung innerhalb beider Nuten 45a, 45b. Um dieser Erhöhung Rechnung zu tragen, sind an beiden Zapfen 44a, 44b entsprechende Aussparungen 47a, 47b vorhanden. Dadurch kann der Übertragungskörper 12 und damit auch die gesamte Sterileinheit 10 besonders kompakt ausgeführt werden. The grooves 45a, 45b of the first and the third coupling structure lie in one plane, so that there is an overlap in the middle of the transmission body 12. This overlap is filled with material so that the sterile barrier 60 does not break through here, which would make the entire system unsuitable for use in surgery. This results in an increase within both grooves 45a, 45b. In order to take this increase into account, there are corresponding recesses 47a, 47b on both pins 44a, 44b. This allows him Transmission body 12 and thus the entire sterile unit 10 are made particularly compact.
[0049] Das Verbinden des Übertragungskörpers 12 mit dem Antriebskörper 25 erfolgt analog wie es bereits mit Bezug auf Fig. 5A und 5B beschrieben wurde. Um das Instrument 30 zu verbinden, wird das System aus Antriebskörper 25 und Übertragungskörper 12 in der Regel in einer Position festgesetzt, die der Nullposition des Instruments 30, bei der der Endeffektor 35 nicht ausgelenkt ist, entspricht. Dadurch kann die vierte Koppelstruktur des Abtriebsskörpers 37 an der dritten Koppelstruktur des Übertragungskörpers 12 ausgerichtet werden, wenn das Instrument 30 mit der Sterileinheit 10 verbunden wird. Das auf den Abtriebskörper 37 wirkende Drehmoment wird dabei direkt auf den Endeffektor 35 des Instruments 30 übertragen, welcher auf diesem Weg in seine Nullposition gebracht wird, sollte die Stellung des Endeffektors 35 von dieser abweichen. Hierbei handelt es sich in der Regel lediglich um geringe Auslenkungen, welche zum Beispiel durch einen Transport oder ein versehentliches Berühren hervorgerufen worden sind und welche vor Aufnahme des Betriebs sonst vom Gesamtsystem korrigiert werden müssen. The connection of the transmission body 12 to the drive body 25 is analogous to that already described with reference to FIGS. 5A and 5B. In order to connect the instrument 30, the system consisting of the drive body 25 and the transmission body 12 is generally fixed in a position which corresponds to the zero position of the instrument 30, in which the end effector 35 is not deflected. As a result, the fourth coupling structure of the driven body 37 can be aligned with the third coupling structure of the transfer body 12 when the instrument 30 is connected to the sterile unit 10 . The torque acting on the driven body 37 is transmitted directly to the end effector 35 of the instrument 30, which is brought to its zero position in this way if the position of the end effector 35 deviates from this position. As a rule, these are only small deflections, which have been caused, for example, by transport or accidental touching and which otherwise have to be corrected by the overall system before starting operation.
Bezuqszeichenliste Reference character list
10 Sterileinheit 10 sterile unit
11 Basis 11 base
12 Übertragungskörper 12 transmission bodies
13 erster Befestigungsmechanismus13 first attachment mechanism
14 zweiter Befestigungsmechanismus14 second attachment mechanism
15 Befestigungsfläche 15 mounting surface
20 Instrumentenantriebseinheit 20 instrument drive unit
21 Antrieb 21 drive
22 Antriebsgehäuse 22 drive housing
23 erstes Befestigungselement 23 first fastener
24 Motor
Figure imgf000017_0001
Antriebskörper 24 engine
Figure imgf000017_0001
drive body
30 chirurgisches Instrument 30 surgical instrument
31 Instrumentengehäuse 31 instrument housing
32 Instrumentenschaft 32 instrument shaft
33 Auslösemechanismus 33 trigger mechanism
34 Abtrieb 34 downforce
35 Endeffektor 35 end effector
36 zweites Befestigungselement36 second fastener
37 Abtriebskörper 37 output body
42 keilförmige Ausnehmung 42 wedge-shaped recess
42a erste keilförmiger Ausnehmung42a first wedge-shaped recess
42b zweite keilförmige Ausnehmung42b second wedge-shaped recess
43 Keil 43 wedge
43a erster Keil 43a first wedge
43b zweiter Keil 43b second wedge
44, 44a, 44b Zapfen 44, 44a, 44b pins
45, 45a, 45b Nut 45, 45a, 45b groove
46 Gleitfläche 46 sliding surface
47a, 47b Aussparung 47a, 47b recess
48 Drehachse 48 axis of rotation
50 Manipulator 50 Manipulator
60 Sterilbarriere 60 Sterile Barrier

Claims

Patentansprüche Manipulator für die robotische Chirurgie, umfassend eine Instrumentenantriebseinheit (20) und eine Sterileinheit (10) zum Ankoppeln eines chirurgischen Instruments (30), Claims Manipulator for robotic surgery, comprising an instrument drive unit (20) and a sterile unit (10) for coupling a surgical instrument (30),
- wobei die Sterileinheit (10) eine Basis (11) mit mindestens einem um eine Drehachse (48) drehbar gelagerten Übertragungskörper (12) mit einer ersten Koppelstruktur und einen ersten Befestigungsmechanismus (13), mit dem die Sterileinheit (10) mit der Instrumentenantriebseinheit (20) verbunden wird, aufweist, und - wherein the sterile unit (10) has a base (11) with at least one transmission body (12) rotatably mounted about an axis of rotation (48) with a first coupling structure and a first fastening mechanism (13) with which the sterile unit (10) is connected to the instrument drive unit ( 20) is connected, has, and
- wobei die Instrumentenantriebseinheit (20) mindestens einen Antrieb (21) aufweist, der dem mindestens einen Übertragungskörper (12) zugeordnet ist und einen Antriebskörper (25) umfasst, der eine zu der ersten Koppelstruktur komplementäre zweite Koppelstruktur aufweist, und - wherein the instrument drive unit (20) has at least one drive (21) which is assigned to the at least one transmission body (12) and comprises a drive body (25) which has a second coupling structure complementary to the first coupling structure, and
- wobei die erste und die zweite Koppelstruktur zusammen einen Ausrichtungsmechanismus bilden, so dass der mindestens eine Übertragungskörper (12) entsprechend der ihm zugeordneten zweiten Koppelstruktur ausgerichtet wird, während die Sterileinheit (10) mit der Instrumentenantriebseinheit (20) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass - wherein the first and the second coupling structure together form an alignment mechanism, so that the at least one transmission body (12) is aligned in accordance with the second coupling structure assigned to it, while the sterile unit (10) is connected to the instrument drive unit (20), characterized in that
- die eine der ersten und zweiten Koppelstrukturen durch eine erste keilförmige Ausnehmung (42a) und die andere der ersten und der zweiten Koppelstrukturen durch einen der ersten keilförmigen Ausnehmung (42a) entsprechenden ersten Keil (43a) gebildet ist. Manipulator für die robotische Chirurgie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungskörper (12) und/oder der Antriebskörper (25) zylinderförmig ist. Manipulator für die robotische Chirurgie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Keil (43a) an einer Keilspitze einen Zapfen (44a) aufweist und an der ersten keilförmigen Ausnehmung (42a) eine zu dem Zapfen (44a) komplementäre Nut (45a) vorhanden ist. Manipulator für die robotische Chirurgie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (44a) als Quader ausgebildet ist, der an zwei von dem ersten Keil (43a) abgewandten langen Kanten gefast oder abgerundet ist. Manipulator für die robotische Chirurgie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten keilförmigen Ausnehmung (42a) mehrere Gleitflächen (46) ausgebildet sind. Manipulator für die robotische Chirurgie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem umfassend ein chirurgisches Instrument (30), welches mindestens ein dem mindestens einen Übertragungskörper (12) zugeordneten Abtrieb (34) mit einem Abtriebskörper (37) aufweist, - one of the first and second coupling structures is formed by a first wedge-shaped recess (42a) and the other of the first and second coupling structures is formed by a first wedge (43a) corresponding to the first wedge-shaped recess (42a). Manipulator for robotic surgery according to claim 1, characterized in that the transmission body (12) and / or the drive body (25) is cylindrical. Manipulator for robotic surgery according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first wedge (43a) has a pin (44a) at a wedge tip and a groove complementary to the pin (44a) at the first wedge-shaped recess (42a). (45a) is present. Manipulator for robotic surgery according to claim 3, characterized in that the pin (44a) is formed as a parallelepiped, the two long edges remote from the first wedge (43a) is chamfered or rounded. Manipulator for robotic surgery according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a plurality of sliding surfaces (46) are formed on the first wedge-shaped recess (42a). Manipulator for robotic surgery according to one of Claims 1 to 5, also comprising a surgical instrument (30) which has at least one output (34) associated with the at least one transmission body (12) and has an output body (37),
- wobei die Sterileinheit (10) einen zweiten Befestigungsmechanismus (14), mit dem das Instrument (30) mit der Sterileinheit (10) verbunden wird, aufweist,- wherein the sterile unit (10) has a second fastening mechanism (14) with which the instrument (30) is connected to the sterile unit (10),
- der mindestens eine Übertragungskörper (12) eine dritte Koppelstruktur und der mindestens eine Abtriebskörper (37) eine zur dritten Koppelstruktur komplementäre vierte Koppelstruktur umfasst und - the at least one transmission body (12) comprises a third coupling structure and the at least one driven body (37) comprises a fourth coupling structure which is complementary to the third coupling structure and
- wobei die dritte Koppelstruktur und die vierte Koppelstruktur zusammen einen zweiten Ausrichtungsmechanismus bilden, so dass der mindestens eine Abtriebskörper (37) entsprechend der ihm entsprechenden dritten Koppelstruktur ausgerichtet wird, wenn das Instrument (30) an der Sterileinheit (10) befestigt wird, während die Sterileinheit (10) bereits mit der Instrumentenantriebseinheit (20) verbunden ist. Manipulator für die robotische Chirurgie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine der dritten oder vierten Koppelstrukturen durch eine an dem Übertragungskörper (12) oder an dem Abtriebskörper (37) vorhandene zweite keilförmige Ausnehmung (42b) und die andere der dritten oder der vierten Koppelstrukturen durch einen der zweiten keilförmigen Ausnehmung (42b) entsprechenden zweiten Keil (43b) gebildet ist. Manipulator für die robotische Chirurgie nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte Koppelstruktur als erste und zweite keilförmige Ausnehmungen (42a, 42b) sowie zueinander um 90° versetzt an dem Übertragungskörper (12) ausgebildet sind. - wherein the third coupling structure and the fourth coupling structure together form a second alignment mechanism, so that the at least one driven body (37) is aligned according to the third coupling structure corresponding to it when the instrument (30) is attached to the sterile unit (10) while the Sterile unit (10) is already connected to the instrument drive unit (20). Manipulator for robotic surgery according to Claim 6, characterized in that one of the third or fourth coupling structures is provided by a second wedge-shaped recess (42b) on the transmission body (12) or on the driven body (37) and the other of the third or fourth Coupling structures is formed by a second wedge (43b) corresponding to the second wedge-shaped recess (42b). Manipulator for robotic surgery according to Claim 7, characterized in that the first and the third coupling structure are designed as first and second wedge-shaped recesses (42a, 42b) and offset from one another by 90° on the transmission body (12).
9. Manipulator für die robotische Chirurgie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Keil (43a, 43b) jeweils mittig eine Aussparung (47a, 47b) aufweisen. 9. Manipulator for robotic surgery according to claim 8, characterized in that the first and the second wedge (43a, 43b) each have a central recess (47a, 47b).
10. Sterileinheit (10) zum sterilen Verbinden einer Instrumentenantriebseinheit (20), die mindestens einen Antrieb (21 ) umfasst, wobei der mindestens eine Antrieb (21 ) einen Antriebskörper (25) mit einer ersten Koppelstruktur aufweist, mit einem chirurgischen Instrument (30), das mindestens einen Abtrieb (34) umfasst, wobei dem mindestens einen Abtrieb (34) dem mindestens einen Antrieb (21 ) zugeordnet ist und der mindestens einen Abtriebskörper (37) mit einer vierten Koppelstruktur aufweist, 10. sterile unit (10) for the sterile connection of an instrument drive unit (20) comprising at least one drive (21), wherein the at least one drive (21) has a drive body (25) with a first coupling structure, with a surgical instrument (30) , which comprises at least one output (34), the at least one output (34) being assigned to the at least one drive (21) and having at least one output body (37) with a fourth coupling structure,
- wobei die Sterileinheit (10) eine Basis (11) mit mindestens einem jeweils um eine Drehachse (48) drehbar gelagerten Übertragungskörper (12), einen ersten Befestigungsmechanismus (13), mit dem die Sterileinheit (10) mit der Instrumentenantriebseinheit (20) verbunden wird, sowie einen zweiten Befestigungsmechanismus (14), mit dem das Instrument (30) mit der Sterileinheit (10) verbunden wird, umfasst, - wherein the sterile unit (10) has a base (11) with at least one transmission body (12) mounted so that it can rotate about an axis of rotation (48), a first fastening mechanism (13) with which the sterile unit (10) is connected to the instrument drive unit (20). and a second fastening mechanism (14) with which the instrument (30) is connected to the sterile unit (10),
- wobei der mindestens eine Übertragungskörper (12) jeweils eine zu der ersten Koppelstruktur komplementäre zweite Koppelstruktur und eine zu der vierten Koppelstruktur komplementäre dritte Koppelstruktur aufweist und sich in einem verbundenen Zustand der Sterileinheit (10) zwischen dem mindestens einen Antrieb (21 ) und dem mindestens einen Abtrieb (34) der mindestens eine Übertragungskörper (12) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass - wherein the at least one transmission body (12) has a second coupling structure complementary to the first coupling structure and a third coupling structure complementary to the fourth coupling structure and is located between the at least one drive (21) and the at least an output (34) which is located at least one transmission body (12), characterized in that
- die zweite Koppelstruktur als Ausrichtungsstruktur ausgebildet ist, welche den mindestens einen Übertragungskörper (12) relativ zu der ersten Koppelstruktur ausrichtet, wenn die Sterileinheit (10) mit der Instrumentenantriebseinheit (20) verbunden wird. - The second coupling structure is designed as an alignment structure which aligns the at least one transmission body (12) relative to the first coupling structure when the sterile unit (10) is connected to the instrument drive unit (20).
11 . Sterileinheit (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Koppelstruktur durch eine erste keilförmige Ausnehmung (42a) oder durch einen ersten Keil (43a) gebildet ist. 11 . Sterile unit (10) according to Claim 10, characterized in that the second coupling structure is formed by a first wedge-shaped recess (42a) or by a first wedge (43a).
12. Sterileinheit (10) nach Anspruch 9 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Koppelstruktur als zweite Ausrichtungsstruktur ausgebildet ist, welche den mindestens eine Übertragungskörper (12) relativ zu der vierten Koppelstruktur ausrichtet, wenn die Sterileinheit (10) mit dem Instrument (30) verbunden wird. Sterileinheit (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Koppelstruktur durch eine zweite keilförmige Ausnehmung (42b) oder durch einen zweiten Keil (43b) gebildet ist. 12. Sterile unit (10) according to claim 9 or 11, characterized in that the third coupling structure is designed as a second alignment structure which aligns the at least one transfer body (12) relative to the fourth coupling structure when the sterile unit (10) is connected to the instrument ( 30) is connected. Sterile unit (10) according to Claim 12, characterized in that the third coupling structure is formed by a second wedge-shaped recess (42b) or by a second wedge (43b).
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120289973A1 (en) * 2008-09-30 2012-11-15 Intuitive Surgical Operations, Inc. Instrument interface
EP3119328B1 (en) 2014-03-17 2020-01-15 Intuitive Surgical Operations, Inc. Coupler to transfer motion to surgical instrument from teleoperated actuator
WO2021037170A1 (en) * 2019-08-30 2021-03-04 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 Transmission, driving, and sterile assemblies, surgical instrument and system, and surgical robot
CN113367798A (en) * 2021-07-14 2021-09-10 深圳康诺思腾科技有限公司 Sterile adapter and surgical instrument transmission connection structure and surgical robot instrument driving transmission mechanism
EP3099265B1 (en) 2014-01-31 2021-09-15 Covidien LP Interfaces for surgical systems
CN113520606A (en) * 2021-08-11 2021-10-22 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 Aseptic plate component, surgical robot and surgical robot system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113229942A (en) 2015-09-09 2021-08-10 奥瑞斯健康公司 Surgical instrument device manipulator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120289973A1 (en) * 2008-09-30 2012-11-15 Intuitive Surgical Operations, Inc. Instrument interface
EP3099265B1 (en) 2014-01-31 2021-09-15 Covidien LP Interfaces for surgical systems
EP3119328B1 (en) 2014-03-17 2020-01-15 Intuitive Surgical Operations, Inc. Coupler to transfer motion to surgical instrument from teleoperated actuator
WO2021037170A1 (en) * 2019-08-30 2021-03-04 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 Transmission, driving, and sterile assemblies, surgical instrument and system, and surgical robot
CN113367798A (en) * 2021-07-14 2021-09-10 深圳康诺思腾科技有限公司 Sterile adapter and surgical instrument transmission connection structure and surgical robot instrument driving transmission mechanism
CN113520606A (en) * 2021-08-11 2021-10-22 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 Aseptic plate component, surgical robot and surgical robot system

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