WO2023006684A1 - Chirurgisches instrument und lenkgetriebe dafür - Google Patents

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steering ring
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Definitions

  • the invention relates to a steering gear of a surgical instrument for bending a tool tip by means of a spatially adjustable swash plate, and a chi rurgical instrument that has such a steering gear.
  • Surgical instruments are known from the prior art which can be guided manually or by a robot and which have tools whose tool tip can be pivoted by means of a plurality of interlocking pivoting members. These pivot links are connected to a variety of steering wires or cables to provide fine control of the tool tip. A more even force distribution in all bending directions can be achieved with many thin steering wires compared to a few thicker steering wires.
  • US Pat. No. 7,699,855 B2 discloses a surgical instrument which has an interface in order to be able to connect the instrument to a robotic arm. All drives that control the instrument are arranged in the robotic arm. The angle of rotation of the drives to the instrument is transmitted via coupling discs in a common separating plane.
  • the swash plate is arranged between the drive bevel gears and mounted in a steering ring which is non-rotatably connected to a third bevel gear which meshes with the two drive bevel gears and can be rotated about an axis of rotation which is perpendicular to the longitudinal axis of the instrument and perpendicular to the common axis of rotation of the pinion gears runs.
  • the toothed chain is supplemented by a fourth bevel gear, which is offset from the third bevel gear by 180° on the axis of rotation of the third bevel gear and meshes with the two drive bevel gears, with the steering ring being freely rotatably mounted in the fourth bevel gear.
  • the toothed chain closed in this way ensures that all the bevel gears mesh with one another and enables an even distribution of power.
  • the design of the drive for the steering wires with the spatially adjustable swash plate on which all the steering wires are mounted has the advantage that this is a spatial compact design allows and only one component has to be moved in order to be able to address all steering wires.
  • WO 2014/004242 also describes such an interface, with the drives being installed in the robot arm.
  • the above construction is associated with a complex structure and indirect control.
  • the drives are not arranged directly in the surgical instrument, which means that the swash plate is not controlled in a linear manner.
  • US Pat. No. 10,105,128 B2 also discloses a control of such a tool tip; there this is done via a mechanism that includes toothed disc segments and link rods in order to transmit the movement of the drives to the swash plate.
  • a first embodiment of the steering gear is designed for a surgical instrument which can be arranged at the proximal end of a shaft which defines a longitudinal axis B and has a bending mechanism at the distal end.
  • the steering gear has two motorized drives and is designed to spatially align a swash plate via the setting angles of the two drives.
  • the swashplate is also configured to control the distal deflection mechanics of the surgical instrument.
  • the swash plate is arranged in a steering ring.
  • the first of the two motorized drives has a first drive shaft driven by a first motor, which is directly operatively connected to the steering ring via a first force transmitter, in that the first force transmitter directly connects the steering ring to a first operative shaft. cut contacted.
  • the first force transmitter is arranged on the first drive shaft, which defines a first drive axis C.
  • the second of the two motorized drives has a second drive shaft driven by a second motor, which is directly operatively connected to the steering ring via a second force transmitter, in that the second force transmitter directly contacts the steering ring at a second active section.
  • the second force transmitter is arranged on the second drive shaft, which defines a second drive axis C.
  • the steering ring is cardanically mounted around a cardanic center so that movement can be guided in two spatial axes, which means that the tool tip can be controlled in a targeted manner.
  • the steering ring is designed spherically or in the shape of a segment around the gimbal center, at least on the first and second active sections.
  • the spherical segment-shaped effective sections have a common sphere center, which speaks ent to the gimbal center.
  • a first tilting axis E defined by a contact point of the first force transducer with the steering ring and the gimbal center
  • a second tilting axis E' defined by a contact point of the second force transmitter with the steering ring and the gimbal center
  • Shapes that can be defined as part of a spherical body that is separated by the intersection with a plane and whose curved surface is called a spherical cap are understood as “spherical segment-shaped”.
  • “spherical segment-shaped” should also include spherical disk shapes that are created as part of a spherical body in which two spherical segments (“pole caps”) have been removed by parallel cutting planes, with the curved surface of the spherical disk being referred to as the spherical zone.
  • the guide ring can have the shape of a spherical disk, in which the two parallel cutting planes run equidistantly or symmetrically to the diameter plane, so that the guide ring surface is designed as a spherical zone that is symmetrical to the diameter plane.
  • the steering ring has thus at least in the region of the active sections spherical or part-spherical character, with a circle center of a sphere passing through the spherical or part spherical effective sections is defined, the cardanic center is. In principle, it is sufficient for the surface of the steering ring to be spherical only on the two active sections that come into contact with the force transmitters.
  • Power transmitter means any component that directly absorbs the movement initiated by the motor, whether rotary or linear, and can pass it on to the active section of the steering ring.
  • Effective section is the area of the steering ring that can enter into a force-transmitting operative connection with the force transmitter, i.e. is in direct contact with the force transmitter, e.g. through a frictional operative connection using friction elements, or is in engagement, e.g. through a toothing or other suitable power-transmitting active connections.
  • the steering ring which includes the swash plate, can be controlled directly by the drive motors by means of the force transmitter. No further deflection mechanisms or gear ratios are necessary, so that the shortest possible transmission chain is possible.
  • Such a direct, short power transmission is advantageously associated with little play and a reduction in transmission and friction losses, and also enables simple software control due to the linear transmission behavior in order to precisely control the component to be controlled.
  • a further embodiment of the steering gear according to the invention provides that the gimbal mounting of the steering ring is provided by a) the steering ring being gimballed to a first fastening device.
  • the fastening device is a bracket which is arranged on a portion of the steering ring which faces away from the active portions. Furthermore, the bracket is attached to the body at both ends housing pivotably mounted about a pivot axis A, which is perpendicular to the longitudinal axis B and perpendicular to the drive axes C, C '.
  • the bracket has a recording opening in the middle, the steering ring being rotatably mounted in the receiving opening about an axis of rotation D, which runs perpendicular to the pivot axis A.
  • the swash plate can preferably be rotatably mounted in the steering ring in order to also allow a rotational movement of the swash plate in the steering ring, but if necessary it can also be firmly connected to the steering ring or also be in one piece with the steering ring, so that a combined component of steering ring and swash plate is created .
  • the rotatable mounting of the bracket on the housing includes bearing pins, by means of which the bracket is mounted in the housing so that it can rotate on both sides about the pivot axis A, so that the steering ring, which can only rotate about its transverse and vertical axis, including corresponding overlays, is defined in its spatial position and a rotation about the main axis B is prevented.
  • Said cardanic suspension of the steering ring by means of a bracket is structurally simple and can be precisely controlled.
  • the steering ring is additionally housed and protected by the bracket spanning it.
  • the cardanic mounting of the steering ring can be provided by b) the steering ring being mounted gimballed on a coaxial to the Longitudinal axis B of the shaft extending main shaft is mounted.
  • the swash plate is offset by 180 ° to each other over two, i. H.
  • Diametrically and coaxially arranged bearing pins pivotably mounted on a universal joint disk, which in turn is offset by two 180 ° to each other, d.
  • Diametrically and coaxially arranged bearing pins is pivotably mounted on the main shaft, the bearing pin pairs of the swash plate and the universal joint plate are offset by 90 ° to each other.
  • the steering ring can optionally be coupled to a housing in a rotationally fixed manner with respect to the longitudinal axis B, such as by a radial of the steering ring al outwardly extending pin, for example on the underside of the steering ring between the active sections, is guided in a groove of the housing, which extends parallel to the longitudinal axis B along the radius of movement of the pin.
  • the steering ring is moved at its point of contact with the first force transmitter and remains stationary at the contact point of the second effective section with the second force transmitter, as a result of which the steering ring is tilted about the second tilting axis E', which is defined by the fixed contact point of the second active section with the second Kraftübertra ger and is at an angle of 45 ° to both the axis of rotation D and the axis of rotation A.
  • a rotation of the second force transmitter about the drive axis C' causes a rotation of the steering ring about the first tilting axis E, which, like the second tilting axis E', is at an angle of 45° to both the rotation axis D and the rotation axis A, and this time runs through the fixed contact point of the first power transmitter and the first active section of the steering ring. If both force transmitters rotate, the tilting and the steering ring, and thus the swash plate, can be tilted in space about both tilting axes E, E', i.e. two-dimensionally.
  • a further embodiment of the steering gear according to the invention provides that the operative connection forms an engagement in that the first and the second force transmitter are rota torically mounted drive cones with a cone head which has a plurality of drive knobs circumferentially forming a knob ring.
  • the steering ring has recesses on the active sections, which mesh with the drive knobs of the two knob rings.
  • the cone head preferably has a part or full toroidal shape to achieve a good point of contact with the steering ring.
  • the nubs in a further embodiment of the steering gear according to the invention can have a hemispherical or a semi-ellipsoidal shape. These shapes enable secure meshing with the active section of the steering ring and good power transmission from the respective force transmitter to the steering ring.
  • the recesses are either concentrically arranged annular grooves or arcuate grooves that form a kind of hypoid-like toothing.
  • the rings are best of hemispherical nubs and the arcuate grooves best combed by semi-ellipsoidal nubs. In both cases, the power is transmitted without jerks and with little friction. By engaging the nubs in the recesses, large driving forces can be transmitted precisely without slippage occurring.
  • the first and the second force transmitter can be worm shafts which run parallel to the longitudinal axis B.
  • the steering ring has concentrically arranged recesses/annular grooves on its active sections, which mesh with the respective worm shaft.
  • the two aforementioned embodiments offer form-fitting operative connections in which the two components, the steering ring and the force transmitter, are in engagement with one another in a type of toothing. This enables good and precise power transmission, which then enables precise control of the swashplate.
  • the operative connection is provided by friction.
  • the friction element is preferably a material applied to the cone head, which provides higher friction with the active section of the steering ring than the material from which the cone head is made.
  • Such a friction-increasing material can also be introduced into a groove running around the cone head for improved hold on the cone head.
  • the friction element can be a friction band applied circumferentially around the cone head, which can be a rubber band or a band with a roughened surface or a band with toothing, micro-toothing or nubs.
  • “Friction” here means an active connection that is formed by friction, whereby the frictional force between two components that touch (here steering ring and drive cone) is so great that when the drive cone is set in rotation, it practically rolls on the steering ring and thereby set it in motion.
  • “friction element” means any component that has a required material property, such as increased frictional resistance (e.g. sliding frictional force). This can be achieved by a specific choice of material or surface finish, such as the roughening or toothing mentioned above. The inevitable with a friction-locking connection The risk of slipping, which cannot be completely ruled out, can be reduced by increasing the contact pressure, which is determined by the positioning of the force transmitter in relation to the steering ring.
  • the operative connection of the first force transmitter provides a positive engagement and the operative connection of the second force transmitter provided by friction.
  • the first force transmitter can be a rotationally mounted drive cone with a cone head, which has a plurality of drive knobs forming a ring of knobs around initially, or a worm shaft that runs parallel to the longitudinal axis B.
  • the steering ring accordingly has recesses on the first active section, which mesh with the drive nubs of the two nub rings or the worm shaft.
  • the second force transmitter which is also a rotationally mounted drive cone with a cone head, has a friction element around the circumference of the cone head, preferably a material applied around the cone head, which with the second active section of the steering ring provides higher friction than the material from which the cone head is made consists.
  • the friction member may be a friction band applied circumferentially around the cone head, which may be a rubber band or a band with a roughened surface, or a band with serrations or nubs. Consequently, by designing one drive cone with positive-locking teeth and the other with frictional locking, slippage and backlash are minimized.
  • a combined positive and frictional operative connection can also be realized together on a drive cone by z. B.
  • the rotationally mounted drive cone each have a cone shank around which a bearing ring is arranged adjacent to the cone head, which houses a roller bearing or a ball bearing, for example.
  • the housing has a base, each with a passage opening with two opening sections for each drive axle.
  • the two opening sections of the through-openings are axially adjacent to one another, so that they merge into one another and thereby form a shoulder, where they widen above the shoulder toward the steering ring to a diameter corresponding to the diameter of the bearing rings.
  • each passage opening has a first opening section with a diameter that corresponds to a diameter of the bearing ring, and a second opening section, coaxial with the first opening section, with a diameter that is smaller than the diameter of the first opening section, so that the housing forms a shoulder in each passage opening. Then each of the bearing rings rests on the respective shoulder and is held securely. The rotation of the drive shaft, which penetrates through the bearing ring and thus also both through-opening sections, is guided and held laterally. This means that the power generated by the motors can be transmitted directly to the pinion gears via the drive shafts.
  • An alternative embodiment of the steering gear according to the invention provides that the operative connection forms a linear drive in that the first and second force transmitters are toothed racks with a toothed section.
  • the steering ring has concentrically arranged recesses on its active section, which sections mesh with the teeth of the two toothed racks.
  • a cohesive active connection could also be achieved.
  • traction means such as ropes or straps could be attached at both ends to the respective active sections of the steering ring and looped once around the respective force transmitter.
  • a first embodiment of a surgical instrument according to the invention which has a shank, an actuating unit arranged at the proximal end of the shank and a tool arranged at the distal end of the shank with a tool tip that can be angled by means of a distal deflection mechanism, which is spatially aligned by means of two drives by means of a swash plate is controllable refers to that the surgical instrument has a steering gear according to the invention for the spatial direction of the swash plate.
  • the steering gear according to the invention allows the surgical instrument to be constructed in a structurally simple and space-saving manner, so that a simple connection to a robot arm can be made possible, in which the movement of the drives can be transmitted directly to the tool tip.
  • the result is an exactly controllable use of the surgical instrument.
  • a preferred embodiment of the surgical instrument can provide that the swash plate is cardanically mounted on a main shaft running coaxially to a longitudinal axis B of the shaft.
  • the steering ring is then cardanically mounted via the swash plate, which can also be referred to as an inner cardanic mounting.
  • This is an alternative embodiment compared to gimbaling the steering ring externally via the bracket. This storage can be advantageous depending on the design and the available installation space of the surgical instrument.
  • the actuating element is mounted in the shaft in an axially displaceable manner and is operatively connected to the actuating unit on the proximal side.
  • the distal deflection mechanism of the deflectable tool tip consists of at the distal end of the shank is arranged swivel members, the wires running in the longitudinal direction of the shank steering are connected to the steering gear.
  • the steering wires are attached to the swash plate, for example by means of a clamp connection, so that in the event of damage the steering wires can be easily replaced.
  • This clamping connection can be provided, for example, by grub screws that are provided in radially introduced bores in the swash plate.
  • the steering wires can also be attached to the swash plate in a non-detachable manner that is less complex and therefore less expensive, for example by welding or gluing, which can be preferred in the case of surgical instruments that are to be used once.
  • the advantage of this construction compared to known constructions is that not only is the use of a small number of steering wires, namely only four steering wires, and an exclusively manual actuation of the spatially adjustable disk serving as a drive for the steering wires possible, but also that a A large number of steering wires can be freely selected, thereby enabling sensitive and reproducible adjustment of the pivoting links on the distal side.
  • the surgical instrument according to the invention has the advantage that many thin steering wires can be used to control the pivotable tool tip and that this control is sensitive, precise and reproducible due to the motorized drive for the spatially adjustable disc on which the steering wires are mounted proximally he follows.
  • FIG. 1 shows a perspective view of the surgical instrument with the actuation unit shown schematically
  • Fig. 2 is a perspective detailed view of a first embodiment of the inventions to the invention steering gear housing without force transmitter with a part of a Ge,
  • FIG. 3 shows a perspective detailed view of the first embodiment of the steering gear according to the invention with a force transmitter without a housing
  • FIG. 4 shows a sectional view of the steering gear according to the invention according to the first embodiment with force transmitter and housing
  • FIG. 5 shows a perspective detailed view of yet another embodiment of the steering gear according to the invention with a rubber ring
  • FIG. 6 shows a perspective detailed view of yet another embodiment of the steering gear according to the invention with drive heads with knobs
  • 7 shows a perspective detailed view of yet another embodiment of the steering gear according to the invention with worm shafts
  • FIG. 8 shows a perspective detailed view of yet another embodiment of the steering gear according to the invention for a linear drive with a toothed rack
  • FIG. 9 shows a detailed view according to FIG. 8 of the toothed rack
  • FIG. 10 shows a perspective view of the actuating unit with a further embodiment of the steering gear according to the invention
  • FIG. 11 shows a partial sectional view of the steering gear according to FIG. 10,
  • FIGS. 10 and 11 shows a detailed view of a steering ring and a force transmitter according to FIGS. 10 and 11, and
  • FIG. 13 shows a sequence of steps in the production of the force transmitter according to FIG. 12.
  • FIG. 1 schematically shows a surgical instrument 1 with a hollow shaft 2, an actuating unit 4 arranged at the proximal end 3 of the shaft 2 and only shown schematically, and a tool tip 6 with a tool 7 arranged at the distal end 5 of the shaft 2.
  • the tool 7 can be actuated via an actuating element 8 that is axially displaceable in the shaft 2 and is in operative connection with the actuating unit 4 proximally.
  • the actuation unit 4 can be a manually actuable handle or a structural unit designed for robotic use, ie a unit that can also be actuated without manual intervention—which is advantageous for the reproducibility of actuation.
  • the tool 7 of the tool tip 6 can be, for example, a tool provided with jaw parts, as shown in FIG.
  • the tool tip 6 can be pivoted ver via a joint mechanism 9 relative to the longitudinal axis B of the shaft 2, where the joint mechanism 9 consists of pivoting members 11 arranged at the distal end of the shaft 5, which are connected via steering wires 12 running in the longitudinal direction of the shaft 2 with a are connected to the steering gear 13 arranged at the proximal end 3 of the shaft 2 such that a movement of the drive 13 on the proximal side causes a corresponding relative movement of the pivoting members 11 on the distal side and thus a pivoting of the tool tip 6 .
  • steering cables can also be used functionally, which is why the term steering wires 12 used should also be read and understood synonymously as a steering cable.
  • the axially displaceable actuator 8 mounted in the shaft 2 for actuating the tool 7 consisting of two jaw parts, for example, is designed as a push/pull rod in the illustrated embodiment.
  • the steering gear 13 for the steering wires 12 is designed as a motorized steering gear 13 in the surgical instrument 1 .
  • 10 and 11 show an embodiment of the steering gear 13 with a spatially adjustable swash plate 14, in which the swash plate 14 is cardanically mounted on a main shaft 38 running coaxially with the shaft 2 in order to displace it relative to the longitudinal axis B of the shaft 2 .
  • the steering wires 12 are mounted or attached to the swash plate 14 in such a way that the tool tip 6 is pivoted when the swash plate 14 is displaced via the steering wires 12 .
  • the number of steering wires 12 to be used for the motorized steering gear 13 there is ten, without a steering gear 13 according to the invention being limited thereto.
  • the steering wires 12 of the swash plate 14 running parallel to the longitudinal axis B of the shaft 2 on the distal side exit via a guide element 44 from the shaft 2 and are fed to the swash plate 14 with an increase in the diameter of the steering wire bundle.
  • To set the steering wires 12 on the swash plate 14 are formed in this through holes 50 for each steering wire 12, the melectomy radially introduced into the dew 14 grub screws 41 are fixed.
  • a radial arrangement of the grub screws 41 makes it necessary to mount the steering wires 12 on the swash plate 14 before the swash plate 14 is arranged in the steering ring 19 .
  • the grub screws can be arranged at a slight incline or offset from the radial direction, as shown, so that they remain accessible despite the arrangement of the swash plate in the steering ring.
  • the steering wires can be non-positively connected via a proximal side behind the swash plate to parent clamping disk with this or simply non-detachable by welding or gluing; not shown figuratively.
  • the housing 20 has a base 20a and two opposite lateral Housing parts 20b and enables the bracket 15 to be mounted, which is rotatably mounted via bearing pins 18, 18' in corresponding bearings or passage bores 18a, as can be seen in FIG.
  • the bracket 15 about a pivot axis A, the axis B perpendicular to the longitudinal, pivotable.
  • the swash plate 14 is arranged, which is surrounded by a steering ring 19 along its circumference.
  • the swash plate 14 is preferably rotatably mounted in the steering ring 19, for example as can be seen in Fig. 11, by means of a roller or ball bearing there, so that the swash plate 14 can be rotated with the main shaft 38, while the steering ring 19 is not about the longitudinal axis B rotates.
  • the steering ring 19 is spanned by the bracket 15 and is held in a opening 22 of the bracket 15 through a bearing ring 21 by means of a bearing ring 21 so as to be rotatable about the pivot axis A perpendicular to the axis of rotation D.
  • the steering ring 19 has an axle stub 33.
  • FIGS. 7 and 8 Two motors 17, 17' are arranged in FIGS. Furthermore, in the illustration of the steering gear 13 shown, the drive axes C, C' are parallel to the axis of rotation D of the steering ring 19 in the neutral initial position, although this can change depending on the displacement of the swash plate 14. In the example of FIGS. 7 and 8, the drive axes C, C' also run parallel to one another, but also parallel to the longitudinal axis B and perpendicular to the pivot axis A, but without intersecting the pivot axis A.
  • the motors 17, 17' have drive shafts 17a, 17b shown in Figs. 3-7.
  • the drive shafts 17a, 17b of the motors 17, 17' protrude through through openings each having two opening sections 30, 31 in the housing base 20a, as can be seen in particular in FIG.
  • force transmitters 16a, 16b are arranged on the drive shafts 17a, 17b, which transmit the rotational movement of the drive shafts 17a, 17b to the steering ring 19 for executing a rotating/tilting movement.
  • Each force transmitter 16a, 16b is coupled to the steering ring 19, preferably in a lower region of the steering ring 19 shown in the figures, which forms a respective active section W1, W2. In the active section W1, W2, the direct transmission of force between the force transmitter 16a, 16b and the steering ring 19 takes place.
  • the outer surface of the steering ring 19 the shape of which corresponds to a spherical segment or spherical disk, forms a spherical zone, with the two speaking sphere imaginary parallel sectional planes run equidistant or symmetrically to the diameter plane.
  • the steering ring 19 thus has a part-spherical shape in the active section W1, W2 in order to coordinate its movements and, in the event of tilting, to maintain contact with the force transmitters 16a, 16b, through which the movements are initiated.
  • the center of the sphere on which the spherical zone constituting the outer surface of the steering ring 19 is based is identical to an intersection point of the axis of rotation D of the steering ring 19 and the pivot axis A of the bracket 15, this intersection point being the gimbal center Z of the gimbal Are defined.
  • the steering ring can also have an outer surface shaped as a spherical cap only in the active sections W1, W2, the associated spherical segment of which is based on the same spherical center, which is also the cardanic center Z.
  • force transmitters 16a, 16b and active sections W1, W2 of the steering ring 19 are described below, as shown in FIGS , or rotary driven worm shafts, shown in FIG. 7, or linearly driven drive rods, shown in FIGS. 8 and 9.
  • the force transmitters 16a, 16b are shown with a functional form to clarify the basic geometric principle.
  • the force transmitters 16a, 16b are rotationally mounted drive cones with a cone head 23 and a cone shank 42.
  • cone heads 23 are not only cone heads with a cone or truncated cone shape, but also heads 23 with a spherical segment or spherical disk shape or semi-ellipsoidal Shape understood that offers a good relationship between the surfaces of cone head 23 and steering ring 19, the respective contact planes on the surfaces of cone head 23 and steering ring 19 in their respective contact point Kl, K2 perpendicular to the axis E, E 'between this contact point Kl , K2 and the gimbal center Z.
  • the shape of the cone head 23 can depend on the type of operative connection (frictionally or positively) between the steering ring 19 and the cone head 23.
  • a cone head 23 with a spherical segment or spherical disc shape with a small radius compared to the radius of the steering ring 19 can be used, for example be preferred for a frictional operative connection, as will be described in connection with FIG.
  • the transmission of motion and wobble disk movement is explained as an example using the embodiment in FIG. 3:
  • the rotational movement of the first force transmitter 16a is transmitted to the first active section W1.
  • the second force transmitter 16b stops during this, so that the steering ring 19, which is moved in the effective section W1 by the first force transmitter 16a, stops at the contact point K2 of the effective section W2 with the second force transmitter 16b.
  • the steering ring 19 is thus tilted about the second tilting axis E′, which runs through the contact point K2 in the active section W2 and the cardanic center Z and is at an angle of 45° to both the axis of rotation D and the axis of rotation A.
  • a rotation of the second force transmitter 16b while the first force transmitter 16b is at a standstill causes the steering ring 19 to tilt about the first tilting axis E, which, analogous to the second tilting axis E', is at an angle of 45° to both the axis of rotation D and the axis of rotation A is and accordingly leads through the contact point Kl of the first force transmitter 16a and the active section W1 of the steering ring 19 and through the gimbal center Z, where the two tilting axes E, E' intersect perpendicularly.
  • Rotate both force transmitters 16 a, 16 b, all rotations or tilting of the steering ring 19 and thus the swash plate 14 can be effected in space together.
  • This principle is also the basis for all other embodiments of force transmitters 16a, 16b shown here.
  • a bearing ring 25 (see FIGS. 2 to 6) is adjacent to the cone head 23 and preferably houses a roller bearing, for example a roller or ball bearing.
  • the bearing ring 25 ensures guided rotation of the drive cone and thus good power transmission of the rotational movement to the steering ring 19.
  • the housing 20 has two passage openings in its base 20a for the drive shafts 17a, 17b, each with two openings voltage sections 30, 31, as can be seen in particular in FIG.
  • the opening sections 30, 31 are connected to each other and have a different diameter, the opening sections 31 facing their respective motor 17, 17' having a smaller diameter than the overlying opening sections 30 facing the steering ring 19 are.
  • a shoulder 32 is formed at the junction of both Publ voltage sections 30, 31, with each of the bearing rings 25 resting on the respective shoulder 32, as shown in FIG.
  • the force transmitters 16a, 16b are rotatably mounted on drive cones with a cone head 23, which in this case is designed for a friction-locking operative connection with a friction element.
  • the friction element shown is a toroidal friction band 26 applied circumferentially around the cone head 23, such as a rubber band or rubber ring, so that the operative connection between force transmission means 16a, 16b and steering ring 19 is produced here by means of frictional force.
  • the friction element can be a friction-increasing material applied circumferentially to the cone head 23 .
  • a groove can be provided surrounding the cone head 23, into which the friction-increasing material penetrates when it is applied or a correspondingly shaped inner-circumferential section of the friction band 26 is received.
  • the material used for the friction element preferably provides a frictional force with the steering ring that is higher than the frictional force that exists between the material of the cone head 23 and the steering ring 19 . Due to the high frictional force between the components of the cone head 23 and the active section W1, W2 of the steering ring 19, the active connection is provided by friction.
  • the operative connection between force transmitters 16a, 16b and steering ring 19 is formed by a form-fitting engagement.
  • the first and second force- Transformer 16a, 16b drive cone rotatably mounted with a cone head 23.
  • a plurality of drive nubs 27 are arranged on the respective cone head 23 circumferentially, which form a circumferential ring of nubs 28.
  • the guide ring 19 has recesses 29 on its active section W1 and correspondingly also on the second active section, which cannot be seen in FIG pen wreaths 28 comb.
  • the recesses 29 are designed as concentric rings with a diameter adapted to the size and the tooth spacing of the knobs 27 and with a corresponding width in the active section W1.
  • the operative connection between force transmitters 16a, 16b and steering ring 19 is also formed by a form-fitting engagement, with the first and second force transmitters 16a, 16b being worm shafts 34.
  • These worm shafts 34 run parallel to the longitudinal axis B, so that the drive axes C, C of the motors 17, 17' also run parallel to the main axis B.
  • the steering ring 19 has concentrically arranged recesses 29 on its active section W 1 and correspondingly also on the second active section, which cannot be seen in FIG. 7, which is connected to the worm shaft 34 mesh when the worm shaft 34 rotates.
  • the transmission of motion is also direct and corresponds to the process of transmission of motion, as has already been explained with regard to the rotationally driven drive cones.
  • the first and second force transmitters 16a, 16b are toothed racks 35. These are equipped with a toothed section 36.
  • FIG. As in the previous embodiments, the steering ring 19 has concentrically arranged recesses 29 on its active section W1 and correspondingly also on the second active section, which cannot be seen in FIG.
  • the operative connection formed here is designed for a linear drive, the drive element of which (not shown in the figures), which should correspond to the drive shaft in a steering gear according to the invention, which defines the drive axis C, C', does not rotate, but moves back and forth parallel to the main axis B becomes.
  • the teeth section consists of an elongated recess 36a and machined teeth 36b disposed in this recess and spaced linearly and equidistantly from one another.
  • the steering ring 19 includes the swash plate 14 which is arranged on a universal joint plate 37 which is mounted on the main shaft 38.
  • the swash plate 14 is pivotably mounted on a universal joint disk 37 via two bearing pins 40 offset by 180° to one another, i.e. coaxially and diametrically arranged, which in turn can be pivoted via two bearing pins 39 offset by 180° to one another, i.e.
  • FIG. 1 A bracket, as was provided in Figs.
  • the steering ring 19 is here in relation to the longitudinal axis B non-rotatably coupled to the housing 20 in that a pin (not visible) extending radially outwards from the steering ring 19 on the underside is guided in a groove 24 of the housing 20 (see Fig. 11), which extends parallel to the longitudinal axis B extends along the radius of movement of the pen.
  • the main shaft 38 is surrounded by a protective cap 45 which protects the entry of the shaft 2 and thus the main shaft 38 into the housing 20 .
  • the protective cap 45 is screwed with an external thread 47 de into a housing opening with a corresponding thread 48 .
  • the protective cap 45 also encloses a ball bearing 49 on the distal side, in which the main shaft 38 is rotatably mounted. Adjacent to this ball bearing 49, the guide element 44 is arranged around the main shaft 38 to let the steering wires 12 exit the shaft 2 and feed them to the swash plate 14, the diameter of the steering wire bundle correspondingly expanding.
  • Proximal side behind the guide element 44 to the longitudinal axis B of the sheep TES 2 continuously expanding steering wires 12 of the swash plate 14 are supplied.
  • through-openings 50 are formed in the swash plate 14 for each steering wire 12, in the illustrated example the steering wires 12 are positively connected and fixed within the through-holes 50 via grub screws 41 with the swash plate 14.
  • the main shaft 38 is rotatably mounted at its proximal end 46 in a further housing part 51 in a passage opening 52 such as by means of a slide bearing or a roller bearing. Further on the proximal side of the housing part 51 , the actuation unit 4 can have a drive (not shown) for moving the actuation element 8 .
  • a ball can be seen as the rolling body 54, the rolling bearing preferably being designed as a full-ball bearing.
  • the bearing running surfaces are not formed in separate bearing shells, but directly on the outer lateral surface of the swash plate 14 and on the inner lateral surface of the steering ring 19, which is why the steering ring 19 has a filler neck 53 for filling in the rolling element balls 54.
  • the omission of bearing shells enables a more compact design of the swashplate-steering ring combination.
  • the filler neck 53 is closed with a screw as a plug, for example.
  • the steering ring 19 is moved with a rotationally driven drive cone as a force transmitter 16a, the cone head 23 of which, as is also shown in particular in FIGS. 11 and 12, protrudes through the through-opening in the housing base 20a and is guided and supported in its rotation by the bearing ring 25 is.
  • the cone head 23 here has a ring of knobs 28 which carries semi-ellipsoidal knobs 27 .
  • the cone head 23, which rests on the cone shank 42 is in engagement with the active section W1 of the steering ring 19 and meshes with its ring of knobs 28 the active section W1 of the steering ring 19.
  • the active section W1 of the steering ring 19 has arc-shaped Recesses 29 which follow the ellipsoidal shape of the nubs 27 of the cone head 23 .
  • Fig. 13 a) to e) the machining production of the cone head 23 shown in Fig. 11 and 12 is shown step by step.
  • the starting point is a mushroom-shaped driving cone with a semi-ellipsoidal cone head 23 on the shaft 42 .
  • a recess 43 is made in the jacket of the cone head 23 and an ellipsoidal knob 27 is left standing (FIG. 13 b)).
  • the knobs 27 are brought into their semi-ellipsoidal shape and faceted. The remaining knobs 27 are then produced adjacently in the same way.
  • FIG. 13 e shows the final state when all knobs 27 have been formed in the semi-ellipsoidal shape and the crown of knobs 28 has been completely formed.
  • a drive cone shaped in this way can be produced by injection molding.
  • a surgical instrument 1 designed as described above is characterized in that many thin steering wires 12 can be used to control the pivotable tool tip 6, and this control due to the motor-driven steering gear 13 for the swash plate 14, on which the steering wires 12 are stored, sensitive, exact and reproducible.
  • the present invention provides a steering gear 13 for a surgical instrument 1, wherein the steering gear 13 can be arranged at the proximal end 3 of a shaft 2, with a longitudinal axis B and a bending mechanism 9 at the distal end 5.
  • the steering gear 13 has two motorized drives and aligns a swash plate 14 spatially via the adjustment angle of the two drives in order to control the deflection mechanism 9 of the surgical instrument 1 .
  • the swash plate 14 is arranged in a steering ring 19, the two motorized drives each having a drive shaft 17a, 17b driven by a motor 17, 17', which are directly operatively connected to the steering ring 19 via a force transmission device 16a, 16b.
  • the first force transmitter 16a contacts the steering ring 19 at a first working section W1
  • the second force transmitter 16b contacts the steering ring 19 at a second working section W2
  • the steering ring 19 being gimballed about a cardanic center Z and at least on the first and the second working section Wl
  • W2 is spherical segment-shaped, wherein the active sections Wl, W2 have a common center of the sphere in which there is a first Tilting axis E, which is defined by a contact point Kl of the first force transmitter 16a with the steering ring 19 and the gimbal center Z, and a second tilting axis E', which is defined by a contact point K2 of the second force transmitter 16b with the steering ring 19 and the gimbal center Z will, cut at right angles.
  • a surgical instrument 1 is disclosed which has such a steering gear 13 .

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Lenkgetriebe (13) für ein chirurgisches Instrument (1) bereit, wobei das Lenkgetriebe (13) am proximalen Ende (3) eines Schafts (2) anordenbar ist, mit einer Längsachse (B) und einer Abwinklungsmechanik (9) am distalen Ende (5). Das Lenkgetriebe (13) weist zwei motorisierte Antriebe auf und richtet über die Stellwinkel der zwei Antriebe eine Taumelscheibe (14) räumlich aus, um die Abwinkelungsmechanik (9) des chirurgischen Instruments (1) zu steuern. Die Taumelscheibe (14) ist in einem Lenkring (19) angeordnet, wobei die beiden motorisierten Antriebe jeweils eine von einem Motor (17, 17') angetriebene Antriebswelle (17a, 17b) aufweisen, die mit dem Lenkring (19) jeweils über einen Kraftübertrager (16a, 16b) direkt in Wirkverbindung stehen. Der erste Kraftübertrager (16a) kontaktiert den Lenkring (19) an einem ersten Wirkabschnitt (Wl), und zweite Kraftübertrager (16b) kontaktiert den Lenkring (19) an einem zweiten Wirkabschnitt (W2), wobei der Lenkring (19) um ein kardanisches Zentrum (Z) kardanisch gelagert ist und zumindest an dem ersten und dem zweiten Wirkabschnitt (Wl, W2) kugelsegmentförmig ausgebildet ist, wobei die Wirkabschnitte (Wl, W2) einen gemeinsamen Kugelmittelpunkt aufweisen, in dem sich eine erste Kippachse (E), die durch einen Kontaktpunkt (Kl) des ersten Kraftübertragers (16a) mit dem Lenkring (19) und das kardanische Zentrum (Z) definiert wird, und eine zweite Kippachse (E'), die durch einen Kontaktpunkt (K2) des zweiten Kraftübertragers (16b) mit dem Lenkring (19) und das kardanische Zentrum (Z) definiert wird, im rechten Winkel schneiden. Ferner wird ein chirurgisches Instrument (1) offenbart, das ein solches Lenkgetriebe (13) aufweist.

Description

KARL STORZ SE & Co. KG P20308 WO Dr. -Karl -Storz- Straße 34 78532 Tuttlingen Germany
Chirurgisches Instrument und Lenkgetriebe dafür
Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines chirurgischen Instruments zur Abwinkelung einer Werkzeugspitze mittels einer räumlich ausrichtbaren Taumelscheibe, sowie ein chi rurgisches Instrument, das ein solches Lenkgetriebe aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind chirurgische Instrumente bekannt, die manuell oder von einem Roboter geführt werden können und die Werkzeuge aufweisen, deren Werkzeug spitze mittels mehrerer ineinandergreifender Schwenkglieder verschwenkt werden kann. Diese Schwenkglieder sind mit einer Vielzahl Lenkdrähte oder -seile verbunden, um eine feinfühlige Steuerung der Werkzeugspitze zu erreichen. Mit vielen dünnen Lenkdrähten gegenüber wenigen dickeren Lenkdrähten kann eine gleichmäßigere Kraftverteilung in alle Abwinklungsrichtungen erzielt werden.
Aus US 5,454,827 B2 ist bekannt, solche Lenkdrähte mit einer proximal seitig in einer Be tätigungseinheit angeordneten räumlich verstellbaren Scheibe zu koppeln, die über eine Stange mit einem manuell betätigbaren Steuerhebel verbunden ist, sodass eine Bewegung der räumlich verstellbaren Taumelscheibe eine entsprechende relative Bewegung der dis talseitigen Schwenkglieder und somit ein Verschwenken der Werkzeugspitze verursacht. Die Ausbildung des Antriebs für die Lenkdrähte mit der räumlich verstellbaren Taumel scheibe, an der alle vier Lenkdrähte gelagert sind, hat den Vorteil, dass dies eine räumlich kompakte Bauweise ermöglicht und nur ein Bauteil bewegt werden muss, um alle Lenk drähte ansprechen zu können. Diese Konstruktion bringt mit sich, dass die Verwendung ei ner nur geringen Anzahl von Lenkdrähten möglich ist, und dass die als Antrieb für die Lenkdrähte dienende räumlich verstellbare Scheibe manuell zu betätigen ist, was beides die Feinfühligkeit und Reproduzierbarkeit der Verstellung der distal sei tigen Schwenkglie der beeinflusst.
In der US 7,699,855 B2 ist ein chirurgisches Instrument offenbart, das eine Schnittstelle aufweist, um das Instrument mit einem Roboter-Arm verbinden zu können. Dabei sind alle Antriebe, die das Instrument steuern, in dem Roboter-Arm angeordnet. Die Übertragung der Drehwinkel von Antrieben zum Instrument erfolgt über Kupplungsscheiben in einer gemeinsamen Trenn-Ebene.
Ferner ist bekannt, in einem chirurgischen Instrument mit einem kompakten Lenkgetriebe die Stellwinkel von zwei Antrieben direkt auf die Taumelscheibe zu übertragen, um diese zur Steuerung der Werkzeugspitze auszurichten. Dazu werden an der Taumelscheibe Lenkdrähte befestigt, sodass sich die Werkzeugspitze durch Ausrichtung der Taumelschei be stufenlos und flüssig steuern lässt. Dazu weist das bekannte Lenkgetriebe zwei um 180° zueinander versetzte Antriebskegelräder auf, die auf einer gemeinsamen Drehachse ange ordnet sind, die senkrecht zu einer Instrumentenlängsachse verläuft, mit jeweils einem zu geordneten Motor. Die Taumelscheibe ist zwischen den Antriebskegelrädem angeordnet und in einem Lenkring gelagert, der drehfest mit einem dritten Kegelrad verbunden ist, das mit den beiden Antriebskegelrädem in Eingriff steht und um eine Drehachse drehbar ist, die senkrecht zu der Instrumentenlängsachse und senkrecht zu der gemeinsamen Drehach se der Antriebskegelräder verläuft. Die Verzahnungskette wird durch ein viertes Kegelrad ergänzt, das auf der Drehachse des dritten Kegelrads um 180° versetzt zum dritten Kegel rad angeordnet ist und mit den beiden Antriebskegelrädern in Eingriff steht, wobei der Lenkring frei drehbar im vierten Kegelrad gelagert ist. Die auf diese Weise geschlossene Verzahnungskette sichert den Eingriff aller Kegelräder miteinander und ermöglicht eine gleichmäßig umlaufende Kraftverteilung.
Die Ausbildung des Antriebs für die Lenkdrähte mit der räumlich verstellbaren Taumel scheibe, an der alle Lenkdrähte gelagert sind, hat den Vorteil, dass dies eine räumlich kompakte Bauweise ermöglicht und nur ein Bauteil bewegt werden muss, um alle Lenk drähte ansprechen zu können.
Die WO 2014/004242 beschreibt ebenfalls eine solche Schnittstelle, wobei die Antriebe in dem Roboter-Arm verbaut sind. Die vorstehende Konstruktion ist verbunden mit einem komplexen Aufbau und einer indirekten Ansteuerung. Die Antriebe sind nicht in dem chi rurgischen Instrument direkt angeordnet, womit die Ansteuerung der Taumelscheibe nicht linear erfolgt.
Auch US 10,105,128 B2 offenbart eine Ansteuerung einer solchen Werkzeugspitze; dort erfolgt dies über eine Mechanik, die Zahnscheiben-Segmente und Gelenkstangen umfasst, um die Bewegung der Antriebe auf die Taumelscheibe zu übertragen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Ansteuerung und Führung des Lenkrings bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Aufgabe der Bereitstellung eines chirurgischen Instruments mit einer alternati ven Führung des Lenkrings wird durch das chirurgische Instrument mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst.
Weiterbildungen des Lenkgetriebes und des chirurgischen Instruments sind in den jeweili gen Unteransprüchen ausgeführt.
Eine erste Ausführungsform des Lenkgetriebes ist für ein chirurgisches Instrument ausge bildet, das am proximalen Ende eines Schafts angeordnet werden kann, der eine Längsach se B definiert und am distalen Ende eine Abwinkelungsmechanik aufweist. Dabei hat das Lenkgetriebe zwei motorisierte Antriebe und ist dazu ausgebildet, über die Stellwinkel der zwei Antriebe eine Taumelscheibe räumlich auszurichten. Die Taumelscheibe ist ferner dazu ausgebildet, die distale Abwinkelungsmechanik des chirurgischen Instruments zu steuern.
Erfmdungsgemäß ist die Taumelscheibe in einem Lenkring angeordnet. Der erste der zwei motorisierten Antriebe weist eine von einem ersten Motor angetriebene erste Antriebswelle auf, die mit dem Lenkring über einen ersten Kraftübertrager direkt in Wirkverbindung steht, indem der erste Kraftübertrager unmittelbar den Lenkring an einem ersten Wirkab- schnitt kontaktiert. Hierzu ist der erste Kraftübertrager auf der ersten Antriebswelle ange ordnet, die eine erste Antriebssachse C definiert. Ferner hat der zweite der zwei motorisier ten Antriebe eine von einem zweiten Motor angetriebene zweite Antriebswelle, die mit dem Lenkring über einen zweiten Kraftübertrager direkt in Wirkverbindung steht, indem der zweite Kraftübertrager unmittelbar den Lenkring an einem zweiten Wirkabschnitt kon taktiert. Dabei ist der zweite Kraftübertrager auf der zweiten Antriebswelle angeordnet, die eine zweite Antriebesachse C definiert. Der Lenkring ist dabei um ein kardanisches Zent rum kardanisch gelagert, sodass eine Bewegungsführung in zwei Raumachsen ermöglicht wird, wodurch die Werkzeugspitze gezielt gesteuert werden kann. Damit der Eingriff mit den Kraftüb ertragem auch beim Verkippen des Lenkrings bestehen bleibt, ist der Lenkring zumindest an dem ersten und zweiten Wirkabschnitt um das kardanische Zentrum sphä risch bzw. kugel segmentförmig ausgebildet. Die kugelsegmentförmigen Wirkabschnitte weisen einen gemeinsamen Kugelmittelpunkt auf, der dem kardanischen Zentrum ent spricht. Auf diese Weise schneiden sich eine erste Kippachse E, die durch einen Kontakt punkt des ersten Kraftübertragers mit dem Lenkring und das kardanische Zentrum definiert wird, und eine zweite Kippachse E‘, die durch einen Kontaktpunkt des zweiten Kraftüber tragers mit dem Lenkring und das kardanische Zentrum definiert wird, im rechten Winkel in dem kardanischen Zentrum. Das heißt, dass die Antriebe den Lenkring mit den Wirkab schnitten so berühren, dass sich die als Kippachsen E, E‘ definierten Normalen der sich in den jeweiligen Kontaktpunkten berührenden Oberflächen im kardanischen Zentrum senk recht schneiden.
Als „kugelsegmentförmig“ werden Formen verstanden, die als Teil eines Kugelkörpers de finiert werden können, der durch den Schnitt mit einer Ebene abgetrennt wird und dessen gekrümmte Oberfläche als Kugelkalotte bezeichnet wird. Vorliegend sollen unter „ku gelsegmentförmig“ auch Kugelscheibenformen umfasst sein, die als Teil eines Kugelkör pers entstehen, bei dem zwei Kugelsegmente („Polkappen“) durch parallelen Schnittebe nen entfernt wurden, wobei die gekrümmte Oberfläche der Kugelscheibe als Kugelzone bezeichnet wird. Beispielsweise kann der Lenkring eine Kugelscheibenform aufweisen, bei der die beiden parallelen Schnittebenen äquidistant bzw. symmetrisch zur Durchmesse rebene verlaufen, sodass die Lenkringoberfläche als eine zur Durchmesserebene symmetri sche Kugelzone ausgebildet ist.
Der Lenkring hat damit zumindest im Bereich der Wirkabschnitte sphärischen bzw. teil sphärischen Charakter, wobei ein Kreismittelpunkt einer Kugel, die durch die sphärischen bzw. teil sphärischen Wirkabschnitte definiert wird, das kardanische Zentrum ist. Grund sätzlich ist es dazu ausreichend, wenn die Oberfläche des Lenkrings nur an den zwei Wirk abschnitten sphärisch ausgebildet ist, die mit den Kraftüberträgern in Eingriff kommen.
Allen nachfolgend beschriebenen Varianten des Kraftübertragers ist dieses Grundprinzip gemeinsam: In den Kontaktpunkten zwischen Kraftübertrager und Lenkring ist die Bewe gung des Kraftübertragers bei infinitesimaler Betrachtung in diesem Punkt immer parallel zur Hauptachse B des chirurgischen Instruments und in Bezug auf die Hauptachse B nach vorne oder hinten gerichtet, je nach Bewegungsrichtung des Kraftübertragers. Diese Be wegung wird auf den Lenkring übertragen. Durch dessen kardanische Aufhängung ergibt sich so eine Verkippung des Lenkrings um eine oder beide Kippachsen E, E'.
"Kraftübertrager" meint hierbei jedes Bauteil, das die von Motoren initiierte Bewegung, egal ob rotatorisch oder linear, direkt aufnimmt und auf den Wirkabschnitt des Lenkrings weitergeben kann.
"Wirkabschnitt" ist hierbei der Bereich des Lenkrings, der mit dem Kraftübertrager eine kraftübertragende Wirkverbindung eingehen kann, also direkt in Kontakt mit dem Kraft übertrager ist, bspw. durch eine Reibschluss-Wirkverbindung mittels Reibelemente, oder in Eingriff steht, bspw. durch eine Verzahnung oder andere geeignete kraftübertragende Wirkverbindungen.
Vorteilhaft kann der Lenkring, der die Taumelscheibe umfasst, mittels der Kraftübertrager von den Antriebsmotoren direkt angesteuert werden. Es sind keine weiteren Umlenkme chanismen oder Getriebeübersetzungen notwendig, so dass die kürzest mögliche Übertra gungskette ermöglicht wird. Eine solche direkte kurze Kraftübertragung ist vorteilhaft mit geringem Spiel und einer Reduktion von Übertragungs- und Reibungsverlusten verbunden, und ermöglicht zudem aufgrund des lineares Übertragungsverhaltens eine einfache soft waretechnische Steuerung, um das zu steuernde Bauteil präzise zu steuern.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sieht vor, dass die kardanische Lagerung des Lenkrings bereitgestellt wird, indem a) der Lenkring an einer ersten Befestigungsvorrichtung kardanisch aufgehängt ist. Die Be festigungsvorrichtung ist ein Bügel, der an einem Abschnitt des Lenkrings angeordnet ist, der von den Wirkabschnitten abgewandt ist. Ferner ist der Bügel beidenends an dem Ge- häuse schwenkbar um eine Schwenkachse A gelagert, die senkrecht zu der Längsachse B und senkrecht zu den Antriebsachsen C, C‘ verläuft. Der Bügel weist mittig eine Aufnah meöffnung auf, wobei der Lenkring in der Aufnahmeöffnung drehbar um eine Drehachse D gelagert ist, die senkrecht zu der Schwenkachse A verläuft. Die Taumelscheibe kann da bei vorzugsweise drehbar in dem Lenkring gelagert sein, um auch eine Rotationsbewegung der Taumelscheibe in dem Lenkring zuzulassen, gegebenenfalls aber auch fest mit dem Lenkring verbunden oder auch einteilig mit dem Lenkring sein, so dass ein kombiniertes Bauteil aus Lenkring und Taumelscheibe entsteht.
Die drehbare Lagerung des Bügels an dem Gehäuse umfasst Lagerstifte, mittels derer der Bügel beidseitig um die Schwenkachse A drehbar in dem Gehäuse gelagert ist, so dass der Lenkring, der sich ausschließlich um seine Quer- und Hochachse, umfassend entsprechend auch Überlagerungen, drehen kann, in seiner räumlichen Position definiert ist und eine Drehung um die Hauptachse B unterbunden wird. Die genannte kardanische Aufhängung des Lenkrings mittels Bügel ist konstruktiv einfach und kann präzise gesteuert werden. Zudem ist der Lenkring, indem der Bügel diesen überspannt, zusätzlich gehaust und ge schützt.
Alternativ zu der kardanischen Aufhängung mittels Bügel kann die kardanische Lagerung des Lenkrings bereitgestellt werden, indem b) der Lenkring über die Taumelscheibe, die um die Längsachse B rotierbar in dem Lenk ring gelagert oder fest mit dem Lenkring verbunden ist, kardanisch auf einer koaxial zu der Längsachse B des Schaftes verlaufenden Hauptwelle gelagert ist. Dazu ist die Taumel scheibe über zwei um 180° versetzt zueinander, d. h. diametral und koaxial, angeordnete Lagerstifte verschwenkbar auf einer Kreuzgelenkscheibe gelagert, welche wiederum über zwei um 180° versetzt zueinander, d. h. diametral und koaxial, angeordnete Lagerstifte verschwenkbar auf der Hauptwelle gelagert ist, wobei die Lagerstift-Paare der Taumel scheibe und der Kreuzgelenkscheibe um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
Damit der Lenkring sich auch hier ausschließlich um die Quer- und Hochachse inklusive Überlagerungen drehen kann und seine Position im Raum fixiert und eine Drehung um die Hauptachse B unterbunden wird, kann der Lenkring optional in Bezug auf die Längsachse B drehfest mit einem Gehäuse gekoppelt sein, etwa indem ein sich von dem Lenkring radi al nach außen erstreckender Stift, beispielsweise an der Unterseite des Lenkrings zwischen den Wirkabschnitten, in einer Nut des Gehäuses geführt wird, die sich parallel zur Längs achse B entlang dem Bewegungsradius des Stifts erstreckt.
Wird durch den ersten Motor die erste Antriebswelle bewegt und mit ihr der erste Kraft übertrager um die Antriebsachse C gedreht, so wird auf Grund der Wirkverbindung zwi schen Lenkring und dem ersten Kraftübertrager diese Bewegung an dem ersten Wirkab schnitt auf den Lenkring übertragen. Bleibt der zweite Kraftübertrager währenddessen ste hen, so wird der Lenkring in seinem Kontaktpunkt mit dem ersten Kraftübertrager bewegt und bleibt im Kontaktpunkt des zweiten Wirkabschnitts mit dem zweiten Kraftübertrager stehen, wodurch der Lenkring verkippt wird und zwar um die zweite Kippachse E‘, die durch den fixen Kontaktpunkt des zweiten Wirkabschnitts mit dem zweiten Kraftübertra ger führt und in einem Winkel von 45° zu sowohl der Drehachse D als auch der Drehachse A liegt. Umgekehrt bewirkt eine Drehung des zweiten Kraftübertragers um die An triebsachse C‘ eine Drehung des Lenkrings um die erste Kippachse E, die analog zu der zweiten Kippachse E‘ in einem Winkel von 45° zu sowohl der Drehachse D als auch der Drehachse A liegt und diesmal durch den fixen Kontaktpunkt von dem erstem Kraftüber trager und dem ersten Wirkabschnitt des Lenkrings verläuft. Drehen beide Kraftübertrager, überlagern sich die Verkippungen und der Lenkring, und damit die Taumelscheibe, kann im Raum um beide Kippachsen E, E‘, also zweidimensional verkippt werden.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sieht vor, dass die Wirkverbindung einen Eingriff bildet, indem der erste und der zweite Kraftübertrager rota torisch gelagerte Antriebskegel mit einem Kegelkopf sind, der umfänglich eine Vielzahl von Antriebsnoppen einen Noppenkranz bildend aufweist. Hierbei hat der Lenkring an den Wirkabschnitten Ausnehmungen, die mit den Antriebsnoppen der beiden Noppenkränze kämmen. Der Kegelkopf hat bevorzugt eine teil- oder volltorodiale Form, um einen guten Kontaktpunkt zu dem Lenkring zu erreichen.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Noppen in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes eine halbkugelige oder eine halbellipsoide Form haben. Diese Formen ermöglichen ein sicheres Kämmen mit dem Wirkabschnitt des Lenkringes sowie eine gute Kraftübertragung von dem jeweiligen Kraftübertrager auf den Lenkring. Die Ausnehmungen sind korrespondierend zu der Form der Antriebsnoppen entweder kon zentrisch angeordnete Ringnuten oder bogenförmige Nuten, die quasi eine Hypoid- ähnliche Zahnung bilden. Die Ringe werden am besten von halbkugeligen Noppen und die bogenförmigen Nuten am besten von halbellipsoiden Noppen gekämmt. Die Kraftübertra gung erfolgt in beiden Fällen ohne Ruckein und reibungsarm. Durch den Eingriff der Nop pen in die Ausnehmungen können große Antriebskräfte exakt übertragen werden, ohne dass ein Durchschlupf auftritt.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes können der erste und der zweite Kraftübertrager Schneckenwellen sein, die parallel zu der Längsach se B verlaufen. Dazu weist der Lenkring an seinen Wirkabschnitten konzentrisch angeord nete Ausnehmungen/Ringnuten auf, die mit der jeweiligen Schneckenwelle kämmen.
Die beiden vorgenannten Ausführungsformen bieten formschlüssige Wirkverbindungen, bei denen die beiden Bauteile Lenkring und Kraftübertrager in einer Art Verzahnung in Eingriff miteinander stehen. Hiermit ist eine gute und präzise Kraftübertragung möglich, die dann eine präzise Ansteuerung der Taumelscheibe ermöglicht.
Eine noch einer weitere, alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkge triebes sieht vor, dass die Wirkverbindung durch Reibung bereitgestellt wird. Diese erfolgt, indem der erste und der zweite Kraftübertrager rotatorisch gelagerte Antriebskegel mit ei nem Kegelkopf sind, der umfänglich ein Reibelement aufweist. Das Reibelement ist be vorzugt ein um den Kegelkopf aufgebrachtes Material, das mit dem Wirkabschnitt des Lenkrings eine höhere Reibung bereitstellt als das Material, aus dem der Kegelkopf be steht. Ein solches reibungserhöhendes Material kann zum verbesserten Halt am Kegelkopf auch in einer um den Kegelkopf umlaufenden Nut eingebracht sein. Alternativ kann das Reibelement ein um den Kegelkopf umfänglich angelegtes Reibband sein, das ein Gummi band oder ein Band mit aufgerauter Oberfläche oder ein Band mit einer Zahnung, einer Mikro- Verzahnung oder Noppen ist.
"Reibung" meint hiermit eine Wirkverbindung, die sich reibschlüssig bildet, wobei die Reibungskraft zwischen zwei Bauteilen, die sich berühren (hier Lenkring und Antriebske gel), so groß ist, dass wenn der Antriebskegel in Rotation versetzt wird, dieser auf dem Lenkring quasi abrollt und ihn dadurch in Bewegung versetzt. "Reibelement" meint in die sem Zusammenhang jedes Bauteil, das eine geforderte Material eigenschaft mitbringt, so p einen erhöhten Reibungswiderstand (bspw. Gleitreibungskraft). Dies kann durch eine be stimmte Materialwahl oder Oberflächenbeschaffenheit, wie die oben genannte Aufrauhung oder Zahnung, erzielt werden. Die bei einer reib schlüssigen Verbindung zwangsläufig nicht vollkommen ausschließbare Schlupfgefahr kann durch einen erhöhten Anpressdruck reduziert werden, der über die Positionierung der Kraftübertrager in Bezug auf den Lenk ring bestimmt wird.
Der Vorteil dieser Variante ist, dass durch die reib schlüssige Wirkverbindung eine nahezu stetige Verkippung des Lenkrings, also stufenlos, erzielt werden kann. Damit kann eben falls eine präzise Steuerung der Taumelscheibe erreicht werden. Weitere Vorteile dieser Variante sind eine absolute Spielfreiheit und günstige Bauteile bzw. Herstellung.
Um die jeweiligen Vorteile der formschlüssigen und reibschlüssigen Wirkverbindung zu kombinieren, bzw. die jeweiligen Nachteile zu minimieren, sind auch Mischformen denk bar: In einer weiteren Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Wirkverbindung des ersten Kraftübertragers einen formschlüssigen Eingriff bereitstellt und die Wirkverbindung des zweiten Kraftübertragers durch Reibung bereitgestellt wird. Dabei kann der erste Kraftübertrager ein rotatorisch gelagerter Antriebskegel mit einem Kegelkopf sein, der um fänglich eine Vielzahl von Antriebsnoppen einen Noppenkranz bildend aufweist, oder eine Schneckenwelle, die parallel zu der Längsachse B verläuft. Der Lenkring weist entspre chend an dem ersten Wirkabschnitt Ausnehmungen auf, die mit den Antriebsnoppen der beiden Noppenkränze oder der Schneckenwelle kämmen. Der zweite Kraftübertrager, der ebenfalls ein rotatorisch gelagerter Antriebskegel mit einem Kegelkopf ist, weist am Ke gelkopf umfänglich ein Reibelement auf, bevorzugt ein um den Kegelkopf aufgebrachtes Material, das mit dem zweiten Wirkabschnitt Lenkring eine höhere Reibung bereitstellt als das Material, aus dem der Kegelkopf besteht. Alternativ kann das Reibelement ein um den Kegelkopf umfänglich angelegtes Reibband sein, das ein Gummiband oder ein Band mit aufgerauter Oberfläche oder ein Band mit einer Zahnung oder Noppen ist. Indem ein An triebskegel mit formschlüssiger Verzahnung und der anderen reibschlüssig ausgebildet wird, werden folglich Schlupf und Spiel minimiert. Als eine Variante dieser Ausführungs form können eine kombinierte formschlüssige und reibschlüssige Wirkverbindung auch gemeinsam auf einem Antriebskegel realisiert sein, indem z. B. dieser einen Noppenkranz aufweist, der zu dem Formschluss durch die Verzahnung mit den Ausnehmungen an dem Wirkabschnitt auch einen Reibschluss aufweist, indem die Oberfläche des Antriebskegels mit dem Noppenkranz oder die Oberfläche des Wirkabschnitts mit den Ausnehmungen zu sätzlich mit einer Gummierung versehen ist und so das Spiel verhindert wird. Die zugrunde liegende Verzahnungskontur stellt aber trotzdem über die gesamte Lebensdauer noch den Formschluss sicher und verhindert Schlupf bei gleichzeitig hoher Kraftübertragung. Ferner haben in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes die rotatorisch gelagerten Antriebskegel jeweils einen Kegelschaft, um den benachbart zu dem Kegelkopf ein Lagerring angeordnet ist, der beispielsweise ein Rollen- oder ein Ku gellager haust. Das Gehäuse weist dazu eine Basis mit jeweils einer Durchtrittsöffnung mit zwei Öffnungsabschnitten für jede Antriebsachse auf. Die beiden Öffnungsabschnitte der Durchtrittsöffnungen sind axial benachbart zueinander, so dass sie ineinander übergehen und dabei eine Schulter bilden, wobei sie sich oberhalb der Schulter zu dem Lenkring wei send auf einen dem Durchmesser der Lagerringe entsprechenden Durchmesser weiten.
D. h., dass jede Durchtrittsöffnung einen ersten Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser hat, der einem Durchmesser des Lagerrings entspricht, und einen zum ersten Öffnungsab schnitt koaxialen zweiten Öffnungsabschnitt mit einem Durchmesser aufweist, der kleiner als der Durchmesser des ersten Öffnungsabschnitts ist, sodass das Gehäuse in jeder Durch trittsöffnung eine Schulter bildet. Dann liegt jeder der Lagerringe auf der jeweiligen Schul ter auf und wird sicher gehalten. Die Antriebswelle, die durch den Lagerring und damit auch beide Durchtrittsöffnungsabschnitte durchstößt, wird in ihrer Rotation seitlich geführt und gehalten. Dadurch kann die von den Motoren aufgebrachte Kraft über die Antriebs wellen direkt auf die Antriebskegelräder übertragen werden.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sieht vor, dass die Wirkverbindung einen Linearantrieb bildet, indem der erste und der zweite Kraftüber trager Zahnstangen mit einem Zahnungsabschnitt sind. Dabei weist der Lenkring an sei nem Wirkabschnitt konzentrisch angeordnete Ausnehmungen auf, die mit den Zahnungs abschnitten der beiden Zahnstangen kämmen. In noch einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes könnte auch eine stoffschlüssige Wirkverbindung erreicht werden. Hierzu könnten Zugmittel wie Seile oder Bänder mit beiden Enden an den jeweiligen Wirkabschnitten des Lenkrings befestigt sein und einmal um den jeweiligen Kraftübertrager geschlungen werden. Diese Varianten bieten bei schmalen Gehäusen oder aus anderen konstruktiven Gründen erforderliche anders angeordnete Motoren eine direkte Ansteuerung der Taumelscheibe.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments, das ei nen Schaft, eine am proximalen Ende des Schaftes angeordnete Betätigungseinheit und ein am distalen Ende des Schaftes angeordnetes Werkzeug mit einer mittels einer distalen Ab winkelungsmechanik abwinkelbaren Werkzeugspitze aufweist, die durch eine mittels zweier Antriebe räumlich ausrichtbare Taumelscheibe steuerbar ist, bezieht sich darauf, dass das chirurgische Instrument ein erfmdungsgemäßes Lenkgetriebe zur räumlichen Aus richtung der Taumelscheibe aufweist.
Durch das erfindungsgemäße Lenkgetriebe kann das chirurgische Instrument konstruktiv einfach und platzsparend aufgebaut werden, so dass eine einfache Verbindung zu einem Roboter-Arm ermöglicht werden kann, bei der die Bewegung der Antriebe direkt auf die Werkzeugspitze übertragen werden kann. Folge ist eine exakt steuerbare Verwendung des chirurgischen Instruments.
Um die räumlich verstellbare Taumelscheibe verstellen zu können, kann eine bevorzugte Ausführungsform des chirurgischen Instruments vorsehen, dass die Taumelscheibe karda- nisch auf einer koaxial zu einer Längsachse B des Schaftes verlaufenden Hauptwelle gela gert ist. Der Lenkring ist dabei über die Taumelscheibe dann kardanisch gelagert, was auch als innere kardanische Lagerung bezeichnet werden kann. Dies ist eine alternative Ausfüh rungsform im Vergleich zu einer äußeren kardanischen Lagerung des Lenkrings über den Bügel. Diese Lagerung kann je nach Bauweise und zur Verfügung stehendem Bauraum des chirurgischen Instruments vorteilhaft sein.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments ist das Betätigungselement axial verschiebbar in dem Schaft gelagert ist und steht proximal seitig mit der Betätigungseinheit in Wirkverbindung. Die distale Abwinkelungsmechanik der abwinkelbaren Werkzeugspitze besteht aus an dem distalen Ende des Schaftes ange ordneten Schwenkgliedem, die über die in Längsrichtung des Schaftes verlaufenden Lenk drähte mit dem Lenkgetriebe verbunden sind. Die Lenkdrähte sind an der Taumelscheibe befestigt, beispielsweise mittels einer Klemmverbindung, damit in einem Fall der Beschä digung die Lenkdrähte einfach ausgetauscht werden können. Diese Klemmverbindung kann bspw. durch Madenschrauben, die in radial eingebrachte Bohrungen in der Taumel scheibe bereitgestellt werden. Die Lenkdrähte können aber auch weniger aufwändig und daher kostengünstiger unlösbar an der Taumelscheibe befestigt sein, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben, was bei einmalig zu benutzenden chirurgischen Instrumenten be vorzugt sein kann. Vorteilhaft an dieser Konstruktion gegenüber bekannten Konstruktionen ist, dass nicht nur ist die Verwendung einer geringen Anzahl von Lenkdrähten, nämlich von nur vier Lenkdrähten, und eine ausschließlich manuelle Betätigbarkeit der als Antrieb für die Lenkdrähte dienenden räumlich verstellbaren Scheibe möglich ist, sondern dass ei- ne Vielzahl an Lenkdrähten frei gewählt werden und dadurch eine feinfühlige und repro duzierbare Verstellung der distal sei tigen Schwenkglieder möglich ist.
Das erfindungsgemäße chirurgische Instrument hat den Vorteil, dass viele dünne Lenk drähte zur Ansteuerung der verschwenkbaren Werkzeugspitze verwendet werden können und diese Ansteuerung aufgrund des motorisierten Antriebs für die räumlich verstellbare Scheibe, an der die Lenkdrähte proximal sei tig gelagert sind, feinfühlig, exakt und reprodu zierbar erfolgt.
Weitere Ausführungsformen des Lenkgetriebes und des chirurgischen Instruments sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, wer den durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im We sentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Er findung. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des chirurgischen Instruments mit schematisch dargestellter Betätigungseinheit,
Fig. 2 eine perspektivische Detailansicht einer ersten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Lenkgetriebes ohne Kraftübertrager mit einem Teil eines Ge häuses,
Fig. 3 eine perspektivische Detailansicht der ersten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Lenkgetriebes mit Kraftübertrager ohne Gehäuse,
Fig. 4 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gemäß der ersten Ausführungsform mit Kraftübertrager und Gehäuse,
Fig. 5 eine perspektivische Detailansicht noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit Gummiring,
Fig. 6 eine perspektivische Detailansicht noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit Antriebsköpfen mit Noppen, Fig. 7 eine perspektivische Detailansicht noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit Schneckenwellen,
Fig. 8 eine perspektivische Detailansicht noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes für einen Linearantrieb mit Zahnstange,
Fig. 9 eine Detailansicht nach Fig. 8 der Zahnstange,
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der Betätigungseinheit mit einer weiteren Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes,
Fig. 11 eine Teilschnittansicht des Lenkgetriebes nach Fig. 10,
Fig. 12 eine Detailansicht auf einen Lenkring und ein Kraftübertrager nach Fig. 10 und 11, und
Fig. 13 eine Schrittabfolge der Herstellung des Kraftübertragers nach Fig. 12.
Fig. 1 zeigt schematisch ein chirurgisches Instrument 1 mit einem hohlen Schaft 2, einer am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 angeordneten, nur schematisch dargestellten Betäti gungseinheit 4 und einer am distalen Ende 5 des Schaftes 2 angeordneten Werkzeugspitze 6 mit einem Werkzeug 7. Das Werkzeug 7 ist über ein axial verschiebbar im Schaft 2 gela gertes Betätigungselement 8 betätigbar, das proximal sei tig mit der Betätigungseinheit 4 in Wirkverbindung steht. Bei der Betätigungseinheit 4 kann es sich um eine manuell betätig bare Handhabe oder aber um eine für den robotischen Einsatz ausgelegte, also auch ohne manuelles Zutun betätigbare Baueinheit handeln - was vorteilhaft für die Reproduzierbar keit der Betätigung ist. Bei dem Werkzeug 7 der Werkzeugspitze 6 kann es sich beispiels weise um ein mit Maulteilen versehenes Werkzeug, wie in Fig. 1 dargestellt, oder aber um ein Endoskop, einen Applikator oder dergleichen handeln. Die Werkzeugspitze 6 ist über einen Gelenkmechanismus 9 relativ zur Längsachse B des Schaftes 2 ver sch wenkbar, wo bei der Gelenkmechanismus 9 aus am distalen Ende des Schaftes 5 angeordneten Schwenkgliedern 11 besteht, die über in Längsrichtung des Schaftes 2 verlaufende Lenk drähte 12 so mit einem am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 angeordneten Lenkgetriebe 13 verbunden sind, dass eine Bewegung des proximal sei tigen Antriebs 13 eine entspre chende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder 11 und somit ein Verschwen- ken der Werkzeugspitze 6 verursacht. Auch wenn voranstehend und nachfolgend nur der Begriff Lenkdrähte 12 verwendet wird, können funktional auch Lenkseile verwendet wer den, weshalb der verwendete Begriff Lenkdrähte 12 synonym auch als Lenkseil zu lesen und zu verstehen ist. Das axial verschiebbar im Schaft 2 gelagerte Betätigungselement 8 zum Betätigen des bei spielsweise aus zwei Maulteilen bestehenden Werkzeugs 7 ist bei der dargestellten Aus führungsform als Zug-/Schub Stange ausgebildet.
Das Lenkgetriebe 13 für die Lenkdrähte 12 ist in dem chirurgischen Instrument 1 als moto risiertes Lenkgetriebe 13 ausgebildet.
In Fig. 10 und 11 ist eine Ausgestaltung des Lenkgetriebes 13 mit einer räumlich verstell baren Taumelscheibe 14 gezeigt, in der die Taumelscheibe 14 kardanisch auf einer koaxial zum Schaft 2 verlaufenden Hauptwelle 38 gelagert ist, um sie relativ zur Längsachse B des Schaftes 2 zu verlagern. Dabei sind die Lenkdrähte 12 so an der Taumelscheibe 14 gelagert bzw. befestigt, dass bei der Verlagerung der Taumelscheibe 14 über die Lenkdrähte 12 die Werkzeugspitze 6 verschwenkt wird.
Die Anzahl der zu verwendenden Lenkdrähte 12 für das motorisierte Lenkgetriebe 13 dort beträgt zehn, ohne dass ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe 13 darauf beschränkt sein soll. Die distalseitig parallel zur Längsachse B des Schaftes 2 verlaufenden Lenkdrähte 12 der Taumelscheibe 14 treten über ein Führungselement 44 aus dem Schaft 2 aus und wer den der Taumelscheibe 14 unter Vergrößerung des Durchmessers des Lenkdrahtbündels zugeführt. Zum Festlegen der Lenkdrähte 12 an der Taumelscheibe 14 sind in dieser Durchgangsbohrungen 50 für jeden Lenkdraht 12 ausgebildet, die über radial in die Tau melscheibe 14 eingebrachte Madenschrauben 41 fixiert sind. Eine radiale Anordnung der Madenschrauben 41 macht eine Montage der Lenkdrähte 12 an der Taumelscheibe 14 er forderlich, bevor die Taumelscheibe 14 in dem Lenkring 19 angeordnet wird. Daher kön nen die Madenschrauben anders als dargestellt abweichend von der radialen Richtung et was geneigt oder verschoben angeordnet werden, sodass sie trotz Anordnung der Taumel scheibe im Lenkring zugänglich bleiben.
Alternative Befestigungsarten der Lenkdrähte an der Taumelscheibe sind denkbar, bei spielsweise können die Lenkdrähte über eine proximal seitig hinter der Taumelscheibe an geordnete Klemmscheibe kraftschlüssig mit dieser verbunden sein oder einfach unlösbar durch Schweißen oder Kleben; figurativ nicht gezeigt.
In Fig. 2 sind die zentralen Bauteile des Lenkgetriebes 13, die auch die Basis für die weite ren insbesondere für die in Fig. 3 bis 8 gezeigten Ausführungsformen sind, vereinfacht dargestellt: Das Gehäuse 20 hat eine Basis 20a und zwei sich gegenüberliegende seitliche Gehäuseteile 20b und ermöglicht die Lagerung des Bügels 15, der über Lagerstifte 18, 18' in entsprechenden Lagern bzw. Durchtrittsbohrungen 18a drehbar gelagert ist, wie in Fig. 4 ersichtlich. Damit ist der Bügel 15 um eine Schwenkachse A, die senkrecht zu der Längs achse B verläuft, schwenkbar. Zwischen den seitlichen Gehäuseteilen 20b ist die Taumel scheibe 14 angeordnet, die von einem Lenkring 19 entlang ihres Umfangs umfasst ist. Die Taumelscheibe 14 ist vorzugsweise drehbar im Lenkring 19 gelagert, beispielsweise wie in Fig. 11 zu sehen, mittels einer Wälz- bzw. dort Kugellagerung, damit die Taumelscheibe 14 mit der Hauptwelle 38 rotiert werden kann, während der Lenkring 19 nicht um die Längsachse B rotiert.
Der Lenkring 19 wird von dem Bügel 15 überspannt und wird in einer Durchgangsöff nung 22 des Bügels 15 mittels eines Lagerrings 21 drehbar um zur Schwenkachse A senk recht verlaufende Drehachse D gehalten. Dazu hat der Lenkring 19 einen Achsstummel 33.
Unterhalb der Basis 20a sind in Fig. 2 bis 6 zwei Motoren 17, 17' angeordnet, deren An triebsachsen C, C parallel zueinander sind und senkrecht sowohl zu der Schwenkachse A als auch zu der Längsachse B verlaufen, ohne die Längsachse B zu schneiden. Ferner sind die Antriebsachsen C, C‘ in der gezeigten Darstellung des Lenkgetriebes 13 in neutraler Ausgangsstellung parallel zu der Drehachse D des Lenkringes 19, was sich allerdings je nach Verlagerung der Taumelscheibe 14 ändern kann. Im Beispiel von Fig. 7 und 8 verlau fen die Antriebsachsen C, C‘ ebenfalls parallel zueinander, aber auch parallel zur Längs achse B und senkrecht zur Schwenkachse A, allerdings ohne die Schwenkachse A zu schneiden. Die Motoren 17, 17' weisen Antriebswellen 17a, 17b auf, die in Fig. 3 bis 7 dargestellt sind. Die Antriebswellen 17a, 17b der Motoren 17, 17' ragen durch Durch gangsöffnungen mit jeweils zwei Öffnungsabschnitten 30, 31 in der Gehäusebasis 20a, wie insbesondere in Fig. 4 zu sehen ist.
In Fig. 3 bis 7 sind auf den Antriebswellen 17a, 17b Kraftübertrager 16a, 16b angeordnet, die die Rotationsbewegung der Antriebswellen 17a, 17b auf den Lenkring 19 zur Ausfüh rung einer Dreh-/Kippbewegung übertragen. Jeder Kraftübertrager 16a, 16b ist mit dem Lenkring 19 gekoppelt, vorzugsweise in einem in den Figuren gezeigten unteren Bereich des Lenkrings 19, der einen jeweiligen Wirkabschnitt Wl, W2 bildet. In dem Wirkab schnitt Wl, W2 findet die direkte Kraftübertragung zwischen Kraftübertrager 16a, 16b und Lenkring 19 statt. Die Außenoberfläche des Lenkrings 19, dessen Form einer Kugelschicht bzw. Kugelscheibe entspricht, bildet dabei eine Kugelzone, wobei die beiden an einer ent- sprechenden Kugel gedachten parallelen Schnittebenen äquidistant bzw. symmetrisch zur Durchmesserebene verlaufen. Der Lenkring 19 hat damit in dem Wirkabschnitt Wl, W2 eine teil sphärische Form, um seine Bewegungen zu koordinieren, und bei Verkippung den Kontakt mit den Kraftüb ertragem 16a, 16b zu erhalten, durch die die Bewegungen initiiert werden. Der Mittelpunkt der Kugel, auf der die Kugelzone basiert, die die Außenoberflä- che des Lenkrings 19 darstellt, ist identisch mit einem Kreuzungspunkt der Drehachse D des Lenkrings 19 und der Schwenkachse A des Bügels 15, wobei dieser Kreuzungspunkt das kardanische Zentrum Z der kardanischen Aufhängung definiert.
Abweichend von den dargestellten Beispielen, kann der Lenkring auch nur in den Wirkab schnitten Wl, W2 eine als Kugelkalotte geformte Außenoberfläche aufweisen, deren zuge höriges Kugelsegment auf demselben Kugelmittelpunkt basiert, der gleichzeitig das karda nische Zentrum Z ist.
Nachfolgend sind verschiedene Ausführungsformen für Kraftübertrager 16a, 16b und Wirkabschnitte Wl, W2 des Lenkrings 19 beschrieben, wie in den Fig. 3 bis 9 gezeigt, wobei die Kraftübertrager 16a, 16b rotatorisch gelagerte Antriebskegel, gezeigt in Fig. 3 bis 6 und 10 bis 13, oder rotatorisch angetriebene Schneckenwellen, gezeigt in Fig. 7, oder auch linear angetriebene Antriebs Stangen, dargestellt in Fig. 8 und 9, sein können.
In Fig. 3 und 4 sind die Kraftübertrager 16a, 16b mit einer funktionellen Form zur Ver deutlichung des geometrischen Grundprinzips dargestellt. Die Kraftübertrager 16a, 16b sind rotatorisch gelagerte Antriebskegel mit einem Kegelkopf 23 und einem Kegelschaft 42. Als Kegelkopf 23 werden vorliegend nicht nur Kegelköpfe mit Kegel- oder Kegel- stumpfform, sondern auch Köpfe 23 mit einer Kugelsegment- bzw.- Kugelscheiben-Form oder halbellipsoider Form verstanden, die ein gutes Verhältnis zwischen den Oberflächen von Kegelkopf 23 und Lenkring 19 bietet, wobei die jeweiligen Kontaktebenen an den Oberflächen von Kegelkopf 23 und Lenkring 19 in ihrem jeweiligen Kontaktpunkt Kl, K2 jeweils senkrecht zur Achse E, E‘ zwischen diesem Kontaktpunkt Kl, K2 und dem karda nischen Zentrum Z stehen. Die Form des Kegelkopfs 23 kann sich nach der Art der Wirk verbindung (reib schlüssig, formschlüssig) zwischen Lenkring 19 und Kegelkopf 23 rich ten. Ein Kegelkopf 23 mit Kugel segment oder Kugel scheibenform mit kleinem Radius im Vergleich zu dem Radius des Lenkringes 19 kann beispielsweise für eine reib schlüssige Wirkverbindung bevorzugt sein, wie noch im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wird. Beispielhaft an der Ausführungsform in Fig. 3 sei die Bewegungsübertragung und Taumel scheibenbewegung erläutert:
In den Kontaktpunkten Kl, K2 zwischen Kraftübertrager 16a, 16b und Lenkring 19, wobei in Fig. 3 nur Kontaktpunkt Kl des ersten Kraftübertragers 16a mit dem Lenkring 19 zu se hen ist, ist die Drehbewegung des Kraftübertragers 16a, 16b bei infinitesimaler Betrach tung in diesem Punkt immer parallel zur Hauptachse B des chirurgischen Instruments 1 und in Bezug auf die Hauptachse B nach vorne (distal) oder hinten (proximal) gerichtet, je nach Drehrichtung. Diese Bewegung wird auf den Lenkring 19 übertragen. Durch dessen kardanische Aufhängung um das kardanische Zentrum Z ergibt sich so eine Verkippung des Lenkrings 19 um eine Kippachse E, E', die dem jeweiligen Antrieb (Motor 17, 17') zu geordnet ist.
Wird nun mittels des ersten Motors 17 die erste Antriebswelle 17a gedreht und mit ihr der erste Kraftübertrager 16a, so wird aufgrund der Wirkverbindung zwischen Lenkring 19 und dem ersten Kraftübertrager 16a die Drehbewegung des ersten Kraftübertragers 16a auf den ersten Wirkabschnitt W1 übertragen. Der zweite Kraftübertrager 16b bleibt während dessen stehen, so dass der Lenkring 19, der im Wirkabschnitt W 1 durch den ersten Kraft übertrager 16a bewegt wird, im Kontaktpunkt K2 des Wirkabschnitts W2 mit dem zweiten Kraftübertrager 16b stehen bleibt. Der Lenkring 19 wird damit verkippt und zwar um die zweite Kippachse E‘, die durch den Kontaktpunkt K2 im Wirkabschnitt W2 und das kar danische Zentrum Z führt und in einem Winkel von 45° zu sowohl der Drehachse D als auch der Drehachse A liegt. In diesem Fall, wenn der erste Kraftübertrager 16a sich von oben betrachtet gegen den Uhrzeigersinn dreht und der zweite Kraftübertrager 16b still steht, verkippt in Fig. 3 ein linker oberer Bereich des Lenkrings 19 um die zweite Kippach se E‘ nach hinten und gleichzeitig ein rechter unterer Bereich des Lenkrings 19 um die zweite Kippachse E‘ nach vorne. Umgekehrt bewirkt eine Drehung des zweiten Kraftüber tragers 16b bei gleichzeitigem Stillstand des ersten Kraftübertragers 16b eine Kippung des Lenkrings 19 um die erste Kippachse E, die analog zu der zweiten Kippachse E‘ in einem Winkel von 45° zu sowohl der Drehachse D als auch der Drehachse A liegt und entspre chend durch den Kontaktpunkt Kl von erstem Kraftübertrager 16a und dem Wirkabschnitt W1 des Lenkrings 19 und durch das kardanische Zentrum Z führt, wo sich die beiden Kippachsen E, E‘ senkrecht schneiden. Drehen beide Kraftübertrager 16a, 16b, können zu sammen alle Drehungen bzw. Verkippungen des Lenkrings 19 und damit der Taumel scheibe 14 im Raum bewirkt werden. Dieses Prinzip ist auch die Basis für alle anderen hier dargestellten Ausführungsformen von Kraftübertragern 16a, 16b.
Um den Kegelschaft 42 jedes Antriebskegels ist zu dem Kegelkopf 23 benachbart ein La gerring 25 (vgl. Fig. 2 bis 6) angeordnet, der vorzugsweise ein Wälzlager, beispielsweise ein Rollen- oder ein Kugellager haust. Der Lagerring 25 sorgt für eine geführte Rotation der Antriebskegel und damit eine gute Kraftübertragung der Rotationsbewegung auf den Lenkring 19. Um den jeweiligen Lagerring 25 zu halten, weist das Gehäuse 20 in seiner Basis 20a zwei Durchtrittsöffnungen für die Antriebswellen 17a, 17b mit jeweils zwei Öff nungsabschnitten 30, 31 auf, wie insbesondere in Fig. 4 zu sehen ist. Die Öffnungsab schnitte 30, 31 sind miteinander verbunden und haben einen unterschiedlichen Durchmes ser, wobei die Öffnungsabschnitte 31, die zu ihrem jeweiligen Motor 17, 17' gerichtet sind, einen kleineren Durchmesser haben als die darüber liegenden Öffnungsabschnitte 30, die zu dem Lenkring 19 gerichtet sind. Hierdurch wird an der Verbindungsstelle beider Öff nungsabschnitte 30, 31 eine Schulter 32 gebildet, wobei jeder der Lagerringe 25 auf der jeweiligen Schulter 32 aufliegt, wie in Fig. 4 dargestellt.
In Fig. 5 sind die Kraftübertrager 16a, 16b wie in Fig. 3 und 4 rotatorisch gelagerte An triebskegel mit Kegelkopf 23, der hierbei für eine reib schlüssige Wirkverbindung mit ei nem Reibelement ausgebildet ist. Das gezeigte Reibelement ist ein um den Kegelkopf 23 umfänglich angelegtes toroidales Reibband 26, wie bspw. ein Gummiband oder Gummi ring, sodass hier die Wirkverbindung zwischen Kraftüb ertragem 16a, 16b und Lenkring 19 mittels Reibungskraft hergestellt wird. Das Reibelement kann alternativ ein am Kegelkopf 23 umfänglich aufgebrachtes reibungserhöhendes Material sein. Dazu, aber auch für einen verbesserten Halt eines umfänglich angelegten Reibbands 26 mittels Formschluss kann ei ne um den Kegelkopf 23 umlaufenden Nut vorgesehen sein, in die das reibungserhöhende Material beim Aufbringen eindringt bzw. ein entsprechend ausgeformter innenumfängli cher Abschnitt des Reibbands 26 aufgenommen wird. Das für das Reibelement verwendete Material stellt vorzugsweise mit dem Lenkring eine Reibkraft bereit, die höher ist als die Reibkraft, die zwischen dem Material des Kegelkopfs 23 und dem Lenkring 19 besteht. Durch die hohe Reibkraft zwischen den Bauteilen Kegelkopf 23 und Wirkabschnitt Wl, W2 des Lenkrings 19 wird die Wirkverbindung durch Reibung bereitgestellt.
In Fig. 6 wird die Wirkverbindung zwischen Kraftübertragern 16a, 16b und Lenkring 19 durch einen formschlüssigen Eingriff gebildet. Erneut sind der erste und der zweite Kraft- Übertrager 16a, 16b rotatorisch gelagerte Antriebskegel mit einem Kegelkopf 23. In dieser Ausführungsform sind an dem jeweiligen Kegelkopf 23 umfänglich eine Vielzahl von An triebsnoppen 27 angeordnet, die einen umlaufenden Noppenkranz 28 bilden. Damit die Noppen 27 mit dem Lenkring 19 in Eingriff kommen können, weist der Lenkring 19 an seinem Wirkabschnitt W1 und entsprechend auch dem zweiten Wirkabschnitt, der in Fig. 6 nicht zu sehen ist, Ausnehmungen 29 auf, die mit den Antriebsnoppen 27 der beiden Nop penkränze 28 kämmen. Um eine Bewegungsübertragung zu erreichen, sind die Ausneh mungen 29 als konzentrische Ringe mit einem an die Größe und den Zahnungsabstand der Noppen 27 angepassten Durchmesser und mit entsprechender Breite in dem Wirkabschnitt W1 ausgebildet.
In Fig. 7 wird die Wirkverbindung zwischen Kraftübertragern 16a, 16b und Lenkring 19 ebenfalls durch einen formschlüssigen Eingriff gebildet, wobei der erste und der zweite Kraftübertrager 16a, 16b Schneckenwellen 34 sind. Diese Schneckenwellen 34 verlaufen parallel zu der Längsachse B, so dass die Antriebsachsen C, C der Motoren 17, 17' eben falls parallel zur Hauptachse B verlaufen. Wie schon in der Ausführungsform in Fig. 6 der Fall, weist der Lenkring 19 an seinem Wirkabschnitt W 1 und entsprechend auch dem zwei ten Wirkabschnitt, der in Fig. 7 nicht zu sehen ist, konzentrisch angeordnete Ausnehmun gen 29 auf, die mit der Schneckenwelle 34 kämmen, wenn die Schneckenwelle 34 sich dreht. Die Bewegungsübertragung ist ebenfalls direkt und entspricht dem Ablauf der Be wegungsübertragung wie auch schon zu den rotatorisch angetriebenen Antriebskegeln er läutert wurde.
Fig. 8 und 9 zeigen eine alternative Antriebsart: Anstatt eines rotatorischen Antriebsele ment sind der erste und der zweite Kraftübertrager 16a, 16b Zahnstangen 35. Diese sind mit einem Zahnungsabschnitt 36 ausgestattet. Der Lenkring 19 weist hier analog zu den vorherigen Ausführungsformen an seinem Wirkabschnitt W1 und entsprechend auch dem zweiten Wirkabschnitt, der in Fig. 8 nicht zu sehen ist, konzentrisch angeordnete Ausneh mungen 29 auf, die mit den Zahnungsabschnitten 36 der beiden Zahnstangen 35 kämmen können. Die hier gebildete Wirkverbindung ist ausgebildet für einen Linearantrieb, dessen Antriebselement (figurativ nicht dargestellt), das in einem erfindungsgemäßen Lenkgetrie be der Antriebswelle entsprechen soll, die die Antriebsachse C, C‘ definiert, nicht rotiert, sondern parallel zur Hauptachse B vor- und zurückbewegt wird. Der Zahnungsabschnitt besteht aus einer länglichen Ausnehmung 36a und in dieser Ausnehmung angeordnete, herausgearbeitete Zähne 36b, die linear und äquidistant voneinander beabstandet sind. In Fig. 10 und 11 ist eine alternative kardanische Lagerung des Lenkrings 19 dargestellt: Der Lenkring 19 umfasst die Taumelscheibe 14, die auf einer Kreuzgelenkscheibe 37 an geordnet ist, die auf der Hauptwelle 38 gelagert ist. Die Taumelscheibe 14 ist hierzu über zwei um 180° versetzt zueinander, d. h. koaxial und diametral angeordnete Lagerstifte 40 verschwenkbar auf einer Kreuzgelenkscheibe 37 gelagert, die wiederrum über zwei um 180° versetzt zueinander, d. h. koaxial und diametral angeordnete Lagerstifte 39 ver schwenkbar auf der Hauptwelle 38 gelagert ist. Aus Gründen der besseren Übersicht ist in Fig. 11 jeweils nur ein Lagerstift 39 und ein Lagerstift 40 dargestellt. Die Lagerstifte 40 der Taumelscheibe 14 und die Lagerstifte 39 der Kreuzgelenkscheibe 37 sind um 90° ver setzt zueinander angeordnet, wobei die Stiftachsen das kardanischen Zentrum Z definieren. Diese Lagerung ermöglicht es, die Taumelscheibe 14 um zwei rechtwinklig zueinanderste hende Achsen relativ zur Längsachse B des Schaftes 2 zu verschwenken, wodurch über die Lenkdrähte 12 distalseitig die Werkzeugspitze 6 (vgl. Fig. 1) in alle Raumrichtungen rela tiv zur Längsachse B des Schaftes 2 verschwenkt werden kann. Ein Bügel, wie er in den Fig. 2 bis 8 vorgesehen war, ist bei dieser inneren kardanischen Lagerung der Taumel scheibe 14 nicht notwendig. Damit der Lenkring 19 sich auch bei dieser inneren kardani schen Lagerung ausschließlich um die Quer- und Hochachse inklusive Überlagerungen drehen kann und seine Position im Raum fixiert und eine Drehung um die Hauptachse B unterbunden wird, ist hier der Lenkring 19 in Bezug auf die Längsachse B drehfest mit dem Gehäuse 20 gekoppelt, indem ein sich von dem Lenkring 19 an der Unterseite radial nach außen erstreckender Stift (nicht zu sehen), in einer Nut 24 des Gehäuses 20 (siehe Fig. 11) geführt wird, die sich parallel zur Längsachse B entlang dem Bewegungsradius des Stifts erstreckt.
Die Hauptwelle 38 ist an ihrem distalen Ende 3, das dem proximalen Ende 3 des Schafts 2 entspricht, von einer Schutzkappe 45 umgeben, die den Eintritt des Schafts 2 und damit der Hauptwelle 38 in das Gehäuse 20 schützt. Die Schutzkappe 45 ist mit einem Außengewin de 47 in ein in eine Gehäuseöffnung mit entsprechendem Gewinde 48 eingeschraubt. Die Schutzkappe 45 umhüllt distalseitig ferner ein Kugellager 49, in dem die Hauptwelle 38 drehbar gelagert ist. Benachbart zu diesem Kugellager 49 ist das Führungselement 44 um die Hauptwelle 38 angeordnet, um die Lenkdrähte 12 aus dem Schaft 2 austreten zu lassen und der Taumelscheibe 14 zuzuführen, wobei sich der Durchmesser des Lenkdrahtbündels entsprechend aufweitet. Proximal seitig hinter dem Führungselement 44 werden die zur Längsachse B des Schaf tes 2 stetig aufweitend verlaufenden Lenkdrähte 12 der Taumelscheibe 14 zugeführt. Zum Festlegen der Lenkdrähte 12 an der Taumelscheibe 14 sind in der Taumelscheibe 14 Durchgangsöffnungen 50 für jeden Lenkdraht 12 ausgebildet, wobei im dargestellten Bei spiel die Lenkdrähte 12 innerhalb der Durchgangsbohrungen 50 über Madenschrauben 41 kraftschlüssig mit der Taumelscheibe 14 verbunden und fixiert sind.
Die Hauptwelle 38 ist an ihrem proximalen Ende 46 in einem weiteren Gehäuseteil 51 in einer Durchtrittöffnung 52 etwa mittels eines Gleitlagers oder eines Wälzlagers drehbar ge lagert. Weiter proximal seitig des Gehäuseteils 51 kann die Betätigungseinheit 4 einen nicht dargestellten Antrieb zur Bewegung des Betätigungselements 8 aufweisen.
Der Lenkring 19, der in dem Lenkgetriebe 13 nach Fig. 10 und 11 eingesetzt ist, benötigt keine separate Aufhängung durch einen Bügel, da die kardanische Aufhängung und Lage rung auf der Hauptwelle 38 erfolgt. Damit die Taumelscheibe 14 mit der Hauptwelle 38 um die Längsachse B rotieren kann, ist die Taumelscheibe 14 durch eine Wälzlagerung drehbar in dem Lenkring 19 gelagert. In Fig. 11 ist eine Kugel als Wälzkörper 54 zu sehen, wobei das Wälzlager vorzugsweise als vollkugeliges Lager ausgeführt ist. Im gezeigten Beispiel sind ferner die Lagerlaufflächen nicht in separaten Lagerschalen, sondern direkt an der äußeren Mantelfläche der Taumelscheibe 14 und an der inneren Mantelfläche des Lenkrings 19 ausgebildet, weshalb der Lenkring 19 einen Füllstutzen 53 zum Einfüllen der Wälzkörper-Kugeln 54 aufweist. Der Verzicht auf Lagerschalen ermöglicht einen kompak teren Aufbau der Taumelscheiben-Lenkring-Kombination. Nach der Befüllung des Wälz lagers wird der Füllstutzen 53 beispielsweise mit einer Schraube als Stopfen geschlossen.
Der Lenkring 19 wird mit einem rotatorisch angetriebenen Antriebskegel als Kraftübertra ger 16a bewegt, dessen Kegelkopf 23, wie auch insbesondere in Fig. 11 und 12 gezeigt ist, durch die Durchgangsöffnung in der Gehäusebasis 20a ragt und durch den Lagerring 25 in seiner Rotation geführt und gelagert ist. Der Kegelkopf 23 weist hier einen Noppenkranz 28 auf, der halbellipsoide Noppen 27 trägt. In Fig. 11 und 12 ist der Kegelkopf 23, der auf dem Kegelschaft 42 ruht, im Eingriff mit dem Wirkabschnitt W1 des Lenkrings 19 und kämmt mit seinem Noppenkranz 28 den Wirkabschnitt W1 des Lenkrings 19. Der Wirkab schnitt W 1 des Lenkrings 19 weist bogenförmige Ausnehmungen 29 auf, die der ellipsoi- den Form der Noppen 27 des Kegelkopfes 23 folgen. In Fig. 13 a) bis e) ist die zerspanende Herstellung des in Fig. 11 und 12 gezeigten Kegel kopfes 23 schrittweise abgebildet. Es wird in einem ersten Schritt nach Fig. 13 a) von ei nem pilzförmigen Antriebskegel mit halbellipsoidem Kegelkopf 23 auf dem Schaft 42 aus gegangen. In den Mantel des Kegelkopfes 23 wird eine Ausnehmung 43 eingebracht und eine ellipsoide Noppe 27 stehen gelassen (Fig. 13 b)). In zwei weiteren Schritten nach Fig. 13 c) und d) werden die Noppen 27 in ihre halbellipsoide Form gebracht und facet tiert. Benachbart werden dann die restlichen Noppen 27 auf die gleiche Weise erzeugt.
Fig. 13 e) zeigt den Endzustand, wenn alle Noppen 27 in der halbellipsoiden Form geformt sind und er Noppenkranz 28 vollständig ausgebildet ist. Alternativ dazu und für größere Stückzahlen bevorzugt kann ein derart geformter Antriebskegel im Spritzguss hergestellt werden.
Ein wie zuvor beschrieben ausgebildetes chirurgisches Instrument 1 zeichnet sich dadurch aus, dass viele dünne Lenkdrähte 12 zur Ansteuerung der verschwenkbaren Werkzeugspit ze 6 verwendet werden können, und diese Ansteuerung auf Grund des motorisch angetrie benen Lenkgetriebes 13 für die Taumelscheibe 14, an der die Lenkdrähte 12 gelagert sind, feinfühlig, exakt und reproduzierbar erfolgt.
Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln be trachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Die vorliegende Er findung stellt ein Lenkgetriebe 13 für ein chirurgisches Instrument 1 bereit, wobei das Lenkgetriebe 13 am proximalen Ende 3 eines Schafts 2 anordenbar ist, mit einer Längsach se B und einer Abwinklungsmechanik 9 am distalen Ende 5. Das Lenkgetriebe 13 weist zwei motorisierte Antriebe auf und richtet über die Stellwinkel der zwei Antriebe eine Taumelscheibe 14 räumlich aus, um die Abwinkelungsmechanik 9 des chirurgischen In struments 1 zu steuern. Die Taumelscheibe 14 ist in einem Lenkring 19 angeordnet, wobei die beiden motorisierten Antriebe jeweils eine von einem Motor 17, 17‘ angetriebene An triebswelle 17a, 17b aufweisen, die mit dem Lenkring 19 jeweils über einen Kraftübertra ger 16a, 16b direkt in Wirkverbindung stehen. Der erste Kraftübertrager 16a kontaktiert den Lenkring 19 an einem ersten Wirkabschnitt Wl, und zweite Kraftübertrager 16b kon taktiert den Lenkring 19 an einem zweiten Wirkabschnitt W2, wobei der Lenkring 19 um ein kardanisches Zentrum Z kardanisch gelagert ist und zumindest an dem ersten und dem zweiten Wirkabschnitt Wl, W2 kugel segmentförmig ausgebildet ist, wobei die Wirkab schnitte Wl, W2 einen gemeinsamen Kugelmittelpunkt aufweisen, in dem sich eine erste Kippachse E, die durch einen Kontaktpunkt Kl des ersten Kraftübertragers 16a mit dem Lenkring 19 und das kardanische Zentrum Z definiert wird, und eine zweite Kippachse E‘, die durch einen Kontaktpunkt K2 des zweiten Kraftübertragers 16b mit dem Lenkring 19 und das kardanische Zentrum Z definiert wird, im rechten Winkel schneiden. Ferner wird ein chirurgisches Instrument 1 offenbart, das ein solches Lenkgetriebe 13 aufweist.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Chirurgisches Instrument
2 Schaft
3 Proximales Ende (Schaft)
4 Betätigungseinheit
5 Distales Ende (Schaft)
6 Werkzeugspitze
7 Werkzeug
8 Betätigungselement 9 Gelenkmechanismus 11 Schwenkglied 12 Lenkdraht
13 Lenkgetriebe
14 Taumelscheibe (räumlich verstellbar)
15 Bügel
16a, 16b Kraftübertrager
17, 17' Motor 17a, 17b Antriebswelle
18, 18' Lagerstifte 18a Durchgangsbohrung
19 Lenkring
20 Gehäuse 20a Basis 20b Seitliche Gehäuseteile 21 Kugellager für Lenkring 22 Aufnahmeöffnung
23 Antri eb skegelkopf
24 Führungsnut
25 Lagerring
26 Reibband
27 Noppen
28 Noppenkranz
29 Ausnehmungen
30 Erster Abschnitt Durchtrittsöffnung 31 Zweiter Abschnitt Durchtrittsöffnung
32 Schulter
33 Achsstummel
34 Schneckenwelle
35 Zahnstange
36 Zahnungsabschnitt 36a Ausnehmung 36b Zähne
37 Kreuzgel enkscheib e
38 Hauptwelle
39 Lagerstift
40 Lagerstift
41 Madenschraube
42 Kegel schaft
43 Ausnehmung
44 Führungselement
45 Schutzkappe
46 proximales Ende Hauptwelle 38
47 Außengewinde
48 Gewinde in Gehäuseöffnung
49 Kugellager
50 Durchgangsöffnungen Taumelscheibe 14
51 Gehäuseteil
52 Durchtrittöffnung
53 Füllstutzen
54 Wälzkörper
A Schwenkachse Befestigungsvorrichtung Bügel 15
B Längsachse des Instruments bzw. des Schafts
C, C Antriebsachse des ersten Antriebs 17', des zweiten Antriebs
D Drehachse Lenkring
E, E‘ Erste, zweite Kippachse Lenkring Kl, K2 Kontaktpunkt erster, zweiter Kraftübertrager-Lenkring Wl, W2 Erster, zweiter Wirkabschnitt z Kardanisches Zentrum

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lenkgetriebe (13) für ein chirurgisches Instrument (1), wobei das Lenkgetriebe (13) am proximalen Ende (3) eines Schafts (2) anordenbar ist, der eine Längsachse (B) definiert und am distalen Ende (5) eine Abwinkelungsmechanik (9) aufweist, wobei das Lenkgetriebe (13) zwei motorisierte Antriebe aufweist und dazu ausgebildet ist, über die Stellwinkel der zwei Antriebe eine Taumelscheibe (14) räumlich auszurichten, die dazu ausgebildet ist, die distale Abwinkelungsmechanik (9) des chirurgischen Instruments (1) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (14) in einem Lenkring (19) angeordnet ist, wobei der erste der zwei motorisierten Antriebe eine von einem ersten Motor (17) angetriebene erste Antriebswelle (17a) aufweist, die mit dem Lenkring (19) über einen ersten Kraftübertrager (16a) direkt in Wirkverbindung steht, indem der erste Kraftübertrager (16a) unmittelbar den Lenkring (19) an einem ersten Wirkabschnitt (Wl) kontaktiert, wobei der erste Kraftübertrager (16) auf der ersten Antriebswelle (17a) angeordnet ist, die eine erste Antriebssachse (C) definiert, und der zweite der zwei motorisierten Antriebe eine von einem zweiten Motor (17') angetriebene zweite Antriebswelle (17b) aufweist, die mit dem Lenkring (19) über einen zweiten Kraftübertrager (16b) direkt in Wirkverbindung steht, indem der zweite Kraftübertrager (16b) unmittelbar den Lenkring (19) an einem zweiten Wirkabschnitt (W2) kontaktiert, wobei der zweite Kraftübertrager (16b) auf der zweiten Antriebswelle (17b) angeordnet ist, die eine zweite Antriebsachse (C) definiert, wobei der Lenkring (19) um ein kardanisches Zentrum (Z) kardanisch gelagert ist und zumindest an dem ersten und dem zweiten Wirkabschnitt (Wl, W2) kugel segmentförmig ausgebildet ist, wobei die kugel segmentförmigen Wirkabschnitte (Wl, W2) einen gemeinsamen Kugelmittelpunkt aufweisen, der dem kardanischen Zentrum (Z) entspricht, in dem sich eine erste Kippachse (E), die durch einen Kontaktpunkt (Kl) des ersten Kraftübertragers (16a) mit dem Lenkring (19) und das kardanische Zentrum (Z) definiert wird, und eine zweite Kippachse (E‘), die durch einen Kontaktpunkt (K2) des zweiten Kraftübertragers (16b) mit dem Lenkring (19) und das kardanische Zentrum (Z) definiert wird, im rechten Winkel schneiden.
2. Lenkgetriebe (13) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kardanische Lagerung des Lenkrings (19) bereitgestellt wird, indem a) der Lenkring (19) an einer ersten Befestigungsvorrichtung kardanisch aufgehängt ist, wobei die erste Befestigungsvorrichtung ein Bügel (15) ist, der
- an einem Abschnitt des Lenkrings (19) angeordnet ist, der von den Wirkabschnitten (Wl, W2) abgewandt ist, und
- beidenends an einem Gehäuse (20) drehbar um eine Schwenkachse (A) gelagert ist, die senkrecht zu der Längsachse (B) und senkrecht zu den Antriebsachsen (C, C‘) verläuft, und
- mittig eine Aufnahmeöffnung (22) aufweist, wobei der Lenkring (19) in der Aufnahmeöffnung (22) drehbar um eine Drehachse (D) gelagert ist, die senkrecht zu der Schwenkachse (A) verläuft; oder indem b) der Lenkring (19) über die Taumelscheibe (14), die um die Längsachse (B) rotierbar in dem Lenkring (30) gelagert oder fest mit dem Lenkring (19) verbunden ist, kardanisch auf einer koaxial zu der Längsachse (B) des Schaftes (2) verlaufenden Hauptwelle (38) gelagert ist, wobei die Taumelscheibe (14) über zwei um 180° versetzt zueinander angeordnete Lagerstifte (39) verschwenkbar auf einer Kreuzgelenkscheibe (37) gelagert ist, und die Kreuzgelenkscheibe (28) über zwei um 180° versetzt zueinander angeordnete Lagerstifte (40) verschwenkbar auf der Hauptwelle (38) gelagert ist, und wobei die Lagerstifte (39, 40) der Taumelscheibe (14) und der Kreuzgelenkscheibe (37) um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
3. Lenkgetriebe (13) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung einen formschlüssigen Eingriff bereitstellt, indem
- der erste und der zweite Kraftübertrager (16a, 16b) rotatorisch gelagerte Antriebskegel mit einem Kegelkopf (23) sind, der umfänglich eine Vielzahl von Antriebsnoppen (27) einen Noppenkranz (28) bildend aufweist, und wobei der Lenkring (19) an jedem Wirkabschnitt (Wl, W2) Ausnehmungen (29) aufweist, die mit den Antriebsnoppen (27) der beiden Noppenkränze (28) kämmen, oder
- der erste und der zweite Kraftübertrager (16a, 16b) Schneckenwellen (34) sind, die parallel zu der Längsachse (B) verlaufen, und wobei der Lenkring (19) an jedem Wirkabschnitt (Wl, W2) konzentrisch angeordnete Ausnehmungen (29) aufweist, die mit der Schneckenwelle (34) kämmen.
4. Lenkgetriebe (13) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsnoppen (27) eine halbkugelige oder eine halbellipsoide Form haben, und/oder die Ausnehmungen (29) konzentrisch ineinander angeordnete Ringe oder bogenförmige Nuten sind.
5. Lenkgetriebe (13) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung durch Reibung bereitgestellt wird, indem
- der erste und der zweite Kraftübertrager (16a, 16b) rotatorisch gelagerte Antriebskegel mit einem Kegelkopf (23) sind, der umfänglich ein Reibelement aufweist, bevorzugt ein um den Kegelkopf (23) aufgebrachtes Material, das eine höhere Reibung bereitstellt als das Material, aus dem der Kegelkopf (23) besteht, oder ein um den Kegelkopf (23) umfänglich angelegtes Reibband (26), das ein Gummiband oder ein Band mit aufgerauter Oberfläche oder ein Band mit einer Zahnung oder Noppen ist.
6. Lenkgetriebe (13) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung des ersten Kraftübertragers (16a) mit dem Lenkring (19) einen formschlüssigen Eingriff bereitstellt und die Wirkverbindung des zweiten Kraftübertragers (16b) mit dem Lenkring (19) durch reibschlüssigen Eingriff bereitgestellt wird, wobei der formschlüssige Eingriff des ersten Kraftübertragers (16a) mit dem Lenkring (19) bereitgestellt wird, indem der erste Kraftübertrager (16a)
- ein rotatorisch gelagerter Antriebskegel mit einem Kegelkopf (23) ist, der umfänglich eine Vielzahl von Antriebsnoppen (27) einen Noppenkranz (28) bildend aufweist, wobei der Lenkring (19) an dem ersten Wirkabschnitt (Wl) Ausnehmungen (29) aufweist, die mit den Antriebsnoppen (27) der beiden Noppenkränze (28) kämmen, oder
- eine Schneckenwelle (34) ist, die parallel zu der Längsachse (B) verläuft, und wobei der Lenkring (19) an dem ersten Wirkabschnitt (Wl) konzentrisch angeordnete Ausnehmungen (29) aufweist, die mit der Schneckenwelle (34) kämmen, und wobei der reib schlüssige Eingriff des zweiten Kraftübertragers (16b) mit dem Lenkring (19) bereitgestellt wird, indem der zweite Kraftübertrager (16b) ein rotatorisch gelagerter Antriebskegel mit einem Kegelkopf (23) ist, der umfänglich ein Reibelement aufweist, das bevorzugt
- ein um den Kegelkopf (23) aufgebrachtes Material ist, das eine höhere Reibung bereitstellt als das Material, aus dem der Kegelkopf (23) besteht, oder
- ein um den Kegelkopf (23) umfänglich angelegtes Reibband (26) ist, das ein Gummiband oder ein Band mit aufgerauter Oberfläche oder ein Band mit einer Zahnung oder Noppen ist.
7. Lenkgetriebe (13) nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die rotatorisch gelagerten Antriebskegel jeweils einen Kegelschaft (42) haben, um den benachbart zu dem Kegelkopf (23) ein Lagerring (25) angeordnet ist, und dass das Gehäuse (20) eine Basis (20a) mit jeweils einer Durchtrittsöffnung für jede Antriebsachse (17a, 17b) aufweist, wobei jede Durchtrittsöffnung einen ersten Öffnungsabschnitt (30) mit einem Durchmesser, der einem Durchmesser des Lagerrings (25) entspricht, und einen zum ersten Öffnungsabschnitt (30) koaxialen zweiten Öffnungsabschnitt (31) mit einem Durchmesser aufweist, der kleiner als der Durchmesser des ersten Öffnungsabschnitts (30) ist, sodass das Gehäuse (20) in jeder Durchtrittsöffnung eine Schulter (32) bildet, auf der der jeweilige Lagerring (25) aufliegt.
8. Lenkgetriebe (13) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkverbindung
- einen Linearantrieb bildet, indem der erste und der zweite Kraftübertrager (16a,
16b) Zahnstangen (35) mit einem Zahnungsabschnitt (36) sind und wobei der Lenkring (19) an seinem Wirkabschnitt (W) konzentrisch angeordnete Ausnehmungen (29) aufweist, die mit den Zahnungsabschnitten (36) der beiden Zahnstangen (35) kämmen, oder
- eine stoffschlüssige Wirkverbindung aufweist, wobei ein erstes Zugmittel mit beiden Enden an dem ersten Wirkabschnitt (W 1) befestigt ist und der erste Kraftübertrager (16a) von dem ersten Zugmittel umschlungen wird, und ein zweites Zugmittel mit beiden Enden an dem zweiten Wirkabschnitt (W2) befestigt ist und der zweite Kraftübertrager (16b) von dem zweiten Zugmittel umschlungen wird.
9. Chirurgisches Instrument (1), das einen Schaft (2), eine am proximalen Ende (3) des Schaftes (2) angeordnete Betätigungseinheit (4) und ein am distalen Ende (5) des Schaftes (2) angeordnetes Werkzeug (7) mit einer mittels einer distalen Abwinkelungsmechanik (9) abwinkelbaren Werkzeugspitze (6) aufweist, die durch eine mittels zweier Antriebe räumlich ausrichtbare Taumelscheibe (14) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das chirurgische Instrument (1) ein Lenkgetriebe (13) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8 zur räumlichen Ausrichtung der Taumelscheibe (14) aufweist.
10. Chirurgisches Instrument (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (8) axial verschiebbar in dem Schaft (2) gelagert ist und proximalseitig mit der Betätigungseinheit (4) in Wirkverbindung steht, und/oder die distalen Abwinkelungsmechanik (9) der abwinkelbaren Werkzeugspitze (6) aus an dem distalen Ende (5) des Schaftes (2) angeordneten Schwenkgliedern (11) besteht, die über in Längsrichtung des Schaftes (2) verlaufende Lenkdrähte (12) mit dem Lenkgetriebe (13) verbunden sind, die an der Taumelscheibe (14) befestigt sind.
PCT/EP2022/070834 2021-07-28 2022-07-25 Chirurgisches instrument und lenkgetriebe dafür Ceased WO2023006684A1 (de)

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