DE102021119509B4

DE102021119509B4 - Gelenkmechanik für ein medizinisches Instrument sowie medizinisches Instrument

Info

Publication number: DE102021119509B4
Application number: DE102021119509.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Längle; Janosz Schneider
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-04-20
Anticipated expiration: 2041-07-29
Also published as: DE102021119509A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gelenkmechanik für ein medizinisches Instrument, insbesondere für einen medizinischen Roboter oder für ein Endoskop, mit einer stützenden Gelenkanordnung mit einem Gelenkkörper oder mehreren Gelenkkörpern zum Schwenken eines distalen Endabschnitts, und einem an der Gelenkanordnung angeordneten und mit dem distalen Endabschnitt verbundenen ersten Lenkelement, sodass mittels des ersten Lenkelementes der distalen Endabschnitt manipulierbar ist, wobei das erste Lenkelement bandförmig ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein medizinisches Instrument, insbesondere einen medizinischen Roboter oder ein medizinisches Endoskop.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkmechanik für ein medizinisches Instrument, insbesondere für einen medizinischen Roboter oder für ein Endoskop, mit einer stützenden Gelenkanordnung mit einem Gelenkkörper oder mehreren Gelenkkörpern zum Schwenken eines distalen Endabschnitts, und einem an der Gelenkanordnung angeordneten und mit dem distalen Endabschnitt verbundenen ersten Lenkelement, sodass mittels des ersten Lenkelementes der distale Endabschnitt manipulierbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein medizinisches Instrument, insbesondere einen medizinischen Roboter oder ein Endoskop mit einer Gelenkmechanik.
Gelenkmechaniken der genannten Art werden, insbesondere in medizinischen Instrumenten, wie beispielsweise Robotern oder Endoskopen, dazu eingesetzt, einen distalen Endabschnitt eines solchen Roboters oder eines solchen Endoskopes in einer Achse oder mehreren Achsen zu bewegen, insbesondere zu schwenken. Damit kann mittels einer solchen Gelenkmechanik der distale Endabschnitt präzise auf einen Beobachtungsraum oder einen Bearbeitungsraum ausgerichtet werden.
Die US 7 699 855 B2 offenbart eine Schnittstelle, um Instrumente oder andere Endeffektoren an einen Roboterarm anzuschließen. Dabei befinden sich Antriebe für Funktionen des Instrumentes auf der Seite des Roboters, womit das Instrument kostengünstig bleibt. Die Übertragung von Drehwinkeln von Antrieben zum Instrument erfolgt mittels Kupplungsscheiben in einer gemeinsamen Trennebene. Achsen der Antriebe stehen deshalb parallel senkrecht zu dieser Ebene.
Die WO 2014/ 004 242 A1 beschreibt eine weitere Schnittstelle für sogenannte achsparallele Antriebe für einen Greifer eines chirurgischen Instrumentes.
In der US 10 105 128 B2 wird eine Mechanik zum Ausrichten einer Taumelscheibe mittels Gelenkstangen mit zwei achsparallelen Antrieben beschrieben.
Die US 2012 / 0 004 502 A1 betriff eine endoskopische Anordnung mit Steuerbändern, wobei die Ansteuerung eines distalen Endbereiches mit diesen Steuerbändern erfolgt.
Die US 2017 / 0 325 841 A1 betrifft eine röhrenförmige Anordnung mit einem beweglichen Kopfstück, wobei das Kopfstück mittels Steuerbändern angesteuert ist.
Die DE 10 2018 209 087 A1 offenbart eine Bedienvorrichtung für ein Katheterinstrument, wobei ein bewegliches Kopfstück mittels Steuerbändern angesteuert ist.
Die US 2015 / 0 352 728 A1 offenbart eine sogenannte „biegsame mechanische Struktur“, wobei bandförmige Steuerelemente zum Bewegen eines Kopfstückes genutzt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Gelenkmechanik für ein medizinisches Instrument, insbesondere für einen medizinischen Roboter oder für ein Endoskop, mit einer stützenden Gelenkanordnung mit einem Gelenkkörper oder mehreren Gelenkkörpern zum Schwenken eines distalen Endabschnitts, und einem an der Gelenkanordnung angeordneten und mit dem distalen Endabschnitt verbundenen ersten Lenkelement, sodass mittels des ersten Lenkelementes der distale Endabschnitt manipulierbar ist, wobei das erste Lenkelement bandförmig ausgebildet ist und die Gelenkmechanik ein zweites Lenkelement oder weitere Lenkelemente aufweist, wobei das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder das erste Lenkelement und die weiteren Lenkelemente überlappend angeordnet sind und das erste Lenkelement und das zweite Lenkelement und/oder das erste Lenkelemente und die weiteren Lenkelemente eine Arbeitskanal der Gelenkanordnung vollständig umgeben, sodass mittels der jeweiligen Lenkelemente eine den Arbeitskanal der Gelenkanordnung lokal oder vollständig umschließende Schutzhülle gebildet ist.
Mittels eines solchen bandförmigen Lenkelements überdeckt das jeweilige Lenkelement einen Bereich eines Umfangs der Gelenkmechanik und/oder in der Gelenkmechanik angeordneten Gelenkanordnung. Damit kann das jeweilige bandförmige Lenkelement einen Schutz für die Gelenkanordnung bieten. Weiterhin erhöht ein bandförmiges Lenkelement die Torsionssteifigkeit eines entsprechenden Lenkelementes, beispielsweise gegenüber eines Lenkdrahtes, für eine entsprechende Gelenkmechanik sowie die Torsionssteifigkeit der gesamten Gelenkmechanik.
Folgende Begriffe seien an dieser Stelle erläutert:

Ein „medizinisches Instrument“ kann jede mechanisch oder mechanisch-elektrische Wirkeinheit sein, welche dazu geeignet ist, für medizinische Behandlungen eines Menschen oder eines Tieres eingesetzt zu werden, insbesondere ein medizinischer Roboter, ein Endoskop, ein Endoskop-System oder ein Endoskop-Schaft, wobei diese Begriffe vorliegend auch synonym verwendet werden. Beispielsweise kann ein solches medizinisches Instrument ein Schneidwerkzeug, ein Greifwerkzeug, ein optisches System zur Begutachtung eines Sichtbereiches, ein kombiniertes Instrument aus den unterschiedlichen aufgezählten Möglichkeiten oder ein anderes für ein medizinisches Behandlungsverfahren geeignetes Werkzeug oder Instrument aufnehmen und bewegen.

Ein „medizinischer Roboter“ ist eine technische Apparatur, welche üblicherweise dazu geeignet ist, wiederkehrende oder definierte mechanische Arbeit zu übernehmen. Roboter sind sowohl als ortsfeste als auch als mobile Maschinen bekannt und werden von entsprechender Software gesteuert. Roboter verfügen dabei über Antriebsmotoren, beispielsweise zum Antreiben unterschiedlicher Bewegungsachsen eines Roboters, sodass entsprechende Kräfte auf einen Endeffektor aufgebracht werden können. Ein solcher Roboter kann im vorliegenden Beispiel aber auch eine sehr kleine, filigran arbeitende technische Einheit sein, welche bei medizinischen Eingriffen oder der medizinischen Behandlung eines Menschen oder eines Tieres unterstützt.
Ein „Endoskop“ ist ein technisches und/oder medizinisches Instrument, welches beispielsweise dazu genutzt wird, Hohlräume oder schlecht zugängliche Bereiche optische zu inspizieren und/oder mittels des Endoskopes auch Manipulatoren oder Endeffektoren einzusetzen, um eine bestimmte Tätigkeit in einem Arbeitsraum zu verrichten. Beispielsweise ist ein solches Endoskop mit einem beweglichen Schaft an seinem Kopfbereich ausgestattet, sodass neben einer optischen Inspektion in gerader Richtung auch die optische Inspektion eines entsprechenden Bereiches in einem Winkel erfolgen kann. Endoskope werden beispielsweise eingesetzt, um während medizinischer Eingriffe eine klare Sicht auf einen engen oder innerhalb eines Körpers befindlichen Bereich zu erlangen oder aber auch in technischen Bereichen, um technische Maschinen und deren schlecht zugängliche Bereiche zu inspizieren oder zu betrachten.
Eine „Gelenkanordnung“ kann jede mechanische Anordnung sein, welche dazu geeignet ist, in einer oder mehreren Achsen verschwenkt zu werden. Beispielsweise ist eine solche Gelenkanordnung eine Abfolge von „Gelenkkörpern“, welche jeweils aufeinander abwälzen und damit eine vielfältige Gelenkigkeit der Gelenkanordnung darstellen.
Ein „distaler Endabschnitt“ kann jeder Bereich oder Abschnitt der Gelenkmechanik sein, welcher von einer Aktuatorik oder einem Körper oder einer anderweitigen zentralen Baugruppe beabstandet und abgewandt ist. Beispielsweise weist ein distaler Endabschnitt einen beweglichen und/oder schwenkbaren Schaft auf.
Ein „Lenkelement“ kann beispielsweise ein Seil, ein Band, ein Draht oder eine Litze sein. Ein solches Lenkelement kann dabei jedes mechanische Element sein, welches dazu geeignet ist, Zugkräfte oder Druckkräfte oder aber hauptsächlich Zugkräfte und geringe Druckkräfte aufzunehmen. So kann ein solches Lenkelement insbesondere auch Druckkräfte aufnehmen, sodass mittels des Lenkelementes auch Druck ausgeübt werden kann.
„Bandförmig“ beschreibt dabei insbesondere eine im Vergleich zu einer runden Ausformung eines sogenannten Lenkdrahtes abgeflacht ausgeführte Ausformung eines Querschnittes eines solchen Bandes oder anderweitigen Lenkelementes. Insbesondere ist ein solches bandförmiges Lenkelement derart ausgebildet, dass eine Breite des Lenkelementes größer oder deutlich größer ist als eine Dicke des Lenkelementes.
Mittels des zweiten Lenkelementes oder weiterer Lenkelemente kann ein jeweiliges Lenkelement einer bestimmten Schwenkrichtung oder einer bestimmten Artikulation der Gelenkmechanik zugeordnet sein, sodass mittels eines Zuges an einem jeweiligen Lenkelement die gewünschte Richtung eines Schwenkens der Gelenkmechanik erreicht wird.
In einer Ausführungsform ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement oder die weiteren Lenkelemente rechteckig oder im Wesentlichen rechteckig oder auch oval ausgebildet.
Ein solches rechteckiges oder im Wesentlichen rechteckiges Lenkelement ist besonders dazu geeignet, die Gelenkanordnung oder andere innerhalb der Gelenkmechanik angeordnete Bauteile vor äußeren Einflüssen zu schützen, da durch die relativ größere Breite gegenüber der relativ geringeren Dicke eine Überdeckung eines Bereiches eines Umfangs der Gelenkmechanik oder der Gelenkanordnung erfolgt und somit ein lokaler Schutz, beispielsweise gegen eindringenden Staub und/oder auch gegen mechanische Einflüsse ausgebildet ist.
Weiterhin ist mittels eines rechteckiges oder im Wesentlichen rechteckigen Lenkelementes die Torsionssteifigkeit des jeweiligen Lenkelementes und damit auch die Torsionssteifigkeit der Gelenkmechanik gegenüber anderen geometrischen Ausführungen des Lenkelementes oder der Lenkelemente stark gesteigert.
Um die Abdeckung oder einen Schutz der Gelenkmechanik oder beispielsweise der innerhalb der Gelenkmechanik angeordneten Gelenkanordnung sicherzustellen, weist oder weisen das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente ein Verhältnis von einer Breite zu einer Dicke von mehr als 3/1, insbesondere mehr als 4/1 oder mehr als 5/1, auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente als Gurt und/oder Riemen, insbesondere als faserverstärkter Gurt oder als faserverstärkter Riemen, und/oder aus einem Bandstahl, insbesondere aus einem Stahl, einem Edelstahl und/oder einem Nitinol, ausgebildet.
Ein solcher Gurt und/oder Riemen kann besonders stabil und zugfest ausgelegt sein. Insbesondere wird dies durch eine Faserverstärkung in einem als faserverstärkter Gurt oder Riemen ausgebildeten Gurt oder Riemen realisiert, da die Fasern der Faserverstärkung insbesondere auf die aufzunehmenden Zugkräfte und Druckkräfte ausgelegt sein können. Somit kann mit einem geringen Gewicht eine hohe Zugfestigkeit und Druckfestigkeit des Gurtes und/oder des Riemens erreicht werden. Eine entsprechende Matrix als Stützmaterial für die Fasern der Faserverstärkung kann hingegen besonders elastisch oder auch als Abrasionsschutz auf den Fasern aufgebracht sein, sodass insgesamt die Lebensdauer des Gurtes und/oder des Riemens erhöht ist.
Ein „Gurt“ ist dabei beispielsweise ein geflochtener oder gewebter Grundkörper, welcher ein Lenkelement bildet.
Ein „Riemen“ ist beispielsweise ein mit Zugbändern und/oder Druckbändern versehenes und mit einer die Zugbänder und/oder Druckbänder umgebenden Matrix ausgestattetes, zumeist flaches oder bandförmig ausgebildetes Lenkelement. Damit sind die Zugbänder und/oder Druckbänder innerhalb des Riemens durch die Matrix verdeckt, gehalten und geschützt, wohingegen die Zugbänder die Zugkräfte aufnehmen können.
Ein „Bandstahl“ kann beispielsweise ein gewalzter oder gezogener Strang aus Stahl, insbesondere aus einem Edelstahl oder einem Nitinol, sein. Ein Edelstahl kann hier beispielsweise ein Edelstahl der Qualität 1.4310 oder auch 1.4401 sein. „Nitinol“ ist eine sogenannten Formgedächtnis-Legierung, insbesondere eine Nickel-Titan-Legierung, welche beispielsweise aus etwa 55% Nickel und einem weiteren Teil von etwa 35% bis 45% Titan und entsprechenden weiteren Legierungsbestandteilen besteht.
Um insbesondere eine runde oder gewölbte Gelenkmechanik sicher mittels dem Lenkelement oder mittels der mehreren Lenkelementen vor äußeren Einflüssen zu schützen, ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente, insbesondere in einer Einbaulage, gewölbt entlang eines Umfangs der Gelenkmechanik ausgebildet.
Eine solche gewölbte Form passt sich einem beispielsweise runden und/oder elliptischen Grundkörper einer Gelenkmechanik an, sodass mittels des Lenkelementes, des zweiten Lenkelementes und/oder der weiteren Lenkelemente ein geometrisch angepasster Schutz für einen Innenbereich und/oder die Gelenkanordnung und/oder andere, innerhalb der Lenkelemente oder hinter einem Lenkelement angeordnete Systeme entsteht.
Eine „Einbaulage“ beschreibt dabei die Position oder Anordnung, in welcher sich das Lenkelement in einer benutzungsfähigen Ausgestaltung der Gelenkmechanik befindet. Beispielsweise kann ein ursprünglich rechteckiges Lenkelement durch einen Einbau und entsprechende Führungsmittel in eine gewölbte Form geführt und/oder gehalten werden.
In einer Ausführungsform weist oder weisen das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente eine Oberflächenbeschichtung, insbesondere aus einem Elastomer und/oder einem Kunststoff, auf.
Eine solche Oberflächenbeschichtung schützt das Lenkelement vor äußeren Einflüssen und kann zudem mit einer entsprechenden niedrigen Reibungszahl oder einem niedrigen Reibungsbeiwert ausgebildet sein. Damit werden Reibkräfte des Lenkelementes an weiteren Bestandteilen der Gelenkmechanik reduziert und somit die Benutzung der Gelenkmechanik vereinfacht.
Eine „Oberflächenbeschichtung“ kann dabei jede auf eine Oberfläche oder einen außenliegenden Bereich eines Lenkelementes aufgebrachte Beschichtung sein. Insbesondere kann diese aufgesprüht, aufgerollt, aufgerieben oder anderweitig aufgebracht sein.
„Elastomer“ kann dabei jedes elastische, insbesondere weichelastische Material sein. Insbesondere ist ein solches Elastomer ein natürlicher oder künstlich erzeugter Gummi oder ein anderes Kautschukprodukt, welches ein Elastomer bildet.
Ein „Kunststoff“ kann jeder künstlich erzeugte, duroplastische, thermoplastische oder teilelastische Werkstoff sein, welcher beispielsweise ein Polypropylen, ein Polyethylen, ein Polyamid, ein Polyimid oder ein Acetyl-Butadien-Styrol (ABS) ist.
Um die Gelenkmechanik besonders leicht beweglich und komfortabel bedienbar auszugestalten, ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente mittels einer Führung oder mehrerer jeweiliger Führungen an einem jeweiligen Gelenkkörper entlang einer Zugrichtung oder entlang einer Druckrichtung beweglich geführt.
Eine „Führung“ beschreibt dabei ein mechanisches Element, welches einen Körper oder einen Gegenstand innerhalb einer vorgegebenen Bahn verschieblich führt oder aufnimmt. Beispielsweise ist eine solche Führung eine Linearführung, welche das jeweilige Lenkelement an einem jeweiligen Grundkörper entlang der Zugrichtung beweglich führt.
Eine „Zugrichtung“ oder eine „Druckrichtung“ beschreibt dabei beispielsweise eine Bahn oder einen Weg, entlang welcher oder welchem ein jeweiliges Lenkelement innerhalb der Gelenkmechanik beweglich angeordnet ist. Insbesondere befindet sich eine solche Zugrichtung oder eine solche Druckrichtung entlang einer Längsachse der Genlenkmechanik, welche auch gekrümmt verlaufen kann. Entlang der Zugrichtung oder entlang der Druckrichtung werden dann Zugkräfte oder Druckkräfte aufgebracht oder geleitet.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Führung oder die jeweilige Führung als eine Gleitführung und/oder eine Rollenführung ausgestaltet.
Eine Gleitführung und/oder eine Rollenführung ermöglicht auf besonders einfache Weise, dass das jeweilige Lenkelement leicht und einfach geführt ist.
Eine „Gleitführung“, welche auch „Gleitlager“ genannt wird, führt ein jeweiliges Bauteil mit direktem Kontakt. Das Bauteil, beispielsweise ein Lenkelement, gleitet dabei auf dem Gleitlager oder der Gleitführung. Mittels einer entsprechenden Materialpaarung zwischen der Gleitführung und dem Lenkelement und/oder mittels Schmierung kann dabei ein Reibungswiderstand geringgehalten werden.
Eine „Rollenführung“ ist beispielsweise ein Rollenlager oder ein mit Führungsrollen ausgestalteter Führungskäfig für ein jeweiliges Lenkelement. In einer Rollenführung wird die erforderliche Kraft zum Bewegen des geführten Bauteils, beispielsweise des Lenkelementes, durch eine Rotation eines Wälzkörpers oder Rollkörpers um eine Achse erreicht.
Um innerhalb der Gelenkmechanik unterschiedliche Bereiche in unterschiedlicher Entfernung zu einem proximalen oder distalen Endbereich anlenken zu können, ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente an einem jeweiligen Gelenkkörper in einer Zugrichtung mechanisch mit dem jeweiligen Gelenkkörper verbunden.
Damit kann beispielsweise eine definierte Anzahl von Lenkelementen einem jeweiligen Gelenkkörper in einer jeweiligen Entfernung von einem distalen Endbereich mechanisch mit dem jeweiligen Gelenkkörper verbunden sein, sodass eine differenzierte Bewegung und/oder ein differenziertes Schwenken eines jeweiligen Gelenkkörpers innerhalb der Gelenkmechanik ermöglicht ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente mit dem distalen Endabschnitt und/oder dem jeweiligen Gelenkkörper mittels Schrauben, Klemmen und/oder Kleben verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Schweißen, ein Löten oder ein anderes stoffschlüssiges Verfahren zur Anwendung kommen.
Insbesondere die genannten Verbindungsformen, nämlich Schrauben, Klemmen und/oder Kleben, ermöglichen es, auf engstem Raum ein jeweiliges Lenkelement mit dem jeweiligen Gelenkkörper zu verbinden. Beispielsweise kann auch ein Klemmen mittels eines Schraubens, nämlich mittels einer Klemmschraube, für das jeweilige Lenkelement realisiert sein. Gleiches gilt für ein Schweißen und/oder ein Löten.
Um die Gelenkmechanik sicher und zuverlässig anlenken zu können, ist oder sind das erste Lenkelement, das zweite Lenkelement und/oder die weiteren Lenkelemente mittels einer Taumelscheibe geführt, wobei das jeweilige Lenkelement oder die jeweiligen Lenkelemente insbesondere in einer Zugrichtung oder in einer Druckrichtung mechanisch mit der Taumelscheibe verbunden ist oder sind.
Damit kann beispielsweise die Taumelscheibe als Zwischenelement für ein Weiterleiten eines entsprechenden Anlenkens für die Gelenkmechanik genutzt werden. Beispielsweise ist dabei die Taumelscheibe das Anlenkelement für die Gelenkmechanik.
Eine „Taumelscheibe“ ist insbesondere ein ortsfestes, jedoch schwenkbewegliches, zumeist rundes Bauteil, welches gegenüber einer Hauptachse oder Längsachse, beispielsweise der Gelenkmechanik, neigbar ist. Eine solche Taumelscheibe kann dabei symmetrisch um ihren Umfang angeordnete Befestigungspunkte oder Verbindungspunkte für die Lenkelemente aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Lenkelement und das zweite Lenkelement und/oder das erste Lenkelement und die weiteren Lenkelemente radial, insbesondere radial symmetrisch, um eine Längsachse der Gelenkmechanik herum angeordnet.
Eine solche, radiale, insbesondere radial symmetrische, Anordnung ermöglicht, mittels der Lenkelemente einen möglichst vollständigen oder auch vollständigen Schutz für die Gelenkanordnung zu realisieren.
Eine „Längsachse“ ist dabei beispielsweise eine geometrische oder anders definierte Achse, welche entlang der Gelenkmechanik, insbesondere entlang einer Längenausdehnung der Gelenkmechanik, verläuft. Dabei muss die Längsachse nicht einer geometrisch oder mathematisch exakten Achsausrichtung, beispielsweise durch eine Schwerpunktslinie oder eine geometrische Mittellinie, folgen.
Um einen möglichst vollständigen Schutz für die Gelenkanordnung zu erreichen, sind das erste Lenkelement und das zweite Lenkelement und/oder das erste Lenkelement und die weiteren Lenkelemente aneinander angrenzend und/oder aneinander anliegend angeordnet.
Innerhalb eines Arbeitskanals können dann weitere Funktionen oder Funktionselemente in der Gelenkmechanik vorgesehen sein, welche einen besonderen Schutz erfordern. Beispielsweise ist in einem Arbeitskanal, welcher sich insbesondere entlang der Längsachse innerhalb der Gelenkmechanik erstreckt, eine optische oder mechanische Anordnung oder eine Kombination aus einer optischen und einer mechanischen Anordnung geführt, sodass durch den Arbeitskanal entsprechende Manipulationen in einem Arbeitsbereich des medizinischen Roboters oder des Endoskops vorgenommen werden können. Insbesondere ist oder sind in einem solchen Arbeitskanal ein Lichtwellenleiter, eine mechanische Antriebswelle oder eine Kombination aus solchen Anordnungen geführt.
Eine „Schutzhülle“ ist dabei beispielsweise eine den Innenbereich oder den Arbeitskanal der Gelenkmechanik schützend umgebende Hülle, welche insbesondere vollständig umgebend ausgeführt ist.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Schaft, insbesondere einen Schaft eines Instruments, mit einer Gelenkmechanik gemäß einer oder mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein medizinisches Instrument, insbesondere einen medizinischen Roboter oder ein Endoskop, mit einer Gelenkmechanik gemäß einer oder mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen.
Ein solcher Schaft oder ein solches medizinisches Instrument ist oder sind durch die Ausgestaltung der Gelenkmechanik besonders torsionssteif, komfortabel bedienbar und insbesondere bei Ausbildung einer Schutzhülle oder eines anderweitigen Schutzes für einen Innenbereich der Gelenkmechanik durch mehrere Lenkelemente oder ein Lenkelement besonders einfach zu reinigen und/oder zu desinfizieren. Für den Fall, dass beispielsweise ein Schaft eines Endoskopes als Verbrauchsartikel ausgeführt ist, kann für eine einmalige Benutzung ein entsprechender Schutz gewährleistet werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung einer Gelenkmechanik in einer isometrischen Ansicht,
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Gelenkmechanik in isometrischer Ansicht,
3 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Lenkbändern für eine Gelenkmechanik,
4 eine schematische Darstellung einer Taumelscheibe für eine Gelenkmechanik in einer Draufsicht,
5 eine schematische Darstellung eines Endoskopes in isometrischer Ansicht, sowie
6 eine schematische Darstellung eines medizinischen Roboters in einer Seitenansicht.

Eine Gelenkmechanik 101 weist einen distalen Endbereich 103 sowie einen proximalen Endbereich 105 auf. Vom proximalen Endbereich 105 zum distalen Endbereich 103 verläuft im Inneren der Gelenkmechanik 101 eine Welle 107, welche mittels eines Gelenkes 108 an eine Welle 117 angeschlossen ist. Am proximalen Endbereich 105 ist die Welle 117 mittels eines Kugelgelenkes 118 an weiterführende Wellen angeschlossen. Die Welle 107 sowie die Welle 117 dienen dem Antrieb eines am distalen Endbereich 103 der Gelenkmechanik 101 anschließbaren Endeffektors.
Am distalen Endbereich 103 ist um die Welle 107 herum ein Leitring 109 angeordnet. Am proximalen Endbereich 105 ist um die Welle 117 und das Kugelgelenk 118 herum eine Taumelscheibe 111 mit einem Lenkring 113 angeordnet. Die Taumelscheibe 111 gleitet dabei auf dem Kugelgelenk 118 und ist auf diesem Kugelgelenk 118 schwenkbeweglich in mehreren Achsen gelagert.
An einem Umfang der Gelenkmechanik 101 sind mehrere Lenkbänder 131 aus Edelstahl angeordnet, und zwar radial um eine Achse 181, welche die Längsachse der Gelenkmechanik 101 abbildet, gleichmäßig verteilt um den Umfang. Die Lenkbänder 131 sind am Leitring 109 befestigt, dazu sind die jeweiligen Lenkbänder 131 im Leitring 109 mit einer Quetschverbindung befestigt.
Die Lenkbänder 131 laufen durch jeweilige Öffnungen 114 in der Taumelscheibe 111 und im Lenkring 113. Die Lenkbänder 131 sind rechteckig ausgeformt und sind so angeordnet, dass die Breite, welche deutlich größer als die Dicke eines rechteckigen Querschnitts ist, entlang eines Umfangs der Gelenkmechanik 101 angeordnet ist. Damit versteifen die Lenkbänder 131 die Gelenkmechanik 101 in Torsionsrichtung.
Mittels unterschiedlichem Zug an den jeweiligen Lenkbändern 131 kann die Gelenkmechanik 101 um das Gelenk 108 sowie das Gelenk 118 in verschiedenen Achsen geschwenkt werden, dazu wird die Gelenkmechanik 101 in die Richtung geschwenkt, in welcher auch ein mit einer Zugkraft belastetes Lenkband 131 angeordnet ist. Die Gelenkmechanik 101 ist daher frei mittels der Lenkbänder 131 steuerbar.
Eine Gelenkmechanik 201 weist ein Kopfstück 203 sowie einen Leitring 205, einen Leitring 207 und einen Leitring 209 auf. Das Kopfstück 203 ist dabei an einem distalen Endbereich 202 angeordnet, ein Lenkring 211 an einem proximalen Endbereich 204. Durch den Lenkring 211 sowie die Leitringe 205, 207 und 209 verlaufen Lenkbänder 231, welche im Kopfstück 203 fixiert sind. Die Lenkbänder 231 sind in Öffnungen 214 in den jeweiligen Leitringen und dem Lenkring 211 geführt. Mittels der Lenkbänder 231 kann so das Kopfstück 203 analog zum oben gezeigten Beispiel für die Gelenkmechanik 101 am distalen Endbereich 202 der Gelenkmechanik 201 verschwenkt und bewegt werden. Die Lenkbänder 214 sind um eine Achse 191, welche die Längsachse der Gelenkmechanik 201 abbildet, radial symmetrisch an einem Umfang der Gelenkmechanik 201 angeordnet.
Eine Lenkanordnung 301, welche innerhalb einer Gelenkmechanik eingesetzt werden kann, weist mehrere Lenkbänder 331 auf. Die Lenkbänder 331 sind rechteckig ausgebildet und durch die Montage in der Lenkanordnung 301 entlang eines Umfangs gewölbt. Die Lenkbänder 331 sind an Überlappungen 333 miteinander überlappt angeordnet, sodass die Gesamtheit der Lenkbänder 331 ein röhrenförmiges Gebilde bilden.
Innerhalb der Lenkbänder 331 ist dadurch ein Arbeitskanal 335 geformt. Innerhalb des Arbeitskanals 335 können dann in entsprechenden Gelenkmechaniken beispielsweise Antriebswellen, optische Systeme, Lichtwellenleiter und andere Anordnungen eingefügt sein. Eine aus den Lenkbändern 331 so gebildete Hülle 336 schützt dabei die innerhalb des Arbeitskanals 335 angeordneten Systeme vor mechanischen Einflüssen.
Eine Außenseite 337 der Hülle 336 ist dabei leicht zu reinigen, sodass eine mit einer entsprechenden Lenkanordnung 301 ausgestattete Gelenkmechanik einfach zu reinigen oder auch zu desinfizieren ist.
Eine alternative Taumelscheibe 411, welche beispielsweise in der Gelenkanordnung 101 eingesetzt werden kann, weist eine Führungsfläche 412 auf, welche auf dem Kugelgelenk 118 angeordnet werden kann. In Aufnahmen 421 können dann die jeweiligen Lenkbänder 114 aufgenommen werden. Ein Festsetzen der jeweiligen Lenkbänder 114 erfolgt dann mittels in Gewindebohrungen 423 eingeschraubte Madenschrauben (Madenschrauben nicht gezeigt).
Ein Endoskop 501 weist an einem Ende 506 eines distalen Endbereiches 502 ein Objektiv 507 auf. Mittels des Objektivs 507 kann mit dem Endoskop 501 ein Beobachtungsbereich betrachtet werden, beispielsweise innerhalb eines menschlichen Körpers.
Im Kopf 503 des Endoskops 501 ist zum Bewegen des Endes 506 und zum Ausrichten des Objektivs 507 auf einen Betrachtungsbereich die Gelenkmechanik 101 angeordnet. Mittels dieser Gelenkmechanik 101 kann der Kopf 503 des Endoskopes 501 frei in unterschiedliche Richtungen geschwenkt werden (durch Krümmung des Kopfes 503 angedeutet). Ein Schaft 505 des Endoskops 501 ist an einem proximalen Bereich 504 angeordnet und schließt sich an den Kopf 503 an. An diesem proximalen Bereich 504 und dem Schaft 505 kann das Endoskop so, beispielsweise mit einer Hand, geführt werden.
Ein Roboter 601 weist einen Fuß 603 sowie einen mittels Gelenken 607 gelenkig ausgeführten Arm 605 auf. An einem Ende 609 des Armes 605 ist ein Endeffektor 611 angeordnet. Der Endeffektor 611 weist dabei zum feinen Ausrichten des Endeffektors 611 in seinem Endbereich 612 die Gelenkmechanik 201 auf. Der Endeffektor 611 ist dabei als Greifer ausgeführt.
Der Roboter 601 ist ein medizinischer Roboter zur Überstützung eines chirurgischen Eingriffs, indem mittels des Endeffektors 611 menschliches oder tierisches Gewebe gegriffen und gehalten wird, sodass ein Operateur den eigentlichen chirurgischen Eingriff vornehmen kann.
Bezugszeichenliste

101: Gelenkmechanik
103: distaler Endbereich
105: proximaler Endbereich
107: Welle
108: Gelenk
109: Leitring
111: Taumelscheibe
113: Lenkring
114: Öffnung
117: Welle
118: Kugelgelenk
131: Lenkband
181: Achse
191: Achse
201: Gelenkmechanik
202: distaler Endbereich
203: Kopfstück
204: proximaler Endbereich
205: Leitring
207: Leitring
209: Leitring
211: Lenkring
214: Öffnung
231: Lenkband
301: Lenkanordnung
331: Lenkband
333: Überlappung
335: Arbeitskanal
336: Hülle
337: Außenseite
411: Taumelscheibe
412: Führungsfläche
421: Aufnahme
423: Gewindebohrung
501: Endoskop
502: distaler Endbereich
503: Kopf
504: proximaler Bereich
505: Schaft
506: Ende
507: Objektiv
601: Roboter
603: Fuß
605: Arm
607: Gelenk
609: Ende
611: Endeffektor
612: Endbereich

Claims

Gelenkmechanik (101, 201) für ein medizinisches Instrument, insbesondere für einen medizinischen Roboter (601) oder für ein Endoskop (501), mit einer stützenden Gelenkanordnung (117, 118) mit einem Gelenkkörper (118) oder mehreren Gelenkkörpern (118) zum Schwenken eines distalen Endabschnitts (103, 202), und einem an der Gelenkanordnung (117, 118) angeordneten und mit dem distalen Endabschnitt (103, 202) verbundenen ersten Lenkelement (114, 214), sodass mittels des ersten Lenkelementes (114, 214) der distale Endabschnitt (103, 202) manipulierbar ist, wobei das erste Lenkelement (114, 214) bandförmig ausgebildet ist und die Gelenkmechanik ein zweites Lenkelement (114, 214) oder weitere Lenkelemente (114, 214) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214, 331) und das zweite Lenkelement (114, 214, 331) und/oder das erste Lenkelement (114, 214, 331) und die weiteren Lenkelemente (114, 214, 331) überlappend (333) angeordnet sind und das erste Lenkelement (114, 214, 331) und das zweite Lenkelement (114, 214, 331) und/oder das erste Lenkelement (114, 214, 331) und die weiteren Lenkelemente (114, 214, 331) einen Arbeitskanal (335) der Gelenkanordnung vollständig umgeben, sodass mittels der jeweiligen Lenkelemente (114, 214, 331) eine den Arbeitskanal (335) der Gelenkanordnung lokal oder vollständig umschließende Schutzhülle (336) gebildet ist.
Gelenkmechanik gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) rechteckig oder im Wesentlichen rechteckig und/oder oval ausgebildet ist.
Gelenkmechanik gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) ein Verhältnis von einer Breite zu einer Dicke von mehr als 3/1, insbesondere mehr als 4/1 oder mehr als 5/1 aufweist oder aufweisen.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) als Gurt und/oder Riemen, insbesondere als faserverstärkter Gurt oder Riemen und/oder einem Bandstahl, insbesondere aus einem Stahl, einem Edelstahl und/oder einem Nitinol, ausgebildet ist oder sind.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214), insbesondere in einer Einbaulage, gewölbt entlang eines Umfangs der Gelenkmechanik ausgebildet ist oder sind.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) eine Oberflächenbeschichtung, insbesondere aus einem Elastomer und/oder aus einem Kunststoff, aufweist oder aufweisen.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) mittels einer Führung (421) oder mehrerer jeweiliger Führungen (421) an einem jeweiligen Gelenkkörper (118) entlang einer Zugrichtung und/oder entlang einer Druckrichtung beweglich geführt ist oder sind.
Gelenkmechanik gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (421) oder die jeweilige Führung (421) als eine Gleitführung und/oder eine Rollenführung ausgestaltet ist.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) an einem jeweiligen Gelenkkörper (118) in einer Zugrichtung und/oder in einer Druckrichtung mechanisch mit dem jeweiligen Gelenkkörper (118) verbunden ist oder sind.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) mit dem distalen Endabschnitt (103, 202) und/oder dem jeweiligen Gelenkkörper (118) reibschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig, insbesondere mittels Schrauben, Klemmen und/oder Kleben, Schweißen und/oder Löten verbunden ist oder sind.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214), das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder die weiteren Lenkelemente (114, 214) mittels einer Taumelscheibe (111) geführt ist oder sind, wobei das jeweilige Lenkelement (114, 214) oder die jeweiligen Lenkelemente (114, 214) insbesondere in einer Zugrichtung und/oder ein einer Druckrichtung mechanisch mit der Taumelscheibe (111) verbunden ist oder sind.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214) und das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder das erste Lenkelement (114, 214) und die weiteren Lenkelemente (114, 214) radial, insbesondere radial symmetrisch, um eine Längsachse (181, 191) der Gelenkmechanik herum angeordnet sind.
Gelenkmechanik gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lenkelement (114, 214) und das zweite Lenkelement (114, 214) und/oder das erste Lenkelement (114, 214) und die weiteren Lenkelemente (114, 214) aneinander angrenzend und/oder aneinander anliegend angeordnet sind.
Medizinisches Instrument, insbesondere medizinischer Roboter (601) oder Endoskop (501), mit einer Gelenkmechanik (101, 201) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.