DE102022107857A1

DE102022107857A1 - Pneumatische Antriebsvorrichtung zur translatorischen und/oder rotatorischenBewegung

Info

Publication number: DE102022107857A1
Application number: DE102022107857.4A
Authority: DE
Inventors: Markus Braun
Original assignee: TUEBINGEN SCIENT MEDICAL GmbH; TUEBINGEN SCIENTIFIC MEDICAL GmbH
Current assignee: TUEBINGEN SCIENT MEDICAL GmbH; TUEBINGEN SCIENTIFIC MEDICAL GmbH
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2023186807A3; WO2023186807A2

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine pneumatische Antriebsvorrichtung (2), die ein Gehäuse (4), einen Kolben (6) und eine erste Membran (8) umfasst, wobei die erste Membran (8) und der Kolben (6) derart miteinander gekoppelt sind, dass eine durch Druckbeaufschlagung einer ersten Druckkammer (16) verursachte axiale Bewegung der ersten Membran (8) in eine translatorische Bewegung des Kolbens (6) umgesetzt wird. Ferner betrifft die Offenbarung ein Gehäuse (54), ein Abtriebselement (56) und eine Membran (58), wobei die Membran (58) und das Abtriebselement (56) derart miteinander gekoppelt sind, dass eine in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran (58), hervorgerufen durch eine in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung entsprechender Druckkammern (66, 68, 70), in eine Rotationsbewegung des Abtriebselements (56) umgesetzt wird.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine pneumatische Antriebsvorrichtung zur translatorischen Bewegung und/oder zur rotatorischen Bewegung einer Aktorwelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments.
Hintergrund der Offenbarung
Zur präzisen Bewegung des medizinischen Instruments und insbesondere zur präzisen Betätigung des Instruments als Folge der Bewegung ist es erforderlich, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen, die präzise gesteuert werden kann.
Motorische Antriebsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Diese Geräte treiben das Instrument mittels eines Elektromotors entweder direkt oder über ein geeignetes Getriebe an. Dies hat jedoch den Nachteil, dass ausreichend Platz für den Elektromotor vorhanden sein muss, was insbesondere im Bereich der minimalinvasiven Chirurgie ein Problem darstellt. Bei einem Direktantrieb muss der Elektromotor direkt mit dem Instrument gekoppelt werden können, was wiederum räumliche Nähe erfordert. Daraus ergeben sich jedoch weitere Probleme hinsichtlich der Versorgung des Elektromotors mit Energie und vor allem der Sterilität des Elektromotors, da der Elektromotor aus Kostengründen meist als Mehrwegkomponente ausgelegt ist. Bei einem Antrieb, bei dem die Bewegung über ein geeignetes Getriebe auf das Instrument übertragen wird, ergibt sich zusätzlich das Problem, dass die vom Elektromotor erzeugte Kraft aufgrund von Verlusten im Getriebe nicht proportional zur Bewegung des Instruments wirkt, was wiederum die Regelbarkeit der Antriebsvorrichtung beeinträchtigt.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik bereits pneumatische Antriebsvorrichtungen bekannt. Diese Geräte treiben das Instrument durch Druckbeaufschlagung einer Druckkammer an. Der Druckraum wird durch einen Kolben gebildet, der in einem Zylinder gleitet. Aufgrund der notwendigen Abdichtung zwischen Zylinder und Kolben kommt es jedoch zu einer Reibung zwischen beiden, was zum so genannten „Stick-Slip-Effekt“ führt, bei dem sich der Kolben (aufgrund von Haftreibung) abrupt in Bewegung setzt und die aufgebrachte Kraft nicht proportional zur Bewegung des Instruments wirkt. Außerdem kann es zu Leckagen zwischen dem Kolben und dem Zylinder kommen, wodurch Druckluft aus der Antriebsvorrichtung in unmittelbarer Nähe des Patienten entweichen könnte, was aus Gründen der Patientensicherheit vermieden werden muss.
Kurze Beschreibung der Offenbarung
In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Antriebsvorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe der Offenbarung wird jeweils durch eine pneumatische Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine pneumatische Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Offenbarung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Kern der vorliegenden Offenbarung liegt darin, dass ein zu bewegender Kolben den Druckraum nicht definiert/begrenzt, wofür der Kolben (möglichst) gasdicht an einer Innenwand eines Gehäuses/Zylinders, aber gleichzeitig beweglich relativ zur Innenwand des Gehäuses montiert werden müsste. In diesem Fall würde die gasdichte Befestigung des Kolbens zwangsläufig eine gewisse Reibung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse verursachen, was wiederum die Verschiebbarkeit, d. h. die für die Verschiebung erforderliche Kraft, beeinträchtigen und insbesondere den oben erwähnten Stick-Slip-Effekt verursachen würde. Durch eine zusätzliche Membran zur gasdichten Umschließung der Druckkammer kann also einerseits die Dichtheit der Druckkammer als solche besser gewährleistet werden (und damit die Patientensicherheit, insbesondere die Sterilität, verbessert werden) und andererseits kann der Kolben nahezu reibungsfrei im Gehäuse aufgenommen werden, d.h. der aufgebrachte Druck ist nahezu proportional zur erzeugten Bewegung, so dass die Antriebsvorrichtung äußerst präzise gesteuert werden kann. Ferner ist eine Begrenzung der maximalen Kräfte möglich.
Um den Stick-Slip-Effekt bei der Ausdehnung/Auslenkung der Membran so weit wie möglich zu vermeiden, muss die Reibung zwischen der Membran und den mit der Membran in Berührung kommenden Flächen, wie z. B. der Innenwand des Gehäuses, verhindert oder verringert werden, um Verluste zu vermeiden und somit eine Proportionalität zwischen Druck und Bewegung zu gewährleisten, z. B. durch die Wahl geeigneter Materialien für die Membran. Insbesondere kann die Membran aus einem thermoplastischen Elastomer hergestellt sein. Ferner kann die Membran vorzugsweise gute Gleiteigenschaften auf ihrer Außenseite aufweisen, indem ein geeignetes Material gewählt oder die Membran mit einer geeigneten Beschichtung versehen wird. Gleichzeitig sollte die Membran so gestaltet sein, dass eine reversible Ausdehnung/Auslenkung der Membran möglich ist, was z.B. durch eine geeignete Materialwahl, insbesondere mit einer hohen Elastizität, d.h. einer Elastizität größer als 200%, vorzugsweise größer als 400%, oder eine entsprechende geometrische Gestaltung, insbesondere als Balg/Akkordeon, mit axialer Zickzackfaltung o.ä. erreicht werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung gibt es eine pneumatische Antriebsvorrichtung zur translatorischen Bewegung einer Aktorwelle/Antriebswelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments. Die Antriebsvorrichtung umfasst ein Gehäuse. Das Gehäuse kann vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch/rohrförmig sein.
Die Antriebsvorrichtung umfasst einen Kolben. Der Kolben ist in dem Gehäuse entlang einer Längsachse des Kolbens verschiebbar gelagert. Insbesondere kann der Kolben innerhalb des Gehäuses axial beweglich sein. Das heißt, die Längsachse des Kolbens kann vorzugsweise mit einer axialen Richtung der Antriebsvorrichtung/des Gehäuses übereinstimmen. Eine Bewegung des Kolbens ist mit einer Bewegung der Aktorwelle gekoppelt, vorzugsweise als Direktantrieb (ohne zusätzliches Getriebe zur Umwandlung oder Übersetzung der Bewegung des Kolbens). Somit bewirkt die Bewegung des Kolbens die Bewegung der Aktorwelle, insbesondere nahezu verlustfrei und mit einer direkten/proportionalen Rückkopplung zwischen anliegendem Pneumatikdruck und der dadurch erzeugten Bewegung.
Die Antriebsvorrichtung umfasst eine erste Membran. Die erste Membran kann vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaförmig dehnbar sein. Die erste Membran kann zum Beispiel auf eine am Gehäuse befestigte Platte geklemmt/gespannt werden. Die erste Membran ist fest im Gehäuse montiert. Die erste Membran definiert eine erste Druckkammer. Das heißt, die erste Druckkammer ist von der ersten Membran gasdicht umgeben. Die erste Membran kann durch Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer (reversibel) axial ausgelenkt werden. D.h. durch die Druckbeaufschlagung vergrößert sich der erste Druckraum, so dass die erste Membran z.B. aufgrund ihrer materialbedingten Dehnung und/oder ihrer geometriebedingten Dehnbarkeit zu einer axialen Auslenkung veranlasst wird. Insbesondere kann die Ausdehnung der ersten Membran zu einer Seite hin begrenzt/unmöglich sein, so dass sich die erste Membran gezielt zu einer anderen Seite (der dem Kolben zugewandten Seite) ausdehnt/aufbläst. Weiterhin, d.h. durch Druckentlastung, wird der erste Druckraum verkleinert, so dass die erste Membran in einen ursprünglichen Zustand der ersten Membran zurückkehrt und axial geschrumpft wird. Insbesondere verkleinert/entleert sich die erste Membran auf der einen Seite (der dem Kolben abgewandten Seite). Vorzugsweise kann die Auslenkung der ersten Membran stufenlos geregelt werden.
Gemäß dem ersten Aspekt sind die erste Membran und der Kolben so miteinander gekoppelt, dass eine axiale Bewegung der ersten Membran, die durch die Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer verursacht wird, in eine translatorische Bewegung/Verschiebung des Kolbens entlang der Längsrichtung des Kolbens umgesetzt wird. Das heißt, die Ausdehnung/Auslenkung der ersten Membran bewirkt eine Bewegung des Kolbens entlang der Längsrichtung des Kolbens, insbesondere durch Berührung/Druck/Anstoß an den Kolben/Ausübung einer Druckkraft auf den Kolben. Da die Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer proportional und damit feinfühlig gesteuert werden kann und die Auslenkung der ersten Membran und damit die translatorische Bewegung des Kolbens nahezu proportional zum Druck ist, kann der Hub des Kolbens besonders präzise, insbesondere inkrementfrei, d.h. nicht in durch die mechanische Konstruktion vorgegebenen Schritten, gesteuert oder geregelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die erste Membran einen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen als (kreisförmiger) Ring ausgebildet ist, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die erste Membran erstreckt. Das heißt, die erste Membran ist nicht in einem zentralen Bereich ausgebildet, sondern umgibt diesen zentralen Bereich, vorzugsweise als Ring oder ein oder mehrere Ringabschnitte, oder alternativ in einer anderen Form. Der Ring kann vorzugsweise koaxial zu einer Längsachse des Kolbens verlaufen. Das heißt, dass der zentrale Bereich (in dem die erste Membran nicht ausgebildet ist) vorzugsweise mittig zur Antriebsvorrichtung bzw. mittig um die Längsachse des Kolbens angeordnet sein kann. Auf diese Weise können Komponenten der Antriebsvorrichtung durch die erste Membran hindurchgeführt werden, insbesondere um Komponenten zu verbinden, die axial auf beiden Seiten der ersten Membran angeordnet sind.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine Kolbenstange umfassen. Die Kolbenstange kann zumindest in Axialrichtung (fest) mit dem Kolben verbunden sein und sich axial durch das Durchgangsloch durch die erste Membran erstrecken. Dadurch, dass die Kolbenstange axial durch die erste Membran hindurchführt, kann die auf einer Seite der ersten Membran verursachte Bewegung des Kolbens auf eine andere Seite der ersten Membran übertragen werden. Dadurch ist es möglich, mehrere Antriebsvorrichtungen axial verschachtelt/hintereinander anzuordnen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können die erste Membran und der Kolben unverbunden/getrennt voneinander sein. Das heißt, dass die erste Membran nicht fest mit dem Kolben verbunden ist, sondern nur an ihm anliegt/stößt. Andernfalls würde die erste Membran an der Verbindungsstelle zum Kolben geschwächt, so dass es leichter zu einem Materialversagen/Reißen der ersten Membran kommen könnte. Außerdem kann die erste Membran, wenn sie ausgelenkt wird, den Kolben berühren, um den Kolben zu einer ersten Seite in Längsrichtung des Kolbens zu drücken/verschieben. Das heißt, aufgrund der Unverbundenheit zwischen dem Kolben und der ersten Membran gibt es nur eine durch die erste Membran ausgelöste Druckbewegung des Kolbens und keine durch die erste Membran ausgelöste Zugbewegung. Somit kann die erste Membran den Kolben (nur) in eine Richtung/zur ersten Seite bewegen, wenn Druck aufgebracht wird/durch Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer, denn wenn der Druck abgelassen wird/durch Druckentlastung der ersten Kammer, zieht sich die erste Membran zurück/bewegt sich rückwärts, ohne den Kolben zu bewegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine zweite Membran umfassen. Die zweite Membran kann vorzugsweise auf einer Seite des Kolbens angeordnet sein, die der ersten Membran gegenüberliegt. Die zweite Membran kann analog zur ersten Membran ausgebildet sein bzw. die gleichen Eigenschaften wie die erste Membran aufweisen. Das heißt, die zweite Membran kann vorzugsweise elastisch dehnbar oder wie eine Ziehharmonika ausdehnbar sein. Die zweite Membran kann zum Beispiel auf eine am Gehäuse befestigte Platte geklemmt/gespannt werden. Die zweite Membran ist fest im Gehäuse montiert. Die zweite Membran definiert eine zweite Druckkammer. Das heißt, die zweite Druckkammer ist von der zweiten Membran gasdicht umgeben. Durch Druckbeaufschlagung des zweiten Druckraumes kann die zweite Membran (reversibel) axial ausgelenkt werden. D.h. durch die Druckbeaufschlagung vergrößert sich der zweite Druckraum, so dass die zweite Membran z.B. aufgrund ihrer materialbedingten Dehnung und/oder ihrer geometriebedingten Dehnbarkeit zu einer axialen Auslenkung veranlasst wird. Insbesondere kann die Ausdehnung der zweiten Membran zu einer Seite hin begrenzt/nicht möglich sein, so dass sich die zweite Membran gezielt zu einer anderen Seite (der dem Kolben zugewandten Seite) ausdehnt/aufbläst. Weiterhin, d.h. durch Druckentlastung, verringert sich der zweite Druckraum, so dass die zweite Membran in einen ursprünglichen Zustand der zweiten Membran zurückkehrt und sich axial zusammenzieht. Insbesondere verkleinert/entleert sich die zweite Membran zu der einen Seite (der dem Kolben abgewandten Seite). Vorzugsweise kann die Auslenkung der zweiten Membran stufenlos geregelt werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können die zweite Membran und der Kolben so miteinander gekoppelt sein, dass eine axiale Bewegung der zweiten Membran, die durch die Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer verursacht wird, in eine translatorische Bewegung/Verschiebung des Kolbens entlang der Längsrichtung des Kolbens umgesetzt wird. Das heißt, die Ausdehnung/Auslenkung der zweiten Membran bewirkt eine Bewegung des Kolbens entlang der Längsrichtung des Kolbens, insbesondere durch Berührung/Druck/Anstoß an den Kolben/Ausübung einer Druckkraft auf den Kolben. Da die Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer proportional und damit feinfühlig gesteuert werden kann und die Auslenkung der zweiten Membran und damit die translatorische Bewegung des Kolbens nahezu proportional zum Druck ist, kann der Hub des Kolbens besonders präzise, insbesondere inkrementfrei, d.h. nicht in durch die mechanische Konstruktion vorgegebenen Schritten, gesteuert bzw. geregelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die zweite Membran einen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen als (kreisförmiger) Ring ausgebildet ist, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die zweite Membran erstreckt. Das heißt, die zweite Membran ist nicht in einem zentralen Bereich ausgebildet, sondern umgibt diesen zentralen Bereich, vorzugsweise als Ring oder ein oder mehrere Ringabschnitte, oder alternativ in einer anderen Form. Der Ring kann vorzugsweise koaxial oder im Wesentlichen koaxial zu einer Längsachse des Kolbens sein. Das heißt, dass der zentrale Bereich (in dem die zweite Membran nicht ausgebildet ist) vorzugsweise zentral in Bezug auf die Antriebsvorrichtung bzw. zentral um die Längsachse des Kolbens angeordnet sein kann. Auf diese Weise können Komponenten der Antriebsvorrichtung durch die zweite Membran hindurchgeführt werden, insbesondere um Komponenten zu verbinden, die axial auf beiden Seiten der zweiten Membran angeordnet sind.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann sich die Kolbenstange axial durch das Durchgangsloch durch die zweite Membran erstrecken. Dadurch, dass die Kolbenstange axial durch die zweite Membran hindurchführt, kann die auf einer Seite der zweiten Membran verursachte Bewegung des Kolbens auf eine andere Seite der zweiten Membran übertragen werden. Dadurch ist es möglich, mehrere Antriebsvorrichtungen axial verschachtelt/hintereinander anzuordnen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können die zweite Membran und der Kolben unverbunden/getrennt voneinander sein. Das heißt, dass die zweite Membran nicht fest mit dem Kolben verbunden ist, sondern nur an ihm anliegt/stößt. Andernfalls würde die zweite Membran an der Verbindungsstelle mit dem Kolben geschwächt, so dass es leichter zu einem Materialversagen/Reißen der zweiten Membran kommen könnte. Außerdem kann die zweite Membran, wenn sie ausgelenkt wird, den Kolben berühren, um den Kolben zu einer zweiten Seite in Längsrichtung des Kolbens zu drücken/verschieben. Das heißt, aufgrund der Unverbundenheit zwischen dem Kolben und der zweiten Membran gibt es nur eine durch die zweite Membran ausgelöste Druckbewegung des Kolbens und keine durch die zweite Membran ausgelöste Zugbewegung. Somit kann die zweite Membran den Kolben (nur) in eine Richtung/zur zweiten Seite bewegen, wenn Druck aufgebracht wird/durch Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer, denn wenn der Druck abgelassen wird/durch Druckentlastung der zweiten Kammer, zieht sich die zweite Membran zurück/bewegt sich rückwärts, ohne den Kolben zu bewegen.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine Rückstellfeder umfassen, wobei der Kolben durch Auslenkung der ersten Membran gegen eine Rückstellkraft der Rückstellfeder translatorisch bewegbar/verschiebbar ist. D.h. insbesondere, dass anstelle der Bereitstellung einer zweiten Membran die Rückstellung/Verschiebung des Kolbens zur zweiten Seite (gegen die Verschiebung durch die erste Membran) auch durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder bewirkt werden kann. Dies bedeutet, dass nur eine Membran (nur die erste Membran) erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung einen Positionssensor zur Erfassung einer translatorischen Position des Kolbens umfassen. Auf diese Weise kann - zusätzlich zur Rückmeldung über den anliegenden pneumatischen Druck - eine präzise Steuerung des Kolbens erreicht werden. Der Positionssensor kann als Abstandsmesser, insbesondere als Laser, ausgeführt sein. Solche Abstandsmesser sind preiswert, kompakt und einfach zu steuern. Insbesondere kann der Positionssensor in Radialrichtung ausgerichtet sein, um einen radialen Abstand zum Kolben zu erfassen. Da in der Antriebsvorrichtung mehr Platz für eine radiale Montage vorhanden ist (da die erste und zweite Membran axial angeordnet sind), kann eine geeignete Positionserfassung gewährleistet werden. Alternativ kann der Positionssensor zur Erfassung eines axialen Abstandes zum Kolben in Axialrichtung ausgerichtet sein. So kann die translatorische Position des Kolbens direkt erfasst werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann der Kolben zumindest in einem axialen Abschnitt und zumindest in einem Umfangsabschnitt des Kolbens einen Durchmesser aufweisen, der sich in Längsrichtung des Kolbens verändert, vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere streng monoton ansteigend oder abnehmend. Vorzugsweise kann der Kolben einen schrägen/geneigten Abschnitt aufweisen, der zur axialen Richtung und zur radialen Richtung geneigt ist. Insbesondere kann der axiale Abschnitt konisch/kegelförmig sein. Durch die konische Gestaltung, d.h. die Gestaltung des geneigten Abschnitts über den gesamten Umfang, kann der Kolben unabhängig von seiner Drehlage gelagert werden. Dadurch wird verhindert, dass sich die Schräge außerhalb des Bereichs des Positionssensors befindet. Der sich ändernde Durchmesser des Kolbens ermöglicht es, die translatorische Position des Kolbens anhand eines radial gemessenen Abstands zum Durchmesser des Kolbens (eindeutig) zu bestimmen. Ferner kann der axiale Abschnitt durch einen Bereich definiert werden, innerhalb dessen der Kolben bewegt/verschoben wird. Darüber hinaus sind der axiale Abschnitt und der Umfangsabschnitt durch einen Bereich definiert, in dem der Positionssensor angeordnet ist. So kann die Position in jeder möglichen Stellung des Kolbens erfasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine Druckregelung zur Steuerung der Auslenkung der ersten und der zweiten Membran (und damit der Verschiebung des Kolbens) umfassen. Bei der Druckregelung kann es sich um einen offenen Regelkreis oder einen geschlossenen Regelkreis handeln. Ferner kann die Drucksteuerung so konfiguriert sein, dass sie die Auslenkung der ersten Membran und der zweiten Membran in Abhängigkeit von der durch den Positionssensor erfassten translatorischen Position des Kolbens steuert. Der Druckregler kann mit der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer durch radiale Zuführung in das Gehäuse verbunden sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Drucksteuerung Ventile umfassen, die mit der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer verbunden sind, um die Auslenkung der ersten Membran und der zweiten Membran durch Regulierung eines Differenzdrucks zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer zu steuern. So kann beispielsweise ein geschlossenes Druckluftsystem gebildet werden, so dass nicht ständig neue Druckluft zu- und abgeführt werden muss. Außerdem kann erreicht werden, dass die erste und die zweite Membrane ständig in Kontakt mit dem Kolben sind. Alternativ können der Druck in der ersten Druckkammer und der zweite Druck unabhängig voneinander eingestellt werden. So ist es möglich, den Druck der unausgelenkten ersten oder zweiten Membran je nach Bedarf einzustellen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform können die Ventile Proportionalregelventile sein. Das heißt, der Druck in der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer kann stufenlos/proportional geregelt werden, so dass die Auslenkung der ersten Membran und der zweiten Membran an jedem gewünschten Punkt gestoppt werden kann. So ist es nicht nur möglich, die Ventile ein- oder auszuschalten, sondern auch mehr oder weniger Druck in die erste Druckkammer und die zweite Druckkammer zu leiten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung gibt es eine pneumatische Antriebsvorrichtung zur rotatorischen Bewegung einer Aktorwelle/Antriebswelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments. Die Antriebsvorrichtung umfasst ein Gehäuse. Das Gehäuse kann vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch/rohrförmig sein.
Die Antriebsvorrichtung umfasst ein Abtriebselement. Das Abtriebselement ist um eine Längsachse des Abtriebselements drehbar in dem Gehäuse gelagert. Insbesondere kann das Abtriebselement innerhalb des Gehäuses drehbar sein. Die Längsachse des Abtriebselements kann vorzugsweise parallel zu einer Axialrichtung der Antriebsvorrichtung/des Gehäuses verlaufen. Eine Bewegung des Abtriebselements ist mit einer Bewegung der Aktorwelle gekoppelt, vorzugsweise als Direktantrieb (ohne zusätzliches Getriebe zur Umwandlung oder Übersetzung der Bewegung des Abtriebselements). Somit bewirkt die Bewegung des Abtriebselements die Bewegung der Aktorwelle, insbesondere nahezu verlustfrei und mit einer direkten/proportionalen Rückkopplung zwischen anliegendem Pneumatikdruck und der dadurch erzeugten Bewegung.
Die Antriebsvorrichtung umfasst eine Membran. Die Membran kann vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaartig dehnbar sein. Die Membran ist fest in dem Gehäuse montiert. Beispielsweise kann die Membran auf eine am Gehäuse befestigte Platte geklemmt/gespannt sein. Die Membran definiert mindestens drei Druckkammern. Das heißt, die mindestens drei Druckkammern sind von der Membran gasdicht umgeben. Die Membran kann mehr als drei Druckkammern bilden, z. B. vier Druckkammern, fünf Druckkammern oder sechs Druckkammern. Die mindestens drei Druckkammern sind so angeordnet, dass sie vorzugsweise gleichmäßig in einer Umfangsrichtung verteilt sind. Das heißt, jede der Druckkammern kann sich über einen Winkel/Bogenabschnitt von 120° erstrecken. Die Membran kann in einem Umfangsbereich der entsprechenden Druckkammer durch Druckbeaufschlagung der jeweiligen Druckkammer (reversibel) axial ausgelenkt werden. D.h. durch Druckbeaufschlagung erhöht sich ein erster Druckraum der mindestens drei Druckräume, so dass die Membran z.B. aufgrund ihrer materialbedingten Dehnung und/oder ihrer geometriebedingten Dehnbarkeit zu einer axialen Auslenkung im Umfangsbereich des ersten Druckraumes veranlasst wird. Weiterhin, d.h. durch Druckentlastung, verringert sich die erste Druckkammer, so dass die Membran in einen ursprünglichen Zustand der Membran zurückkehrt und im Umfangsbereich der ersten Druckkammer axial geschrumpft wird. Dementsprechend erhöht sich durch Druckbeaufschlagung eine zweite Druckkammer der mindestens drei Druckkammern, so dass die Membran veranlasst wird, sich im Umfangsbereich der zweiten Druckkammer axial auszulenken, und durch Druckentlastung verringert sich die zweite Druckkammer, so dass die Membran in den ursprünglichen Zustand der Membran zurückkehrt und veranlasst wird, sich im Umfangsbereich der zweiten Druckkammer axial zusammenzuziehen. Dementsprechend erhöht sich durch Druckbeaufschlagung eine dritte Druckkammer der mindestens drei Druckkammern, so dass die Membran im Umfangsbereich der dritten Druckkammer axial ausgelenkt wird, und durch Druckentlastung verringert sich die dritte Druckkammer, so dass die Membran in den ursprünglichen Zustand der Membran zurückkehrt und im Umfangsbereich der dritten Druckkammer axial geschrumpft wird. Vorzugsweise kann die Auslenkung der Membran stufenlos geregelt werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt sind die Membran und das Abtriebselement derart miteinander gekoppelt, dass eine in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran, hervorgerufen durch eine in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der jeweiligen Druckkammern, in eine Rotationsbewegung/Drehung des Abtriebselements um die Längsachse des Abtriebselements umgesetzt wird. Insbesondere wird die Axialbewegung der Membran vorzugsweise über Axialkolben übertragen und nach Art eines Axialkolbenmotors in die Rotationsbewegung des Abtriebselements umgesetzt.
Da die Druckbeaufschlagung der Druckkammern proportional und damit feinfühlig gesteuert werden kann und die Auslenkung der Membran und damit die axiale Bewegung des Axialkolbens nahezu proportional zum Druck ist, kann der Hub der Axialkolben besonders präzise, insbesondere inkrementfrei, d.h. nicht in konstruktiv vorgegebenen Schritten, gesteuert oder geregelt werden. So ist es nicht nur möglich, den Hub der Axialkolben zwischen ein oder aus/voll ausgefahren und voll eingefahren zu schalten, sondern auch mehr oder weniger Druck in die Druckkammern zu geben, um die Axialkolben in jede beliebige Position zwischen voll ausgefahren und voll eingefahren zu bringen.
Durch die Konstruktion nach Art eines Axialkolbenmotors ist die Drehung des Abtriebselements nicht begrenzt, im Gegensatz zu einer Antriebsvorrichtung, bei der eine axiale Bewegung direkt in eine Drehung umgesetzt wird und somit ein maximaler axialer Hub eine maximale Winkeldrehung bestimmt. Somit kann das Abtriebselement in beiden Drehrichtungen stufenlos gedreht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine Taumelscheibe umfassen. Die Taumelscheibe kann axial zwischen der Membran und dem Abtriebselement angeordnet sein. Durch eine Taumelbewegung der Taumelscheibe kann die in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran in eine Rotationsbewegung/Drehung des Abtriebselements umgesetzt werden. Die axiale Bewegung der Membran kann über Axialkolben/Stifte (des Axialkolbenmotors) auf die Taumelscheibe übertragen werden, wobei die Axialkolben jeweils von einem Druckraum axial verschoben werden und mit der Taumelscheibe axial gekoppelt/eingekoppelt sind. Insbesondere führt die Taumelscheibe eine Taumelbewegung aus, d. h. sie bewegt sich auf einer Kugeloberfläche, die durch die axiale Kolbenbewegung der mindestens drei Druckkammern angetrieben wird. Mit anderen Worten, die Taumelscheibe bildet bei der Umsetzung der in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierenden Axialbewegung der Membran in die Rotationsbewegung/Drehung des Abtriebselements um die Längsachse des Abtriebselements einen konstanten Taumelwinkel zur Längsachse des Abtriebselements, aber einen rotierenden Taumelwinkel um die Längsachse des Abtriebselements.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Taumelscheibe drehbar am Gehäuse befestigt und relativ zum Abtriebselement um eine Längsachse der Taumelscheibe (und/oder die Längsachse des Abtriebselements) drehbar sein. Ferner kann die Längsachse der Taumelscheibe vorzugsweise um 15° bis 25° zur Längsachse des Abtriebselementes geneigt sein. Dies gewährleistet eine ausreichende Kraftübertragung. Die Taumelscheibe kann beispielsweise über ein Wälzlager, wie ein Axialkugellager oder alternativ über ein Radialkugellager, drehbar am Abtriebselement gelagert sein. Alternativ kann die Taumelscheibe auch über ein Gleitlager drehbar am Abtriebselement gelagert sein. Die Taumelscheibe kann z.B. durch formschlüssigen Dreheingriff mit dem Gehäuse drehbar am Gehäuse befestigt sein, wie z.B. ein Vorsprung der Taumelscheibe, der in eine Nut des Gehäuses eingreift. Vorzugsweise kann eine Umfangserweiterung der Nut mit dem Vorsprung korrespondieren, um eine relative Drehung zwischen der Taumelscheibe und dem Gehäuse zu vermeiden. Ferner kann eine axiale Ausdehnung der Nut mindestens einem maximalen Hub/Axialbewegung der Membran entsprechen, um die Taumelbewegung der Taumelscheibe relativ zum Gehäuse zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Membran einen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen die Form eines (kreisförmigen) Rings hat, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die Membran erstreckt. Das heißt, die Membran ist nicht in einem zentralen Bereich ausgebildet, sondern umgibt diesen zentralen Bereich, vorzugsweise als Ring oder mehrere Ringabschnitte, oder alternativ in einer anderen Form. Der Ring bzw. die Ringabschnitte können vorzugsweise koaxial oder im Wesentlichen koaxial zur Längsachse des Abtriebselements verlaufen. Das heißt, dass der zentrale Bereich (in dem die Membran nicht ausgebildet ist) vorzugsweise mittig zur Antriebsvorrichtung bzw. mittig um die Längsachse des Abtriebselementes angeordnet sein kann. Auf diese Weise können Komponenten der Antriebsvorrichtung durch die Membran hindurchgeführt werden, insbesondere um Komponenten zu verbinden, die axial auf beiden Seiten der Membran angeordnet sind.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine Abtriebselementstange umfassen. Die Abtriebselementstange kann zumindest in der Drehrichtung (fest) mit dem Abtriebselement verbunden sein und sich axial durch das Durchgangsloch durch die Membran erstrecken. Dadurch, dass die Abtriebselementstange axial durch die Membran hindurchführt, kann die auf einer Seite der ersten Membran verursachte Bewegung des Abtriebselements auf eine andere Seite der ersten Membran übertragen werden. Dadurch ist es möglich, mehrere Antriebsvorrichtungen axial verschachtelt/hintereinander anzuordnen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung einen Positionssensor zur Erfassung einer Drehposition des Abtriebselements umfassen. Auf diese Weise kann - zusätzlich zur Rückmeldung über den anliegenden pneumatischen Druck - eine präzise Steuerung des Abtriebselements erreicht werden. Der Positionssensor kann als Abstandsmesser, insbesondere als Laser, ausgeführt sein. Solche Entfernungsmesser sind kostengünstig, kompakt und einfach zu steuern. Insbesondere kann der Positionssensor in Radialrichtung ausgerichtet sein, um einen radialen Abstand zum Abtriebselement zu erfassen. Da in der Antriebsvorrichtung mehr Platz für eine radiale Montage vorhanden ist (da die Membran axial angeordnet ist), kann eine geeignete Positionserfassung gewährleistet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Abtriebselement zumindest in einem axialen Abschnitt und zumindest in einem Umfangsabschnitt des Abtriebselements, vorzugsweise über den gesamten Umfang, einen sich in Umfangsrichtung ändernden, vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere streng monoton zunehmenden oder abnehmenden Durchmesser aufweisen. Insbesondere kann der axiale Abschnitt nockenförmig ausgebildet sein. Der sich in Umfangsrichtung ändernde Durchmesser des Abtriebselementes ermöglicht es, die Drehlage des Abtriebselementes anhand eines radial gemessenen Abstandes zum Durchmesser des Abtriebselementes zu bestimmen. Ferner kann der Umfangsabschnitt durch einen Bereich definiert sein, in dem das Abtriebselement gedreht wird. Ferner können der axiale Abschnitt und der Umfangsabschnitt durch einen Bereich definiert sein, in dem der Positionssensor angeordnet ist. So kann die Position in jeder möglichen Stellung des Abtriebselements erfasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Abtriebselement mindestens zwei Nocken aufweisen, wobei die Nocken jeweils zumindest in einem Umfangsabschnitt des jeweiligen Nockens, vorzugsweise über den gesamten Umfang, einen sich in Umfangsrichtung ändernden, vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere streng monoton zunehmenden oder abnehmenden Durchmesser aufweisen. Die Durchmesser der Nocken können so ausgebildet sein, dass die Drehposition des Abtriebselements durch den Positionssensor anhand gemessener Abstände zu den Durchmessern der Nocken (eindeutig) bestimmt werden kann. Da sich das Abtriebselement um mehr als 360° drehen kann, ist eine eindeutige Bestimmung der Drehposition mit nur einem sich in Umfangsrichtung ändernden Durchmesserabschnitt nur möglich, wenn das Abtriebselement über den Umfang stetig im Durchmesser zunimmt, z.B. von 0 auf 360°. Dies wäre jedoch nur möglich, wenn an der Stelle von 0° oder 360° ein Durchmessersprung erfolgt. Durch die beiden Nocken (mit jeweils im Wesentlichen eiförmigem Querschnitt) kann trotz zweier unterschiedlicher Drehpositionen an jedem Nocken, bei denen der radiale Abstand gleich ist, in Kombination mit dem radialen Abstand des jeweils anderen Nockens eine eindeutige Drehposition des Abtriebselements erkannt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine Druckregelung umfassen, um die Be- und Entlastung der mindestens drei Druckkammern und damit die Auslenkung der Membran (und damit die Drehung des Abtriebselements) zu steuern. Bei der Druckregelung kann es sich um einen offenen oder geschlossenen Regelkreis handeln. Ferner kann die Drucksteuerung so konfiguriert sein, dass sie die Auslenkung der Membran in Abhängigkeit von der vom Positionssensor erfassten Drehposition des Abtriebselements steuert. Der Druckregler kann durch radiale Zuführung in das Gehäuse mit den mindestens drei Druckkammern verbunden sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung gibt es ein Antriebssystem, das mindestens eine erste Antriebsvorrichtung und mindestens eine zweite Antriebsvorrichtung umfasst. Bei der ersten Antriebsvorrichtung kann es sich um eine Antriebsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt oder dem zweiten Aspekt der Offenbarung handeln. Bei der zweiten Antriebsvorrichtung kann es sich um eine Antriebsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt oder dem zweiten Aspekt der Offenbarung handeln. Das heißt, das Antriebssystem umfasst zwei Antriebsvorrichtungen, von denen beide als Antriebsvorrichtung zur rotatorischen Bewegung ausgebildet sein können, von denen beide als Antriebsvorrichtung zur translatorischen Bewegung ausgebildet sein können oder von denen eine als Antriebsvorrichtung zur translatorischen Bewegung und eine als Antriebsvorrichtung zur rotatorischen Bewegung ausgebildet sein kann. Mit anderen Worten können in dem offenbarungsgemäßen Antriebssystem die Antriebsvorrichtungen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Das Antriebssystem kann auch mehr als zwei Antriebsvorrichtungen aufweisen.
Gemäß dem dritten Aspekt weisen die Antriebsvorrichtungen eine gemeinsame Längsachse auf. Die gemeinsame Längsachse kann vorzugsweise mit der Längsachse des Kolbens und des Abtriebselements übereinstimmen. Ferner können die Kolbenstange und die Abtriebselementstange vorzugsweise radial verschachtelt angeordnet sein. Ferner können die Antriebsvorrichtungen vorzugsweise axial hintereinander angeordnet sein. Mit anderen Worten, wenn die erste Membran, die zweite Membran und die Membran als Ring ausgebildet sind, können mehrere Antriebsvorrichtungen axial hintereinander gekoppelt werden, wobei die Kolbenstange und die Abtriebselementstange radial verschachtelt sind und sich axial durch die erste Membran, die zweite Membran und die Membran erstrecken. So kann ein Instrument, das an einer ersten Seite einer der Antriebsvorrichtungen angeordnet ist, auch durch eine der Antriebsvorrichtungen betätigt werden, die an einer zweiten Seite der einen der Antriebsvorrichtungen angeordnet ist. Somit kann das Instrument auf mehr als eine Weise betätigt werden, indem mehrere Antriebsvorrichtungen vorgesehen werden.
Kurze Beschreibung der Zahlen

1 und 2 zeigen schematische Ansichten einer Antriebsvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung in zwei verschiedenen Positionen,
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Antriebsvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung,
4 und 5 zeigen schematische Ansichten zur Erläuterung eines Funktionsprinzips der Antriebsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt,
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebssystems, das eine Antriebsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung und eine Antriebsvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
1 und 2 zeigen schematische Ansichten einer Antriebsvorrichtung 2 gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Die Antriebsvorrichtung 2 ist eine pneumatische Antriebsvorrichtung zur translatorischen Bewegung einer Aktorwelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments.
Das medizinische Instrument kann die Aktorwelle und einen mit der Aktorwelle verbundenen Effektor umfassen. Die Translationsbewegung der Aktorwelle kann in eine Neigungsverstellung des Effektors oder in eine Öffnungs-/Schließbewegung des Effektors umgesetzt werden.
Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst ein Gehäuse 4. Das Gehäuse 4 kann vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch sein oder einen rohrförmigen Abschnitt aufweisen. Das Gehäuse 4 bzw. der rohrförmige Abschnitt des Gehäuses 4 kann eine Längsachse aufweisen, die einer Längsachse der Antriebsvorrichtung 2 entspricht. Im Folgenden wird unter einer Axialrichtung eine Richtung verstanden, die parallel zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 2 verläuft.
Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst einen Kolben 6. Der Kolben 6 ist in dem Gehäuse 4 entlang einer Längsachse des Kolbens 6/entlang einer Längsrichtung des Kolbens 6 verschiebbar/verschiebbar gelagert. Die Längsachse des Kolbens 6 kann mit der Längsachse der Antriebsvorrichtung 2 übereinstimmen. Das heißt, der Kolben 6 ist innerhalb des Gehäuses 4 axial beweglich. Eine Bewegung des Kolbens 6 ist (direkt/fest) mit einer Bewegung der Aktorwelle gekoppelt. Das heißt, die Bewegung des Kolbens 6 bewirkt die Bewegung der Aktorwelle.
Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst eine erste Membran 8. In der Ausführungsform ist die erste Membran 8 auf eine am Gehäuse 4 befestigte Platte 10 geklemmt/gespannt. An einer radial äußeren Seite ist die erste Membran 8 zwischen der Platte 10 und einer ersten Hülse 12 eingespannt. Die Platte 10 und die erste Hülse 12 können über eine Schnappverbindung miteinander verbunden sein. An einer radial inneren Seite wird die erste Membran 8 zwischen der Platte 10 und einer zweiten Hülse 14 eingeklemmt. Die Platte 10 und die zweite Hülse 14 können durch eine Schnappverbindung miteinander verbunden werden. Das heißt, die erste Membran 8 ist fest im Gehäuse 4 montiert.
Die erste Membran 8 begrenzt eine erste Druckkammer 16. Das heißt, die erste Druckkammer 16 ist von der ersten Membran 8 (und der Platte 10) gasdicht umgeben. Die erste Membran 8 kann vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaförmig dehnbar sein. Die erste Membran 8 kann durch Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer 16 (reversibel) axial ausgelenkt werden. Befindet sich keine Luft in der ersten Druckkammer 16, liegt die erste Membran 8 flach an der Platte 10 an. Durch Druckbeaufschlagung vergrößert sich der erste Druckraum 16, so dass die erste Membran 8 axial ausgelenkt wird (siehe 1). Durch Druckentlastung nimmt die erste Druckkammer 16 ab, so dass die erste Membran 8 in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt und sich axial zusammenzieht (siehe 2). Durch Erhöhung des Drucks in der ersten Druckkammer 16 wird die erste Membran 8 axial in Richtung des Kolbens 6 ausgelenkt/bewegt, d. h. zu einer ersten Seite in Axialrichtung (in den Figuren die rechte Seite). Wird der Druck in der ersten Druckkammer 16 verringert, schrumpft/bewegt sich die erste Membran 8 axial vom Kolben 6 weg, d. h. zu einer zweiten Seite in Axialrichtung (in den Abbildungen die linke Seite).
Die erste Membran 8 und der Kolben 6 sind so miteinander gekoppelt, dass eine axiale Bewegung der ersten Membran 8 (verursacht durch die Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer 16) in eine translatorische Bewegung/Verschiebung des Kolbens 6 entlang der Längsrichtung des Kolbens 6 umgewandelt wird, insbesondere durch Berühren/Drücken/Anschlagen des Kolbens 6/Ausüben einer Druckkraft auf den Kolben 6 zur ersten Seite in Axialrichtung.
Vorzugsweise können die erste Membran 8 und der Kolben 6 unverbunden sein. Das heißt, die erste Membran 8 ist nicht fest mit dem Kolben 6 verbunden, sondern liegt nur an diesem an. Beim Aufblasen der ersten Membran 8 drückt die erste Membran 8 den Kolben 6 in Axialrichtung auf die erste Seite. Beim Entleeren der ersten Membran 8 zieht die erste Membran 8 den Kolben 6 nicht in Axialrichtung zur zweiten Seite. Das heißt, die erste Membran 8 zieht sich zurück/bewegt sich rückwärts, ohne den Kolben 6 in Bewegung zu setzen.
Vorzugsweise kann die Antriebsvorrichtung 2 eine Kolbenstange 18 umfassen. Die Kolbenstange 18 kann zumindest in Axialrichtung (fest) mit dem Kolben 6 gekoppelt sein. Das heißt, die Bewegung des Kolbens 6 entlang der Längsachse des Kolbens 6 bewirkt eine axiale Bewegung der Kolbenstange 18. Die Kolbenstange 18 kann koaxial zur Längsachse des Kolbens 6 und/oder zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 2 angeordnet sein. Die Kolbenstange 18 kann als Hohlwelle oder als Vollwelle ausgebildet sein. Die Kolbenstange 18 kann vorzugsweise (direkt/fest) mit der Bewegung der Aktorwelle gekoppelt sein. Insbesondere kann die Kolbenstange 18 einstückig mit der Aktorwelle ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann die erste Membran 8 einen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen die Form eines (kreisförmigen) Rings hat, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die erste Membran 8 erstreckt. Die ringförmige erste Membran 8 kann vorzugsweise koaxial zur Längsachse des Kolbens 6 und/oder zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 2 verlaufen. Vorzugsweise kann sich die Kolbenstange 18 axial durch die Durchgangsbohrung durch die erste Membran 8 erstrecken. Das heißt, die Kolbenstange 18 kann radial innerhalb der ersten Membran 8 und/oder der zweiten Hülse 14 gelagert sein.
Die Antriebsvorrichtung 2 umfasst eine zweite Membran 20. Die zweite Membran 20 kann im Wesentlichen die gleiche Konfiguration wie die erste Membran 8 aufweisen. Die zweite Membran 20 kann vorzugsweise auf einer der ersten Membran 8 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 6 angeordnet sein. In der Ausführungsform wird die zweite Membran 20 auf eine am Gehäuse 4 befestigte Platte 22 geklemmt/gespannt. Auf einer radial äußeren Seite ist die erste Membran 8 zwischen der Platte 22 und der ersten Hülse 12 eingespannt. Die Platte 22 und die erste Hülse 12 können über eine Schnappverbindung miteinander verbunden sein. An einer radial inneren Seite ist die erste Membran 8 zwischen der Platte 20 und einer dritten Hülse 24 eingeklemmt. Die Platte 20 und die dritte Hülse 24 können durch eine Schnappverbindung miteinander verbunden werden. Das heißt, die zweite Membran 20 ist fest im Gehäuse 4 montiert.
Die zweite Membran 20 begrenzt eine zweite Druckkammer 26. Das heißt, die zweite Druckkammer 26 ist von der zweiten Membran 20 (und der Platte 20) gasdicht umgeben. Die zweite Membran 20 kann vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaförmig dehnbar sein. Die zweite Membran 20 kann durch Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer 26 (reversibel) axial ausgelenkt werden. Befindet sich keine Luft in der zweiten Druckkammer 26, liegt die zweite Membran 20 flach an der Platte 20 an. Durch Druckbeaufschlagung vergrößert sich der zweite Druckraum 26, so dass die zweite Membran 20 axial ausgelenkt wird (siehe ). Durch Druckentlastung nimmt die zweite Druckkammer 26 ab, so dass die zweite Membran 20 in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrt und sich axial zusammenzieht (siehe 1). Durch Erhöhung des Drucks in der zweiten Druckkammer 26 wird die zweite Membran 20 axial in Richtung des Kolbens 6 ausgelenkt/bewegt, d. h. zur zweiten Seite in Axialrichtung (in den Figuren die linke Seite). Durch Verringern des Drucks in der zweiten Druckkammer 26 schrumpft/bewegt sich die zweite Membran 20 axial vom Kolben 6 weg, d. h. zur ersten Seite in Axialrichtung (in den Figuren die rechte Seite).
Die zweite Membran 20 und der Kolben 6 sind so miteinander gekoppelt, dass eine axiale Bewegung der zweiten Membran 20 (verursacht durch die Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer 26) in eine translatorische Bewegung/Verschiebung des Kolbens 6 entlang der Längsrichtung des Kolbens 6 umgewandelt wird, insbesondere durch Berühren/Drücken/Anschlagen des Kolbens 6/Ausüben einer Druckkraft auf den Kolben 6 zur zweiten Seite in Axialrichtung.
Vorzugsweise können die zweite Membran 20 und der Kolben 6 unverbunden sein. Das heißt, die zweite Membran 20 ist nicht fest mit dem Kolben 6 verbunden, sondern liegt nur an diesem an. Beim Aufblasen der zweiten Membran 20 drückt die zweite Membran 20 den Kolben 6 in Axialrichtung auf die zweite Seite. Wenn die zweite Membran 20 entleert wird, zieht die zweite Membran 20 den Kolben 6 nicht in Axialrichtung zur ersten Seite. Das heißt, die zweite Membran 20 zieht sich zurück/bewegt sich rückwärts, ohne den Kolben 6 in Bewegung zu setzen.
Vorzugsweise kann die zweite Membran 20 einen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen die Form eines (kreisförmigen) Rings hat, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die zweite Membran 20 erstreckt. Die ringförmige zweite Membran 20 kann vorzugsweise koaxial zur Längsachse des Kolbens 6 und/oder zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 2 verlaufen. Vorzugsweise kann sich die Kolbenstange 18 axial durch die Durchgangsbohrung durch die zweite Membran 20 erstrecken. Das heißt, die Kolbenstange 18 kann radial innerhalb der zweiten Membran 20 und/oder der dritten Hülse 24 gelagert sein.
Vorzugsweise kann die Antriebsvorrichtung 2 einen Positionssensor 28 zur Erfassung einer translatorischen Position des Kolbens 6 umfassen. Der Positionssensor 28 kann fest an dem Gehäuse 4 (in der Ausführungsform an der ersten Hülse 12) angebracht sein. Der Positionssensor 28 kann als Abstandsmesser, insbesondere als Laser, ausgebildet sein. Ferner kann der Positionssensor 28 in Radialrichtung ausgerichtet sein, um einen radialen Abstand zum Kolben 6 zu erfassen. Alternativ, jedoch nicht dargestellt, kann der Positionssensor in Axialrichtung zur Erfassung eines axialen Abstands zum Kolben und damit zur direkten Erfassung der translatorischen Position des Kolbens ausgerichtet sein.
Vorzugsweise kann der Kolben 6 einen Erfassungsabschnitt 30 aufweisen, der von dem Positionssensor 28 erfasst wird. Der Erfassungsabschnitt 30 weist einen sich in Längsrichtung des Kolbens 6 ändernden Durchmesser auf. Insbesondere ist der Erfassungsabschnitt 30 konisch ausgebildet, so dass die translatorische Position des Kolbens 6 aus einem radialen Abstand zum Durchmesser (eindeutig) bestimmt werden kann. Der Erfassungsabschnitt 30 kann sich so erstrecken, dass der Positionssensor 28 den Erfassungsabschnitt 30 über einen gesamten Hub des Kolbens 6 erfassen kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung 52 gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Bei der Antriebsvorrichtung 52 handelt es sich um eine pneumatische Antriebsvorrichtung zur rotatorischen Bewegung einer Aktorwelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments.
Das medizinische Instrument kann die Aktorwelle und einen mit der Aktorwelle gekoppelten Effektor umfassen. Die Drehbewegung der Aktorwelle kann eine gewünschte Betätigung des medizinischen Instruments sein oder in eine Drehung des Effektors umgewandelt werden.
Die Antriebsvorrichtung 52 umfasst ein Gehäuse 54. Das Gehäuse 54 kann vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch sein oder einen rohrförmigen Abschnitt aufweisen. Das Gehäuse 54 bzw. der rohrförmige Abschnitt des Gehäuses 54 kann eine Längsachse aufweisen, die einer Längsachse der Antriebsvorrichtung 52 entspricht. Im Folgenden wird unter einer Axialrichtung eine Richtung verstanden, die parallel zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 52 verläuft.
Die Antriebsvorrichtung 52 umfasst ein Abtriebselement 56. Das Abtriebselement 56 ist um eine Längsachse des Abtriebselements 56 drehbar in dem Gehäuse gelagert. Die Längsachse des Abtriebselements 56 kann mit der Längsachse der Antriebsvorrichtung 52 übereinstimmen. Das heißt, das Abtriebselement 56 ist innerhalb des Gehäuses 54 drehbar gelagert, zum Beispiel über ein Wälzlager. Eine Bewegung des Abtriebselements 56 ist (direkt/fest) mit einer Bewegung der Aktorwelle gekoppelt. Das heißt, die Bewegung des Abtriebselements 56 bewirkt die Bewegung der Aktorwelle.
Die Antriebsvorrichtung 52 umfasst eine Membran 58. In der Ausführungsform ist die Membran 58 auf eine am Gehäuse 54 befestigte Platte 60 geklemmt/gespannt. An einer radial äußeren Seite ist die Membran 58 zwischen der Platte 60 und einer ersten Hülse 62 eingespannt. Die Platte 60 und die erste Hülse 62 können über eine Schnappverbindung miteinander verbunden sein. Auf einer radial inneren Seite ist die Membran 58 zwischen der Platte 60 und einer zweiten Hülse 64 eingeklemmt. Die Platte 60 und die zweite Hülse 64 können durch eine Schnappverbindung miteinander verbunden werden. Das heißt, die Membran 58 ist fest im Gehäuse 54 montiert.
Die Membran 58 definiert mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70. Das heißt, mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70 sind von der ersten Membran 58 (und der Platte 60) gasdicht umgeben. Die Membran 58 kann mehr als drei Druckkammern bilden, z. B. vier Druckkammern, fünf Druckkammern oder sechs Druckkammern. Die Membran 58 kann vorzugsweise elastisch dehnbar oder akkordeonartig ausdehnbar sein. Die mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70 sind so angeordnet, dass sie vorzugsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind. Das heißt, jede der Druckkammern 66, 68, 70 kann sich über einen Winkel/Bogenabschnitt von etwa 120° erstrecken (siehe 4 und 5).
Ein Funktionsprinzip der Membran 58 ist am besten in den 4 und 5 zu erkennen. Die Membran 58 wird durch Druckbeaufschlagung der jeweiligen Druckkammer 66, 68, 70 in einem Umfangsbereich der entsprechenden Druckkammer 66, 68, 70 (reversibel) axial auslenkbar gemacht. Durch Druckbeaufschlagung erhöht sich eine erste Druckkammer 66 der mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70, so dass die Membran 58 im Umfangsbereich der ersten Druckkammer 66 axial ausgelenkt wird. Durch Druckentlastung nimmt die erste Druckkammer 66 ab, so dass die Membran 58 in den ursprünglichen Zustand der Membran 58 zurückkehrt und sich im Umfangsbereich der ersten Druckkammer 66 axial zusammenzieht. Durch Druckbeaufschlagung erhöht sich eine zweite Druckkammer 68 der mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70, so dass die Membran 58 veranlasst wird, sich im Umfangsbereich der zweiten Druckkammer 68 axial auszulenken. Durch Druckentlastung verringert sich die zweite Druckkammer 68, so dass die Membran 58 in den ursprünglichen Zustand der Membran 58 zurückkehrt und sich im Umfangsbereich der zweiten Druckkammer 68 axial zusammenzieht. Durch Druckbeaufschlagung erhöht sich eine dritte Druckkammer 70 der mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70, so dass die Membran 58 im Umfangsbereich der dritten Druckkammer 70 axial ausgelenkt wird. Durch Druckentlastung verringert sich die dritte Druckkammer 70, so dass die Membran 58 in den ursprünglichen Zustand der Membran 58 zurückkehrt und sich im Umfangsbereich der dritten Druckkammer 70 axial zusammenzieht. Das heißt, die in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der jeweiligen Druckkammern 66, 68, 70 bewirkt eine in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran 58.
Die Membran 58 und das Abtriebselement 56 sind so miteinander gekoppelt, dass die in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran 58 (hervorgerufen durch eine in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der jeweiligen Druckkammern 66, 68, 70) über Axialkolben 71 übertragen und in eine Drehbewegung/Drehung des Abtriebselements 56 um die Längsachse des Abtriebselements 56 umgesetzt wird. Insbesondere wird die Axialbewegung der Membran 58 nach Art eines Axialkolbenmotors in die Drehbewegung des Abtriebselements 56 umgesetzt.
Vorzugsweise kann die Antriebsvorrichtung 52 eine Taumelscheibe 72 umfassen. Die Taumelscheibe 72 kann axial zwischen der Membran 58 und dem Abtriebselement 56 angeordnet sein. Eine Taumelbewegung der Taumelscheibe 72 kann die in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran 58 (über die Axialkolben 71) in die Drehbewegung/Drehung des Abtriebselements 56 umsetzen. Die Axialkolben 71 können axial in die Taumelscheibe 72 eingerastet und kugelgelagert an der Taumelscheibe 72 befestigt sein. Insbesondere führt die Taumelscheibe 72 eine Taumelbewegung aus, d. h. sie bewegt sich auf einer Kugeloberfläche, die durch die axiale Kolbenbewegung der mindestens drei Druckkammern 66, 68, 70 betätigt wird.
Vorzugsweise kann die Taumelscheibe 72 im Gehäuse 54 drehbar am Gehäuse 54 befestigt sein und relativ zum Abtriebselement 56 um eine Längsachse der Taumelscheibe 72 und/oder die Längsachse des Abtriebselements 56 drehbar sein. Ferner kann die Längsachse der Taumelscheibe 72 vorzugsweise um 15° bis 25°, vorzugsweise um etwa 20°, zur Längsachse des Abtriebselements 56 geneigt sein.
Die Taumelscheibe 72 kann beispielsweise über ein Wälzlager, wie ein Axialkugellager oder alternativ ein Radialkugellager, drehbar am Abtriebselement 56 befestigt sein. Alternativ kann die Taumelscheibe auch über ein Gleitlager drehbar am Abtriebselement befestigt sein.
Beispielsweise kann die Taumelscheibe 72 durch formschlüssigen Dreheingriff mit dem Gehäuse 54 drehbar am Gehäuse 54 befestigt sein, etwa indem ein Vorsprung 74 der Taumelscheibe 72 in eine Nut 76 des Gehäuses 54 oder der am Gehäuse 54 befestigten ersten Hülse 62 eingreift. Vorzugsweise kann eine Umfangserweiterung der Nut 76 dem Vorsprung 74 entsprechen. Ferner kann eine axiale Erstreckung der Nut 76 mindestens einem maximalen Hub/Axialbewegung der Membran 58 entsprechen.
Vorzugsweise können die Membran 58 und die Taumelscheibe 72 unverbunden sein. Das heißt, die Membran 58 ist nicht fest mit der Taumelscheibe 72 verbunden, sondern liegt nur an ihr an. Beim Aufblasen der Membrane 58 drückt die Membrane 58 (über die Axialkolben 71) die Taumelscheibe 72 in Axialrichtung auf eine zweite Seite im Umfang der jeweiligen Druckkammer 66, 68, 70, wodurch die Taumelscheibe 72 sich neigt/schräg stellt/ taumelt, was eine Drehung des Abtriebselements 56 um einen entsprechenden Winkelabschnitt bewirkt. Beim Entlüften der Membran 58 zieht die Membran 58 die Taumelscheibe 72 nicht zu einer ersten Seite in taumelt. Das heißt, die Membran 58 zieht sich zurück/bewegt sich rückwärts, ohne die Taumelscheibe 72 zu bewegen.
Vorzugsweise kann die Antriebsvorrichtung 52 eine Abtriebselementstange 78 umfassen. Die Abtriebselementstange 78 kann mit dem Abtriebselement 56 (fest) gekoppelt sein, zumindest in der Drehrichtung. Das heißt, die Drehung des Abtriebselements 56 um die Längsachse des Abtriebselements 56 bewirkt eine Drehung der Abtriebselementstange 78. Die Abtriebselementstange 78 kann koaxial zur Längsachse des Abtriebselements 56 und/oder zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 52 verlaufen. Die Abtriebselementstange 78 kann als Hohlwelle oder als Vollwelle ausgebildet sein. Die Abtriebselementstange 78 kann vorzugsweise (direkt/fest) mit der Bewegung der Aktorwelle gekoppelt sein. Insbesondere kann die Abtriebselementstange 78 einstückig mit der Aktorwelle ausgebildet sein.
Vorzugsweise kann die Membran 58 einen Querschnitt aufweisen, der im Wesentlichen die Form eines (kreisförmigen) Rings hat, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die Membran 58 erstreckt. Die ringförmige Membran 58 kann vorzugsweise koaxial zur Längsachse des Abtriebselements 56 und/oder zur Längsachse der Antriebsvorrichtung 52 verlaufen. Vorzugsweise kann sich der Abtriebselementstab 78 axial durch die Durchgangsbohrung durch die Membran 58 erstrecken. Das heißt, der Abtriebselementstab 78 kann radial innerhalb der Membran 58 und/oder der zweiten Hülse 64 gelagert sein.
Vorzugsweise kann die Antriebsvorrichtung 52 einen Positionssensor 80 zur Erfassung einer Drehposition des Abtriebselements 56 umfassen. Der Positionssensor 80 kann fest an dem Gehäuse 4 (in der Ausführungsform an der ersten Hülse 62) angebracht sein. Der Positionssensor 80 kann als Distanzmesser, insbesondere als Laser, ausgebildet sein. Ferner kann der Positionssensor 80 in Radialrichtung ausgerichtet sein, um einen radialen Abstand zu dem Abtriebselement 56 zu erfassen. In der Ausführungsform umfasst der Positionssensor 80 einen ersten Positionssensor 82 und einen zweiten Positionssensor 84.
Vorzugsweise kann das Abtriebselement 56 einen Erfassungsabschnitt 86 aufweisen, der von dem Positionssensor 80 erfasst wird. Der Erfassungsabschnitt 86 hat einen sich in Umfangsrichtung ändernden Durchmesser.
Insbesondere ist der Erfassungsabschnitt 86 nockenförmig ausgebildet, so dass die Drehstellung des Abtriebselements 56 aus einem radialen Abstand zum Durchmesser ermittelt werden kann. Der Erfassungsabschnitt 86 kann sich so erstrecken, dass der Positionssensor 82 den Erfassungsabschnitt 86 über einen gesamten Hub der Membran 58, also über einen gesamten Winkelverstellbereich des Abtriebselements 56, erfassen kann. In der Ausführungsform umfasst der Erfassungsabschnitt 86 einen ersten Nocken 88 und einen zweiten Nocken 90. Der erste Nocken 88 wird von dem ersten Positionssensor 82 und der zweite Nocken 90 von dem zweiten Positionssensor 84 detektiert. Die Durchmesser der Nocken 88, 90 können so ausgebildet sein, dass die Drehposition des Abtriebselements 56 von den Positionssensoren 82, 84 anhand gemessener Abstände zu den Durchmessern der Nocken 88, 90 eindeutig bestimmt werden kann.
6 zeigt eine schematische Ansicht eines Antriebssystems 100 gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung. Das Antriebssystem 100 umfasst mindestens eine erste Antriebsvorrichtung 102 und mindestens eine zweite Antriebsvorrichtung 104. Die erste Antriebsvorrichtung 102 kann als Antriebsvorrichtung 2 für eine translatorische Bewegung oder als Antriebsvorrichtung 52 für eine rotatorische Bewegung ausgebildet sein. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Antriebsvorrichtung 102 als Antriebsvorrichtung 2 ausgebildet. Die zweite Antriebsvorrichtung 104 kann als Antriebsvorrichtung 2 oder als Antriebsvorrichtung 52 ausgebildet sein. In der gezeigten Ausführungsform ist die zweite Antriebsvorrichtung 102 als Antriebsvorrichtung 52 ausgebildet. Das Antriebssystem 100 kann auch mehr als zwei Antriebsvorrichtungen aufweisen.
Die Antriebsvorrichtungen 102, 104 sind so angeordnet, dass sie eine gemeinsame Längsachse aufweisen. Die gemeinsame Längsachse kann vorzugsweise der Längsachse der Antriebsvorrichtungen 2, 52 und/oder der Längsachse des Kolbens 6 und des Abtriebselements 56 entsprechen.
Vorzugsweise können die Kolbenstange 18 und die Abtriebselementstange 78 radial verschachtelt angeordnet sein. In der Ausführungsform ist die Kolbenstange 18 als Hohlwelle ausgebildet, die die Abtriebselementstange 78 radial abstützt. Alternativ kann die Abtriebselementstange 78 auch als Hohlwelle ausgebildet sein, die die Kolbenstange 18 radial abstützt. Ferner können sowohl die Kolbenstange 18 als auch die Abtriebselementstange 78 als Hohlwellen ausgebildet sein.
Vorzugsweise können die Antriebsvorrichtungen 102, 104 axial hintereinander angeordnet sein. Das heißt, dass die erste Membran 8, die zweite Membran 20 und die Membran 50 als Ring ausgebildet sind, was es ermöglicht, mehrere Antriebsvorrichtungen axial hintereinander zu koppeln, wobei sich eine der Kolbenstange 18 und der Abtriebselementstange 78 oder beide/alle der Kolbenstange 18 und des Abtriebselements 78 axial durch die erste Membran 8, die zweite Membran 20 und/oder die Membran 58 erstrecken.

Claims

Pneumatische Antriebsvorrichtung (2) zur translatorischen Bewegung einer Aktorwelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments, mit einem Gehäuse (4), wobei das Gehäuse (4) vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch ist; einem Kolben (6), wobei der Kolben (6) in dem Gehäuse (4) so montiert ist, dass er entlang einer Längsachse des Kolbens (6) verschiebbar ist, wobei eine Bewegung des Kolbens (6) so konfiguriert ist, dass sie mit einer Bewegung der Aktorwelle gekoppelt ist; und einer ersten Membran (8), wobei die erste Membran (8) vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaartig ausdehnbar ist, wobei die erste Membran (8) fest im Gehäuse (4) montiert ist, einen ersten Druckraum (16) begrenzt und durch Druckbeaufschlagung des ersten Druckraums (16) axial auslenkbar ist, wobei die erste Membran (8) und der Kolben (6) so miteinander gekoppelt sind, dass eine axiale Bewegung der ersten Membran (8), die durch die Druckbeaufschlagung der ersten Druckkammer (16) verursacht wird, in eine translatorische Bewegung des Kolbens (6) entlang der Längsrichtung des Kolbens (6) umgewandelt wird.
Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (8) einen Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen als Ring geformt ist, wobei der Ring vorzugsweise koaxial zu einer Längsachse des Kolbens (6) ist, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die erste Membran (8) erstreckt; und die Antriebsvorrichtung (2) eine Kolbenstange (18) umfasst, wobei die Kolbenstange (18) mit dem Kolben (6) gekoppelt ist und sich axial durch das Durchgangsloch durch die erste Membran (8) erstreckt.
Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membran (8) und der Kolben (6) nicht miteinander verbunden sind; und die erste Membran (8), wenn die erste Membran (8) ausgelenkt wird, den Kolben (6) berührt, um den Kolben (6) zu einer ersten Seite in der Längsrichtung des Kolbens (6) zu drücken.
Antriebsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (2) eine zweite Membran (20) aufweist, wobei die zweite Membran (20) vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaartig ausdehnbar ist, wobei die zweite Membran (20) fest im Gehäuse (4) gelagert ist, einen zweiten Druckraum (26) begrenzt und durch Druckbeaufschlagung des zweiten Druckraums (26) axial auslenkbar ist; und die zweite Membran (20) und der Kolben (6) so miteinander gekoppelt sind, dass eine durch Druckbeaufschlagung der zweiten Druckkammer (26) hervorgerufene axiale Bewegung der zweiten Membran (20) in eine translatorische Bewegung des Kolbens (6) entlang der Längsrichtung des Kolbens (6) umgesetzt wird, wobei die zweite Membran (20) vorzugsweise auf einer der ersten Membran (8) gegenüberliegenden Seite des Kolbens (6) angeordnet ist.
Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Membran (20) und der Kolben (6) nicht miteinander verbunden sind; und die zweite Membran (20), wenn die zweite Membran (20) ausgelenkt wird, den Kolben (6) berührt, um den Kolben (6) in eine Längsrichtung des Kolbens (6) zu drücken, die der ersten Seite in der Längsrichtung des Kolbens (6) entgegengesetzt ist.
Antriebsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (2) einen Positionssensor (28) zur Erfassung einer translatorischen Position des Kolbens (6) umfasst.
Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (6) zumindest in einem axialen Abschnitt (30) und zumindest in einem Umfangsabschnitt (30) des Kolbens (6) einen Durchmesser aufweist, der sich in Längsrichtung des Kolbens (6) vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere streng monoton zu- oder abnehmend, verändert.
Pneumatische Antriebsvorrichtung (52) zur rotatorischen Bewegung einer Aktorwelle eines medizinischen Instruments, insbesondere eines minimalinvasiven Instruments, mit einem Gehäuse (54), wobei das Gehäuse (54) vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch ist; einem Abtriebselement (56), wobei das Abtriebselement (56) in dem Gehäuse (54) so montiert ist, dass es um eine Längsachse des Abtriebselements (56) drehbar ist, wobei eine Bewegung des Abtriebselements (56) so konfiguriert ist, dass sie mit einer Bewegung der Aktorwelle gekoppelt ist; und einer Membran (58), wobei die Membran (58) vorzugsweise elastisch dehnbar oder ziehharmonikaartig ausdehnbar ist, die Membran (58) fest im Gehäuse (54) gelagert ist, mindestens drei Druckkammern (66, 68, 70) definiert, die vorzugsweise gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, und durch Druckbeaufschlagung der jeweiligen Druckkammer (66, 68, 70) in einem Umfangsbereich der entsprechenden Druckkammer (66, 68, 70) axial auslenkbar ist, wobei die Membran (58) und das Abtriebselement (56) so miteinander gekoppelt sind, dass eine in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran (58), die durch eine in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der jeweiligen Druckkammern (66, 68, 70) verursacht wird, in eine Drehbewegung des Abtriebselements (56) um die Längsachse des Abtriebselements (56) umgesetzt wird.
Antriebsvorrichtung (52) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (52) eine Taumelscheibe (72) aufweist, wobei die Taumelscheibe (72) axial zwischen der Membran (58) und dem Abtriebselement (56) angeordnet ist, wobei eine Taumelbewegung der Taumelscheibe (72) die in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran (58), insbesondere die in Umfangsrichtung abschnittsweise oszillierende Axialbewegung der Membran (58), die über Axialkolben (71) auf die Taumelscheibe (72) übertragen wird, in die Rotationsbewegung des Abtriebselements (56) umsetzt.
Antriebsvorrichtung (52) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (72) im Gehäuse (54) drehbar am Gehäuse (54) befestigt und relativ zum Abtriebselement (56) um eine Längsachse der Taumelscheibe (72) drehbar gelagert ist, wobei die Längsachse der Taumelscheibe (72) vorzugsweise um 15° bis 25° zur Längsachse des Abtriebselements (56) geneigt ist.
Antriebsvorrichtung (52) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (58) einen Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen als Ring geformt ist, wobei der Ring vorzugsweise koaxial zur Längsachse des Abtriebselements (56) ist, so dass sich ein Durchgangsloch axial durch die Membran (58) erstreckt; und die Antriebsvorrichtung (52) eine Abtriebselementstange (78) umfasst, wobei die Abtriebselementstange (78) mit dem Abtriebselement (56) gekoppelt ist und sich axial durch das Durchgangsloch durch die Membran (58) erstreckt.
Antriebsvorrichtung (52) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung (52) einen Positionssensor (80, 82, 84) zur Erfassung einer Drehposition des Abtriebselements (56) umfasst.
Antriebsvorrichtung (52) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (56) zumindest in einem axialen Abschnitt (86, 88, 90) und zumindest in einem Umfangsabschnitt (86, 88, 90) des Abtriebselements (56) einen Durchmesser aufweist, der sich in Umfangsrichtung vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere streng monoton zu- oder abnehmend, verändert.
Antriebsvorrichtung (52) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (56) mindestens zwei Nocken (88, 90) aufweist, wobei die Nocken (88, 90) jeweils zumindest in einem Umfangsabschnitt des jeweiligen Nockens einen sich in Umfangsrichtung ändernden, vorzugsweise kontinuierlich, insbesondere streng monoton zunehmenden oder abnehmenden Durchmesser aufweisen; und die Durchmesser der Nocken (88, 90) so ausgebildet sind, dass die Drehstellung des Abtriebselements (56) durch den Positionssensor (80, 82, 84) anhand gemessener Abstände zu den Durchmessern der Nocken (88, 90) ermittelt werden kann.
Antriebssystem (100), mit mindestens einer ersten Antriebsvorrichtung (2, 52, 102) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 8 bis 13; und mindestens einer zweiten Antriebsvorrichtung (2, 52, 204) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 8 bis 13; die Antriebsvorrichtungen (2, 52, 102, 104) eine gemeinsame Längsachse aufweisen, wobei die gemeinsame Längsachse vorzugsweise der Längsachse des Kolbens (6) und des Abtriebselements (56) entspricht, wobei die Kolbenstange (18) und die Stange des Abtriebselements (78) vorzugsweise radial verschachtelt angeordnet sind.