DE102022134199A1

DE102022134199A1 - Steering gear for a surgical instrument and surgical instrument equipped therewith

Info

Publication number: DE102022134199A1
Application number: DE102022134199.2A
Authority: DE
Inventors: Sven Grüner
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-06-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Lenkgetriebe (10) für ein chirurgisches Instrument (1) bereit, wobei das Lenkgetriebe (10) eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe (8) aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle (19) verbunden ist, die eine Hauptachse (A) definiert. Die Taumelscheibe (8), die um ein Schwenkzentrum (ZT), das auf der Hauptachse (A) liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse (A) verschwenkbar ist, ist durch einen Hebelabschnitt (8b) mit einem kugelförmigen Abschnitt (8a) verbunden, wobei ein Zentrum (ZK) des kugelförmigen Abschnitts (8a) von dem Schwenkzentrum (ZT) der Taumelscheibe (8) beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe (8) orthogonale Taumelscheibenachse (T) durch das Schwenkzentrum (ZT) und das Zentrum (ZK) des kugelförmigen Abschnitts (8a) verläuft. Dabei weist das Lenkgetriebe (10) ein zylindrisches Hülsenelement (9) auf, in dem der kugelförmige Abschnitt (8a) aufgenommen ist, wobei das Hülsenelement (9) mit einer Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes (10) räumlich ausrichtbar ist. Ferner wird ein chirurgisches Instrument (1) offenbart, das mit diesem Lenkgetriebe (10) ausgestattet ist.The present invention provides a steering gear (10) for a surgical instrument (1), the steering gear (10) having a spatially alignable swash plate (8) which is articulated to a main shaft (19) defining a main axis (A). The swash plate (8), which is pivotable about a pivot center (ZT) located on the main axis (A) in two directions orthogonal to the main axis (A), is connected to a spherical portion (8a) by a lever portion (8b), a center (ZK) of the spherical portion (8a) being spaced from the pivot center (ZT) of the swash plate (8) and a swash plate axis (T) orthogonal to the swash plate (8) running through the pivot center (ZT) and the center (ZK) of the spherical portion (8a). The steering gear (10) has a cylindrical sleeve element (9) in which the spherical section (8a) is accommodated, wherein the sleeve element (9) can be spatially aligned with a drive device of the steering gear (10). Furthermore, a surgical instrument (1) is disclosed which is equipped with this steering gear (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines chirurgischen Instruments sowie ein chirurgisches Instrument, das ein solches Lenkgetriebe aufweist.The invention relates to a steering gear of a surgical instrument and to a surgical instrument having such a steering gear.

Aus dem Stand der Technik sind chirurgische Instrumente bekannt, die mittels einer Handhabe manuell oder von einem Roboter geführt werden können und am distalen Ende eines länglichen Schafts ein Werkzeug aufweisen, das durch eine Abwinkelungsmechanik aus mehreren ineinandergreifenden Schwenkgliedern gegenüber dem Schaft, der eine Hauptachse definiert, verschwenkt werden kann. Diese Schwenkglieder sind mit einer Vielzahl Lenkdrähte oder -seile verbunden, um eine feinfühlige Steuerung der Werkzeugspitze zu erreichen. Zur Betätigung können die Lenkdrähte an einer kardanisch gelagerten Taumelscheibe befestigt sein, die sich durch ein Lenkgetriebe räumlich ausrichten lässt.Surgical instruments are known from the prior art that can be guided manually or by a robot using a handle and have a tool at the distal end of an elongated shaft that can be pivoted relative to the shaft, which defines a main axis, by means of an angular movement mechanism consisting of several interlocking pivoting members. These pivoting members are connected to a large number of steering wires or cables in order to achieve sensitive control of the tool tip. For actuation, the steering wires can be attached to a gimbal-mounted swash plate that can be spatially aligned using a steering gear.

Aus US 10,105,128 B2 ist bekannt, eine über Lenkdrähte mit einer Abwinkelungsmechanik verbundene kardanisch gelagerte Taumelscheibe mit zwei parallelen Stangen zu betätigen. Dazu weisen die Stangen an einem Ende eine Kugelpfanne zur Aufnahme eines mit der Taumelscheibe gekoppelten Kugelelements auf. An ihrem anderen Ende sind diese Kugelgelenkstangen über Drehgelenke mit jeweils einem durch ein Antriebszahnrad betätigten Zahnradquadranten verbunden, um die Kugelgelenkstangen zur Ausrichtung der Taumelscheibe linear vor und zurück zu bewegen. Das Zentrum der kardanischen Lagerung zur Verkippung der Taumelscheibe ist hierbei zwar eindeutig definiert, allerdings ist die Taumelscheibenansteuerung mit Kugelgelenkstangen nicht sonderlich direkt, sondern spielbehaftet und weist einen ungünstigen Kraftfluss auf. Ferner benötigt die aufwändige Konstruktion, die dabei keine Rotation der Taumelscheibe um die Schaftachse ermöglicht, präzise gefertigte Bauteile, die mit entsprechenden Kosten verbunden sind.Out of US10,105,128 B2 It is known to operate a gimbal-mounted swashplate connected to a deflection mechanism via steering wires using two parallel rods. For this purpose, the rods have a ball socket at one end to accommodate a ball element coupled to the swashplate. At their other end, these ball joint rods are connected via swivel joints to a gear quadrant each operated by a drive gear in order to move the ball joint rods linearly back and forth to align the swashplate. The center of the gimbal bearing for tilting the swashplate is clearly defined, but the swashplate control with ball joint rods is not particularly direct, but rather subject to play and has an unfavorable flow of force. Furthermore, the complex construction, which does not allow the swashplate to rotate around the shaft axis, requires precisely manufactured components, which is associated with corresponding costs.

Ein Lenkgetriebe mit einer Taumelscheibe, die nicht nur räumlich ausgerichtet, sondern auch um die Schaftachse rotieren kann, wird in DE 10 2019 121 092 A1 offenbart. Die Taumelscheibe ist mittels einer Kreuzgelenkscheibe und zweier orthogonaler Achspaare kardanisch mit einer drehbaren Hauptwelle verbunden und kann daher mit der Hauptwelle um die Schaftachse rotiert werden. Zur räumlichen Ausrichtung der Taumelscheibe wird ein Differentialgetriebe mit zwei gegenüberliegenden Antriebskegelrädern und einem Abtriebskegelrad einsetzt, das mit den Antriebskegelrädern in Eingriff steht und mit der Taumelscheibe gekoppelt ist. Dazu ist die Taumelscheibe drehbar in einem Lenkring gelagert, der mit dem Abtriebskegelrad drehfest verbunden ist. Auf diese Weise werden die Stellwinkel der Antriebe direkt auf die Taumelscheibe übertragen, um die Werkzeugspitze entsprechend auszurichten bzw. abzuwinkeln.A steering gear with a swash plate that can not only be aligned spatially but also rotate around the shaft axis is used in EN 10 2019 121 092 A1 disclosed. The swash plate is connected to a rotating main shaft by means of a universal joint and two orthogonal pairs of axes and can therefore be rotated with the main shaft around the shaft axis. A differential gear with two opposing drive bevel gears and an output bevel gear that meshes with the drive bevel gears and is coupled to the swash plate is used to spatially align the swash plate. For this purpose, the swash plate is rotatably mounted in a steering ring that is connected to the output bevel gear in a rotationally fixed manner. In this way, the setting angles of the drives are transferred directly to the swash plate in order to align or angle the tool tip accordingly.

Nachteilig ist, dass diese Taumelscheiben-Ansteuerung statisch überdefiniert ist, was problematisch wird, sobald das Schwenkzentrum des Lenkrings, das durch die Achsen der Kegelräder des Differentialgetriebes definiert wird, und das Schwenkzentrum der Taumelscheibe, das durch die kardanische Lagerung auf der Hauptwelle definiert wird, nicht exakt deckungsgleich sind, beispielsweise durch Fertigungsabweichungen. Je nach Größe des Versatzes zwischen den Schwenkzentren führt dies zum Verkanten oder lokalen Blockaden, zu deren Überwindung hohe Momente durch die Antriebe aufzubringen sind, wodurch Bauteile verformt, belastet und möglicherweise beschädigt werden können. Außerdem leidet die Präzision der Ansteuerung, da sich die Schwenkbewegungen von Lenkring und Taumelscheibe undefiniert überlagern, und manche Schwenkwinkel werden gegebenenfalls nicht mehr erreicht.The disadvantage is that this swashplate control is statically overdefined, which becomes problematic as soon as the swivel center of the steering ring, which is defined by the axes of the bevel gears of the differential gear, and the swivel center of the swashplate, which is defined by the cardanic bearing on the main shaft, do not exactly coincide, for example due to manufacturing deviations. Depending on the size of the offset between the swivel centers, this leads to tilting or local blockages, which require high torques to be applied by the drives to overcome, which can deform, stress and possibly damage components. In addition, the precision of the control suffers because the swivel movements of the steering ring and swashplate overlap in an undefined way, and some swivel angles may no longer be achieved.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Lenkgetriebe mit einer ausrichtbaren Taumelscheibe für ein chirurgisches Instrument bereitzustellen.Based on this prior art, it is the object of the present invention to provide an improved steering gear with an adjustable swash plate for a surgical instrument.

Diese Aufgabe wird durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a steering gear having the features of claim 1.

Die weitere Aufgabe, ein chirurgisches Instrument mit einem verbesserten Lenkgetriebe bereitzustellen, wird durch das chirurgische Instrument mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 gelöst.The further object of providing a surgical instrument with an improved steering gear is achieved by the surgical instrument with the features of independent claim 11.

Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.Further developments or preferred embodiments are set out in the subclaims.

Gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes, das für ein chirurgisches Instrument ausgebildet ist, weist das Lenkgetriebe eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe auf, die gelenkig mit einer Hauptwelle verbunden ist. Die Hauptwelle definiert eine Hauptachse A, wobei die Taumelscheibe um ein Schwenkzentrum Z_T, das auf der Hauptachse A liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse A verschwenkbar ist. Erfindungsgemäß ist dabei die Taumelscheibe durch einen Hebelabschnitt mit einem kugelförmigen Abschnitt verbunden, wobei ein Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts von dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe orthogonale Taumelscheibenachse T durch das Schwenkzentrum Z_T und das Kugelzentrum Z_K verläuft. Ferner weist das Lenkgetriebe ein zylindrisches Hülsenelement auf, in dem der kugelförmige Abschnitt aufgenommen ist. Dabei ist das Hülsenelement mit einer Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes räumlich ausrichtbar, sodass die Taumelscheibe über den kugelförmigen Abschnitt durch das Hülsenelement verschwenkt werden kann.According to a first embodiment of the steering gear according to the invention, which is designed for a surgical instrument, the steering gear has a spatially alignable swash plate which is connected in an articulated manner to a main shaft. The main shaft defines a main axis A, wherein the swash plate can be pivoted about a pivot center Z _T which lies on the main axis A in two directions orthogonal to the main axis A. According to the invention, the swash plate is connected to a spherical section by a lever section, wherein a center Z _K of the spherical section is spaced from the pivot center Z _T of the swash plate and a swash plate axis T orthogonal to the swash plate runs through the pivot center Z _T and the spherical center Z _K. Furthermore, the steering gear has drives a cylindrical sleeve element in which the spherical section is accommodated. The sleeve element can be spatially aligned with a drive device of the steering gear so that the swash plate can be pivoted over the spherical section by the sleeve element.

Auf diese Weise können die Probleme vermieden werden, die im Stand der Technik durch einen fertigungsbedingten Versatz zwischen dem Schwenkzentrum der Taumelscheibe und einem Schwenkzentrum einer Antriebsvorrichtung wie dem Differentialgetriebe entstehen. D. h., dass das erfindungsgemäße Lenkgetriebe das Auftreten von verkanteten oder blockierten Antriebsbauteilen verhindert, sodass diese Antriebsbauteile weniger belastet und Verformungen oder Beschädigungen vermieden werden. Präzision der Ansteuerung und Bewegungsausmaß werden durch einen fertigungsbedingten Versatz zwischen den Schwenkzentren weniger oder nicht beeinträchtigt.In this way, the problems that arise in the prior art due to a manufacturing-related offset between the pivot center of the swash plate and a pivot center of a drive device such as the differential gear can be avoided. This means that the steering gear according to the invention prevents the occurrence of tilted or blocked drive components, so that these drive components are subjected to less stress and deformation or damage is avoided. The precision of the control and the extent of movement are less or not at all affected by a manufacturing-related offset between the pivot centers.

Als „kugelförmig“ werden vorliegend sämtliche Formen verstanden, deren Oberfläche zumindest teilweise Kugelform aufweist. D. h., dass der kugelförmige Abschnitt, der über den zur Taumelscheibenachse T koaxialen Hebelabschnitt mit der Taumelscheibe verbunden ist, die Form einer Kugel, eines Kugelabschnitts oder einer Kugelscheibe haben kann. Das Zentrum des kugelförmigen Abschnitts, der die Form einer Kugel hat, entspricht dem Mittelpunkt der Kugel. Bei einem kugelförmigen Abschnitt in Form eines Kugelabschnitts oder einer Kugelscheibe entspricht das Zentrum dem Mittelpunkt einer Kugel, die aus dem Kugelabschnitt bzw. der Kugelscheibe ergänzt werden kann. Als Hülsenelement wird ein röhrenförmiges, hohlzylindrisches Bauteil verstanden, das einen kreiszylindrischen Aufnahmeraum begrenzt, der zumindest an einem Ende (an einer Grundseite des Zylinders) zur beweglichen Aufnahme des kugelförmigen Abschnitts geöffnet ist.In this case, “spherical” is understood to mean all shapes whose surface is at least partially spherical. This means that the spherical section, which is connected to the swash plate via the lever section coaxial with the swash plate axis T, can have the shape of a sphere, a spherical section or a spherical disk. The center of the spherical section, which has the shape of a sphere, corresponds to the center of the sphere. In the case of a spherical section in the form of a spherical section or a spherical disk, the center corresponds to the center of a sphere, which can be supplemented by the spherical section or the spherical disk. A sleeve element is understood to be a tubular, hollow cylindrical component that delimits a circular cylindrical receiving space that is open at least at one end (on a base side of the cylinder) for the movable reception of the spherical section.

Die gelenkige Verbindung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle sorgt für eine eindeutige Positionierung des Schwenkzentrums Z_T der Taumelscheibe auf der Hauptachse A. In Neutralstellung der Taumelscheibe, in der die Scheibenebene orthogonal zu der Hauptachse A steht, sind die Taumelscheibenachse T und die Hauptachse A deckungsgleich. Die Anzahl der Freiheitsgrade der in zwei Richtungen bzw. um zwei Drehachsen orthogonal zu der Hauptachse A verschwenkbaren Taumelscheibe richtet sich nach der Art der gelenkigen Verbindung mit der Hauptwelle: Stellt die gelenkige Verbindung auch eine rotative Kopplung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle bereit, sodass die Taumelscheibe mit der um die Hauptachse A rotierenden Hauptwelle drehen kann, hat die Taumelscheibe drei rotative Freiheiten, und ohne rotative Kopplung demnach zwei.The articulated connection of the swashplate to the main shaft ensures that the swivel center Z _T of the swashplate is clearly positioned on the main axis A. In the neutral position of the swashplate, in which the disk plane is orthogonal to the main axis A, the swashplate axis T and the main axis A are congruent. The number of degrees of freedom of the swashplate, which can be swiveled in two directions or about two axes of rotation orthogonal to the main axis A, depends on the type of articulated connection to the main shaft: If the articulated connection also provides a rotational coupling of the swashplate to the main shaft, so that the swashplate can rotate with the main shaft rotating about the main axis A, the swashplate has three rotational freedoms, and without a rotational coupling it has two.

Daher bezieht sich eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes darauf, dass die Hauptwelle drehbar angetrieben ist, und die gelenkig verbundene Taumelscheibe rotativ mit der Hauptwelle gekoppelt ist, sodass die Taumelscheibe mit der Hauptwelle rotiert werden kann.Therefore, a further embodiment of the steering gear according to the invention relates to the main shaft being rotatably driven and the articulated swash plate being rotationally coupled to the main shaft so that the swash plate can be rotated with the main shaft.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes ist die Taumelscheibe mit dem Hebelabschnitt und dem kugelförmigen Abschnitt einstückig gefertigt. According to a further embodiment of the steering gear according to the invention, the swash plate is manufactured in one piece with the lever section and the spherical section.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes bezieht sich darauf, dass die Taumelscheibe eine Aufnahmeöffnung aufweist, in der ein Kopplungsabschnitt der Hauptwelle angeordnet ist, an dem die Taumelscheibe gelenkig mit der Hauptwelle verbunden wird. Dabei ist zur Bildung eines Kreuzgelenks eine Kreuzgelenkscheibe vorgesehen, die in der Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe angeordnet ist und eine Scheibenöffnung aufweist, in der der Kopplungsabschnitt der Hauptwelle angeordnet ist. Die Kreuzgelenkscheibe ist über zwei orthogonale Achspaare mit der Taumelscheibe und der Hauptwelle schwenkbar verbunden, wobei der Schnittpunkt der beiden Achspaare das Schwenkzentrum Z_T der so kardanisch gelagerten Taumelscheibe definiert. Vorteilhaft stellt das Kreuzgelenk auch eine rotative Kopplung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle bereit.A further embodiment of the steering gear according to the invention relates to the swash plate having a receiving opening in which a coupling section of the main shaft is arranged, to which the swash plate is connected in an articulated manner to the main shaft. In this case, a universal joint disc is provided to form a universal joint, which is arranged in the receiving opening of the swash plate and has a disc opening in which the coupling section of the main shaft is arranged. The universal joint disc is pivotally connected to the swash plate and the main shaft via two orthogonal pairs of axes, the intersection point of the two pairs of axes defining the pivot center Z _T of the swash plate thus mounted in a gimbal. The universal joint also advantageously provides a rotational coupling of the swash plate to the main shaft.

Alternativ zum Kreuzgelenk kann die gelenkige Verbindung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle auch durch eine Art Kugelgelenk oder ein anderes Gelenk bereitgestellt werden, das eine kardanische Lagerung der Taumelscheibe, d. h. ein Verschwenken der Taumelscheibe gegenüber der Hauptwelle um zwei zur Hautachse A orthogonale Drehachsen ermöglicht. So kann nach einer weiteren Ausführungsform die gelenkige Verbindung als Kugelgelenk ausgeführt sein, wobei der Kopplungsabschnitt der Hauptwelle Kugelform aufweist und die Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe eine an den kugelförmigen Kopplungsabschnitt zumindest teilweise angepasste Kugelinnenkontur aufweist, und quasi als eine umfängliche Kugelscheibenpfanne ausgebildet ist. Das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe wird hier durch den Mittelpunkt der Kugelform des Kopplungsabschnitts definiert.As an alternative to the universal joint, the articulated connection of the swash plate to the main shaft can also be provided by a type of ball joint or another joint that enables a cardanic mounting of the swash plate, i.e. pivoting of the swash plate relative to the main shaft about two axes of rotation orthogonal to the main axis A. According to a further embodiment, the articulated connection can be designed as a ball joint, wherein the coupling section of the main shaft has a spherical shape and the receiving opening of the swash plate has an inner spherical contour that is at least partially adapted to the spherical coupling section, and is designed as a circumferential spherical disk socket. The pivot center Z _T of the swash plate is defined here by the center of the spherical shape of the coupling section.

Eine weitere alternative gelenkige Verbindung kann in einer weiteren Ausführungsform vorsehen, dass die Hauptwelle an dem Kopplungsabschnitt, der Kugelform aufweist, zwei diametrale, sich in Längsrichtung erstreckende Führungsnuten aufweist. In jede Führungsnut greift ein radial in der Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe nach innen weisender Stift ein, wobei die Stifte gleichlang und die Führungsnuten gleich tief sind. Die Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe weist eine zumindest teilweise an die Kugelform des Kopplungsabschnitts angepasste Kugelinnenkontur auf, sodass die in der Aufnahmeöffnung radial nach innen weisenden Stifte in den Führungsnuten beim Verschwenken um die Achse quer zur Hauptachse A einer Kreisbahn folgen. Somit kann sich die Taumelscheibe um die Stiftachse und um eine zu den Führungsnuten orthogonale Achse quer zur Hauptachse A drehen, da die Stifte in die Führungsnuten gekippt werden können. Das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe wird durch den Schnittpunkt der Stiftachse mit der Hauptachse A definiert. Außerdem wird durch den Eingriff der Stifte in die Führungsnuten eine rotative Kopplung bereitgestellt.Another alternative articulated connection can provide in a further embodiment that the main shaft has two diametrical guide grooves extending in the longitudinal direction on the coupling section, which has a spherical shape. A pin pointing radially inwards in the receiving opening of the swash plate engages in each guide groove, the pins being of the same length and the guide grooves being of the same depth. The receiving opening The swash plate has an inner spherical contour that is at least partially adapted to the spherical shape of the coupling section, so that the pins pointing radially inwards in the receiving opening follow a circular path in the guide grooves when pivoting about the axis transverse to the main axis A. The swash plate can therefore rotate about the pin axis and about an axis orthogonal to the guide grooves transverse to the main axis A, since the pins can be tilted into the guide grooves. The pivot center Z _T of the swash plate is defined by the intersection point of the pin axis with the main axis A. In addition, a rotary coupling is provided by the engagement of the pins in the guide grooves.

Ferner kann nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes die Aufnahmeöffnung der Taumelscheibe unabhängig von der Ausführung der gelenkigen Verbindung als Durchtrittsöffnung ausgebildet sein, die sich durch die Taumelscheibe, den Hebelabschnitt und den kugelförmigen Abschnitt erstreckt, sodass die Hauptwelle auch durch den Hebelabschnitt und den kugelförmigen Abschnitt geführt werden kann. Auf diese Weise kann die Hauptwelle beidseitig der Taumelscheibe im Gehäuse des Lenkgetriebes gelagert werden. Ferner kann sich dann eine Betätigungsstange zur Betätigung eines Werkzeugs an der distalen Spitze des chirurgischen Instruments durch eine hohl ausgeführte Hauptwelle erstrecken, um mit einem weiteren Betätigungsantrieb verbunden zu werden.Furthermore, according to a further embodiment of the steering gear according to the invention, the receiving opening of the swash plate can be designed as a passage opening, regardless of the design of the articulated connection, which extends through the swash plate, the lever section and the spherical section, so that the main shaft can also be guided through the lever section and the spherical section. In this way, the main shaft can be mounted on both sides of the swash plate in the housing of the steering gear. Furthermore, an actuating rod for actuating a tool at the distal tip of the surgical instrument can then extend through a hollow main shaft in order to be connected to a further actuating drive.

Nach einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes kann die Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes zur Bewegung des Hülsenelements, das eine Hülsenachse H definiert, ein Differentialgetriebe mit zwei Antriebskegelrädern und einem Abtriebskegelrad sein. Das Abtriebskegelrad steht mit den beiden Antriebskegelrädem in Eingriff und ist drehfest mit einem Lenkring verbunden, in dem der mit der Taumelscheibe verbundene kugelförmige Abschnitt über ein Wälzlager drehbar gelagert ist. Vorteilhaft stellt hierbei der Innenring des Wälzlagers das Hülsenelement bereit, das mit dem Lenkring um ein Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes verschwenkbar ist.According to a further preferred embodiment of the steering gear according to the invention, the drive device of the steering gear for moving the sleeve element, which defines a sleeve axis H, can be a differential gear with two drive bevel gears and an output bevel gear. The output bevel gear is in engagement with the two drive bevel gears and is connected in a rotationally fixed manner to a steering ring in which the spherical section connected to the swash plate is rotatably mounted via a rolling bearing. The inner ring of the rolling bearing advantageously provides the sleeve element, which can be pivoted with the steering ring about a pivot center Z _D of the differential gear.

Dieses Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes wird durch den Schnittpunkt der gemeinsamen Antriebsachse der beiden Antriebskegelräder mit einer Abtriebsachse des Abtriebskegelrads definiert. Dabei sind die Lage des Lagersitzes für das Wälzlager im Lenkring, der die Lage der Hülse im Raum bestimmt, und die Lage des kugelförmigen Abschnitts entsprechend aufeinander abgestimmt. Hierbei wird durch das Lenkgetriebe vorteilhaft toleriert, wenn sich die Lage des Schwenkzentrums Z_D des Differentialgetriebes von der Lage des Schwenkzentrums Z_T der Taumelscheibe aufgrund von Fertigungstoleranzen unterscheidet.This swivel center Z _D of the differential gear is defined by the intersection point of the common drive axis of the two drive bevel gears with an output axis of the output bevel gear. The position of the bearing seat for the roller bearing in the steering ring, which determines the position of the sleeve in space, and the position of the spherical section are coordinated accordingly. The steering gear advantageously tolerates when the position of the swivel center Z _D of the differential gear differs from the position of the swivel center Z _T of the swash plate due to manufacturing tolerances.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit einem Differentialgetriebe als Antriebsvorrichtung ist dennoch bevorzugt, dass das Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes und das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe deckungsgleich sind oder zumindest die Hülsenachse H durch das Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes und das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe verläuft.According to a further embodiment of the steering gear according to the invention with a differential gear as a drive device, it is nevertheless preferred that the pivot center Z _D of the differential gear and the pivot center Z _T of the swash plate are congruent or at least the sleeve axis H runs through the pivot center Z _D of the differential gear and the pivot center Z _T of the swash plate.

Zur Sicherung der Verzahnung des Differentialgetriebes ist nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes gegenüber dem Abtriebskegelrad ein viertes Kegelrad angeordnet, das mit den beiden Antriebskegelrädern in Eingriff steht und mit dem Lenkring verbunden ist, der mittels eines Lagers drehbar in Bezug auf das vierte Kegelrad gelagert ist.In order to secure the toothing of the differential gear, according to a further embodiment of the steering gear according to the invention, a fourth bevel gear is arranged opposite the output bevel gear, which engages with the two drive bevel gears and is connected to the steering ring, which is rotatably mounted with respect to the fourth bevel gear by means of a bearing.

Alternativ zu einem Differentialgetriebe kann ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe gemäß einer weiteren Ausführungsform eine kartesische Ansteuerungsmechanik als Antriebsvorrichtung zur Bewegung des Hülsenelements aufweisen. Die kartesische Ansteuerungsmechanik wird aus zwei einachsigen, bevorzugt orthogonal zueinander und orthogonal zur Hauptachse A angeordneten Linearführungsvorrichtungen gebildet, die das Hülsenelement, dessen Hülsenachse H parallel zur Hauptachse A steht, lateral in zwei Raumrichtungen verschiebt, die bevorzugt orthogonal zueinander und orthogonal zur Hauptachse H, d. h. parallel zur Scheibenebene der Taumelscheibe in Neutralstellung, verlaufen.As an alternative to a differential gear, a steering gear according to the invention can, according to a further embodiment, have a Cartesian control mechanism as a drive device for moving the sleeve element. The Cartesian control mechanism is formed from two single-axis linear guide devices, preferably arranged orthogonally to one another and orthogonally to the main axis A, which laterally displace the sleeve element, whose sleeve axis H is parallel to the main axis A, in two spatial directions, which preferably run orthogonally to one another and orthogonally to the main axis H, i.e. parallel to the disk plane of the swash plate in the neutral position.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes ist eine Passung zwischen dem Hülsenelement und dem kugelförmigen Abschnitt so gewählt, dass der kugelförmige Abschnitt innerhalb des Hülsenelements drehbar und/oder verkippbar ist und/oder dass der kugelförmige Abschnitt in dem Hülsenelement entlang dessen Hülsenachse H bewegbar ist. Der kugelförmige Abschnitt dabei ist vorzugsweise möglichst spielfrei in dem Hülsenelement gleitgelagert. Die Passung von Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts und Innendurchmesser des Hülsenelements kann abhängig von der Werkstoffpaarung an den Kontaktflächen von kugelförmigem Abschnitt und Hülsenelement und der Anwendung als Spielpassung oder Übergangspassung ausgeführt sein, da der theoretische Idealfall mit identischen Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts und Innendurchmesser des Hülsenelements in der Praxis kaum umsetzbar ist. Dabei kann durch entsprechende Wahl der Werkstoffe von kugelförmigem Abschnitt und Hülsenelement, bzw. von Beschichtungen an der Außenfläche des kugelförmigen Abschnitts und an der Innenfläche des Hülsenelements, für eine reibungsarme Werkstoffpaarung der Kontaktflächen gesorgt werden, die die Gleitlagerung bilden. Eine reibungsarme Werkstoffpaarung, ggf. mit Schmierung, gestattet eine Übergangspassung, ansonsten sorgt eine Spielpassung für die Bewegbarkeit des kugelförmigen Abschnitts in dem Hülsenelement.According to yet another embodiment of the steering gear according to the invention, a fit between the sleeve element and the spherical section is selected such that the spherical section can be rotated and/or tilted within the sleeve element and/or that the spherical section can be moved in the sleeve element along its sleeve axis H. The spherical section is preferably slide-mounted in the sleeve element with as little play as possible. The fit of the outer diameter of the spherical section and the inner diameter of the sleeve element can be designed as a clearance fit or transition fit depending on the material pairing on the contact surfaces of the spherical section and the sleeve element and the application, since the theoretical ideal case with identical outer diameters of the spherical section and the inner diameter of the sleeve element is hardly feasible in practice. By choosing the materials of the spherical Section and sleeve element, or coatings on the outer surface of the spherical section and on the inner surface of the sleeve element, ensure a low-friction material pairing of the contact surfaces that form the plain bearing. A low-friction material pairing, possibly with lubrication, allows a transition fit, otherwise a clearance fit ensures the mobility of the spherical section in the sleeve element.

Ein erfindungsgemäßes chirurgisches Instrument weist gemäß einer ersten Ausführungsform einen Schaft, ein Werkzeug an einem distalen Schaftende und eine Handhabe an einem proximalen Schaftende auf. Die Handhabe umfasst vorteilhaft ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe mit einer Taumelscheibe, die gelenkig mit einer Hauptwelle verbunden ist, die eine Hauptachse A definiert. Die Taumelscheibe ist um ein Schwenkzentrum Z_T, das auf der Hauptachse A liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse A verschwenkbar und mit einer Mehrzahl Lenkdrähte verbunden, die sich entlang der Hauptachse A durch den Schaft zu einer Abwinkelungsmechanik des Werkzeugs erstrecken, die auf diese Weise durch die räumlich ausrichtbare Taumelscheibe ansteuerbar ist. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes werden ein Verkanten oder lokale Blockade von Antriebsbauteilen verhindert, die durch einen fertigungsbedingten Versatz zwischen den Schwenkzentren von Taumelscheibe und deren Antrieb hervorgerufen werden können. Belastungen, Verformungen oder Beschädigungen von solchen Bauteilen können vermieden werden, die Präzision der Ansteuerung sowie Bewegungsausmaß bleiben erhalten.According to a first embodiment, a surgical instrument according to the invention has a shaft, a tool at a distal shaft end and a handle at a proximal shaft end. The handle advantageously comprises a steering gear according to the invention with a swash plate which is articulated to a main shaft which defines a main axis A. The swash plate can be pivoted about a pivot center Z _T which lies on the main axis A, in two directions orthogonal to the main axis A and is connected to a plurality of steering wires which extend along the main axis A through the shaft to an angling mechanism of the tool which can be controlled in this way by the spatially alignable swash plate. The use of a steering gear according to the invention prevents tilting or local blockage of drive components which can be caused by a manufacturing-related offset between the pivot centers of the swash plate and its drive. Loads, deformations or damage to such components can be avoided, the precision of the control and the extent of movement are maintained.

Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.Further embodiments and some of the advantages associated with these and further embodiments will become clear and better understood from the following detailed description with reference to the accompanying figures. Objects or parts thereof that are substantially the same or similar may be provided with the same reference numerals. The figures are merely a schematic representation of an embodiment of the invention. The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments mit schematisch dargestellter Handhabe,
2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes ohne Hülsenelement,
3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit verschwenkter Taumelscheibe und einem von einer kartesischen Antriebsmechanik bewegten Hülsenelement,
4 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit Taumelscheibe in Neutralstellung und einem um das Kugelzentrum verkippten Hülsenelement,
5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes mit verschwenkter Taumelscheibe und einem von einem Differentialgetriebe um dessen Zentrum bewegten Hülsenelement,
6 eine Seitenschnittansicht einer Handhabe eines chirurgischen Instruments mit einem erfindungsgemäßen Lenkgetriebe mit Differentialgetriebe,
7 eine vergrößerte Detailansicht des Lenkgetriebes aus 6 mit übertrieben dargestelltem Versatz zwischen den Schwenkzentren von Taumelscheibe und Differentialgetriebe,
8 eine perspektivische Ansicht des Differentialgetriebes eines erfindungsgemäßen Lenkgetriebes.

Showing:

1 a perspective view of a surgical instrument according to the invention with a schematically illustrated handle,
2 a perspective view of a steering gear according to the invention without sleeve element,
3 a side view of a steering gear according to the invention with a pivoted swash plate and a sleeve element moved by a Cartesian drive mechanism,
4 a side view of a steering gear according to the invention with a swash plate in neutral position and a sleeve element tilted around the ball center,
5 a side view of a steering gear according to the invention with a pivoted swash plate and a sleeve element moved by a differential gear around its center,
6 a side sectional view of a handle of a surgical instrument with a steering gear with differential gear according to the invention,
7 an enlarged detailed view of the steering gear 6 with exaggerated offset between the pivot centers of the swashplate and differential gear,
8th a perspective view of the differential gear of a steering gear according to the invention.

In 1 ist ein chirurgisches Instrument 1 mit einem hohlen Schaft 2 gezeigt, wobei eine am proximalen Ende 2b des Schaftes 2 angeordnete Handhabe 5 nur schematisch dargestellt ist. Am distalen Ende 2a des Schaftes 2 ist ein Werkzeug 3 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um ein mit Maulteilen versehenes Werkzeug 3, wie in 1 dargestellt, oder aber um ein Endoskop, einen Applikator oder dergleichen handeln kann. Zur Betätigung des Werkzeugs 3, z. B. zum Öffnen und Schließen der Maulteile, weist das chirurgische Instrument 1 ein axial verschiebbar im Schaft 2 gelagertes Betätigungselement 18 auf, das proximalseitig mit einer (in 1 nicht dargestellten) Betätigungseinheit der Handhabe 5 in Wirkverbindung steht. Bei der Betätigungseinheit kann es sich um ein manuell betätigbares Griffteil oder um eine für den robotischen Einsatz ausgelegte, also auch ohne manuelles Zutun betätigbare Baueinheit handeln, die mit einem entsprechenden Antrieb gekoppelt ist. Das in 6 dargestellte Beispiel zeigt einen solchen Antrieb 24, mit dem das axialverschiebbar im Schaft 2 gelagerte und als Stange ausgebildete Betätigungselement 18 zum Betätigen des Werkzeugs 3 vor und zurück bewegt werden kann.In 1 a surgical instrument 1 with a hollow shaft 2 is shown, wherein a handle 5 arranged at the proximal end 2b of the shaft 2 is only shown schematically. At the distal end 2a of the shaft 2 a tool 3 is arranged, which is for example a tool 3 provided with jaw parts, as in 1 or it can be an endoscope, an applicator or the like. To operate the tool 3, e.g. to open and close the jaws, the surgical instrument 1 has an actuating element 18 which is axially displaceable in the shaft 2 and which is connected on the proximal side to a (in 1 not shown) actuating unit of the handle 5. The actuating unit can be a manually operable handle part or a structural unit designed for robotic use, i.e., operable without manual intervention, which is coupled to a corresponding drive. The 6 The example shown shows such a drive 24, with which the actuating element 18, which is mounted axially displaceably in the shaft 2 and designed as a rod, can be moved back and forth to actuate the tool 3.

Des Weiteren ist das Werkzeug 3 des chirurgischen Instruments 1, wie in 1 zu sehen, über eine Abwinkelungsmechanik 4 an dem distalen Schaftende 2a relativ zur Hauptachse A des Schaftes 2 verschwenkbar. Die Abwinkelungsmechanik 4 besteht aus Schwenkgliedern, die über Lenkdrähte 6, die sich durch den Schaft 2 erstrecken, mit dem Lenkgetriebe 10 in der Handhabe 5 am proximalen Ende 2b des Schaftes 2 verbunden sind. Eine Bewegung des proximalseitigen Lenkgetriebes 10 verursacht so eine durch die Lenkdrähte 6 übertragene entsprechende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder der Abwinkelungsmechanik 4 und somit ein Verschwenken des Werkzeugs 3. Auch wenn vorliegend der Begriff Lenkdrähte 6 verwendet wird, können funktional auch Lenkseile verwendet werden, weshalb der verwendete Begriff Lenkdrähte 6 synonym auch als Lenkseil zu lesen und zu verstehen ist.Furthermore, the tool 3 of the surgical instrument 1, as shown in 1 can be seen, via a bending mechanism 4 on the distal Shaft end 2a can be pivoted relative to the main axis A of the shaft 2. The bending mechanism 4 consists of pivoting members that are connected to the steering gear 10 in the handle 5 at the proximal end 2b of the shaft 2 via steering wires 6 that extend through the shaft 2. A movement of the proximal-side steering gear 10 causes a corresponding relative movement of the distal-side pivoting members of the bending mechanism 4, transmitted by the steering wires 6, and thus a pivoting of the tool 3. Even if the term steering wires 6 is used here, steering cables can also be used functionally, which is why the term steering wires 6 used can also be read and understood as a synonym for steering cable.

Das Lenkgetriebe 10, für das in 2 bis 8 Beispiele und Details gezeigt sind, weist eine Taumelscheibe 8 auf, an der die aus dem proximalen Schaftende 2b aus dem Schaft 2 austretenden Lenkdrähte 6 befestigt sind, wie in 2 bis 7 zu sehen ist. Durch Bewegung der räumlich ausrichtbaren Taumelscheibe 8 wird die Abwinkelungsmechanik 4 über die Lenkdrähte 6 angesteuert und das Werkzeug 3 entsprechend verschwenkt. Zudem ist die Taumelscheibe 8 zur Rotation mit einer Hauptwelle 19 gekoppelt, die sich entlang der Hauptachse A an das proximale Ende 2b des Schafts 2 anschließt. Die Hauptwelle 19 ist in 6 wie der Schaft 2 hohl ausgeführt, um das axial verschiebbare Betätigungselement 18 aufzunehmen. Die Hauptwelle 19 ist an dem proximalen Ende 2b des Schafts 2 in einer Gehäusekomponente 25a an Front der Handhabe 5 mittels eines vorderen Lagers 20 drehbar gelagert, wie in 6 zu sehen ist. Auf einer von dem vorderen Lager 20 abgewandten Seite der Taumelscheibe 8 ist in einer weiteren Gehäusekomponente 25b der Handhabe 5 ein hinteres Lager 21 zur drehbaren Lagerung der Hauptwelle 19 vorgesehen, die die Hauptachse A definiert, deren Lage damit eindeutig festgelegt ist. Die Gehäusekomponenten 25a und 25b bilden im Beispiel von 6 zusammen mit einer weiteren Gehäusekomponente 25c das Gehäuse der Handhabe 5. Abweichungen von der dargestellten Gehäusegestaltung sind selbstverständlich möglich.The steering gear 10, for which 2 to 8 Examples and details are shown, has a swash plate 8 to which the steering wires 6 emerging from the proximal shaft end 2b of the shaft 2 are attached, as in 2 to 7 can be seen. By moving the spatially alignable swash plate 8, the bending mechanism 4 is controlled via the steering wires 6 and the tool 3 is pivoted accordingly. In addition, the swash plate 8 is coupled for rotation to a main shaft 19, which is connected along the main axis A to the proximal end 2b of the shaft 2. The main shaft 19 is in 6 like the shaft 2 is hollow to accommodate the axially displaceable actuating element 18. The main shaft 19 is rotatably mounted at the proximal end 2b of the shaft 2 in a housing component 25a at the front of the handle 5 by means of a front bearing 20, as in 6 can be seen. On a side of the swash plate 8 facing away from the front bearing 20, a rear bearing 21 is provided in a further housing component 25b of the handle 5 for the rotatable mounting of the main shaft 19, which defines the main axis A, the position of which is thus clearly defined. The housing components 25a and 25b form in the example of 6 together with another housing component 25c, the housing of the handle 5. Deviations from the housing design shown are of course possible.

In dem in 6 dargestellten Beispiel ist die Hauptwelle 19 zur Rotation um die Hauptachse A mit einem von einem Antriebsritzel 23 antreibbaren Abtriebskegelrad 22 verbunden, dessen Radnabe (unbezeichnet) den Lagersitz für das hintere Lager 21 bereitstellt. Durch die rotative Kopplung der Hauptwelle 19 mit der Taumelscheibe 8 kann das Werkzeug 3 am distalen Schaftende 2a auch um die Hauptachse A des Schaftes 2 rotiert werden, ohne dass die Lenkdrähte 6 verdrillt werden.In the 6 In the example shown, the main shaft 19 is connected for rotation about the main axis A to an output bevel gear 22 which can be driven by a drive pinion 23 and whose wheel hub (undesignated) provides the bearing seat for the rear bearing 21. Due to the rotary coupling of the main shaft 19 with the swash plate 8, the tool 3 at the distal shaft end 2a can also be rotated about the main axis A of the shaft 2 without the steering wires 6 being twisted.

In dem in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Beispielen hat die Taumelscheibe 8 eine zentrale, zum Taumelscheibenumfang konzentrische Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung 8c, in der eine Kreuzgelenkscheibe 7 angeordnet ist, die in der Darstellung von 2 zu sehen ist. Auch die Kreuzgelenkscheibe 7 weist eine Scheibenöffnung (unbezeichnet) auf, in der die Hauptwelle 19 mit einem Kopplungsabschnitt 19a angeordnet ist (2 bis 5) oder durch die sich die Hauptwelle 19 mit einem Kopplungsabschnitt 19a erstreckt (6 und 7). Die Kreuzgelenkscheibe 7 ist mit der Taumelscheibe 8 über ein erstes Paar Achsstifte 7a schwenkbar verbunden. Über ein zweites Paar Achsstifte 7b, das orthogonal zu dem ersten Achsstiftepaar 7a angeordnet ist, ist die Kreuzgelenkscheibe 7 schwenkbar mit der Hauptwelle 19 verbunden. Der Schnittpunkt der beiden Achspaare definiert das Schwenkzentrum Z_T der kardanisch gelagerten Taumelscheibe 8. Darüber hinaus sorgt die Kreuzgelenkscheibe 7 über die beiden Achspaare für die rotative Kopplung der Taumelscheibe 8 mit der Hauptwelle 19.In the figures 2 to 7 In the examples shown, the swash plate 8 has a central receiving or passage opening 8c concentric to the swash plate circumference, in which a universal joint disk 7 is arranged, which in the illustration of 2 can be seen. The universal joint disc 7 also has a disc opening (unmarked) in which the main shaft 19 is arranged with a coupling section 19a ( 2 to 5 ) or through which the main shaft 19 extends with a coupling section 19a ( 6 and 7 ). The universal joint disk 7 is pivotably connected to the swash plate 8 via a first pair of axle pins 7a. The universal joint disk 7 is pivotably connected to the main shaft 19 via a second pair of axle pins 7b, which is arranged orthogonally to the first pair of axle pins 7a. The intersection point of the two pairs of axles defines the pivot center Z _T of the cardanically mounted swash plate 8. In addition, the universal joint disk 7 ensures the rotational coupling of the swash plate 8 to the main shaft 19 via the two pairs of axles.

Nicht figurativ dargestellt sind zu einem solchen Kreuzgelenk alternative Lagerungsanordnungen der Taumelscheibe auf der Hauptwelle, die ein Verschwenken der Taumelscheibe um zwei zur Hauptachse orthogonale Raumachsen und gegebenenfalls auch eine rotative Kopplung der Taumelscheibe mit der Hauptwelle ermöglichen. Diese können beispielsweise eine modifizierte Hauptwelle aufweisen, bei der der Kopplungsabschnitt kugelförmig ausgebildet ist. Die Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung der Taumelscheibe weist dann eine Kugelscheibenkontur bzw. Kugelzone auf, die zumindest teilweise an den kugelförmigen Kopplungsabschnitt der Hauptwelle angepasst ist. Die Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung bildet eine Kugelzonenpfanne, die den kugelförmigen Kopplungsabschnitt umgibt, sodass eine Art Kugelgelenk gebildet wird. Je nachdem, welche Breite die Kugelscheibenkontur der Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung aufweist, kann die Taumelscheibe zur Erleichterung oder Ermöglichung der Montage auf dem kugelförmigen Kopplungsabschnitt zwei oder mehrteilig ausgebildet sein. Um eine so kugelgelenkig gelagerte Taumelscheibe auch rotativ mit der Hauptwelle zur Drehmomentübertragung zu koppeln, kann die Hauptwelle an dem Kopplungsabschnitt eine vorzugsweise zwei diametrale Führungsnuten aufweisen, die sich in Längsrichtung der Hauptwelle erstrecken. In der Aufnahme- bzw. Durchtrittsöffnung der Taumelscheibe wird entsprechend ein radial nach innen weisender Stift oder werden zwei diametrale, radial nach innen weisende Stifte zum Eingriff in die Führungsnut(en) vorgesehen. Der Eingriff der Stifte in den Längsnuten gestattet sowohl ein Verschwenken der Taumelscheibe um die Stiftachse, als auch orthogonal dazu, da die Führungsnuten ein Verschwenken der Stifte in einer zur Scheibenebene orthogonalen Längsebene entlang der Führungsnuten gestatten.Not shown figuratively are alternative bearing arrangements for the swash plate on the main shaft to such a universal joint, which enable the swash plate to pivot about two spatial axes orthogonal to the main axis and, if necessary, also a rotational coupling of the swash plate to the main shaft. These can, for example, have a modified main shaft in which the coupling section is spherical. The receiving or passage opening of the swash plate then has a spherical disk contour or spherical zone that is at least partially adapted to the spherical coupling section of the main shaft. The receiving or passage opening forms a spherical zone socket that surrounds the spherical coupling section, so that a type of ball joint is formed. Depending on the width of the spherical disk contour of the receiving or passage opening, the swash plate can be designed in two or more parts to facilitate or enable assembly on the spherical coupling section. In order to couple a swash plate mounted on a ball joint in this way to the main shaft in a rotational manner for torque transmission, the main shaft can have preferably two diametrical guide grooves on the coupling section, which extend in the longitudinal direction of the main shaft. In the receiving or passage opening of the swash plate, a radially inward-pointing pin or two diametrical, radially inward-pointing pins are provided for engagement in the guide groove(s). The engagement of the pins in the longitudinal grooves allows the swash plate to be pivoted both around the pin axis and orthogonally to it, since the guide grooves allow the pivoting of the Pins in a longitudinal plane orthogonal to the disc plane along the guide grooves.

In allen Fällen ist die Lage das Schwenkzentrums Z_T der Taumelscheibe 8 auf der Hauptachse A eindeutig definiert. Die Taumelscheibe 8, die eine zylindrische Form aufweist, deren Durchmesser deutlich größer ist als die Höhe, definiert eine Scheibenebene E, die parallel zu einer Grundfläche der zylindrischen Form durch das Schwenkzentrum Z_T verläuft, wie in 3 bis 5 mit gestrichelter Linie angedeutet ist.In all cases, the position of the pivot center Z _T of the swash plate 8 on the main axis A is clearly defined. The swash plate 8, which has a cylindrical shape whose diameter is significantly larger than its height, defines a disk plane E which runs parallel to a base of the cylindrical shape through the pivot center Z _T , as in 3 to 5 indicated by a dashed line.

Die Taumelscheibe 8 ist mit einem kugelförmigen Abschnitt 8a verbunden, dessen Oberfläche in den Beispielen von 2 bis 5 Kugelform und in 6 und 7 Kugelscheibenform hat. Das Kugelzentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a, das dem Mittelpunkt einer mit der Kugelform bzw. der Kugelscheibenform korrespondierenden Kugel entspricht, ist von dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 beabstandet. Die Lage des Kugelzentrums Z_K und damit die Lage des kugelförmigen Abschnitts 8a in Bezug zu der Taumelscheibe 8 ist so gewählt, dass eine zur Taumelscheibenebene E orthogonale Taumelscheibenachse T durch das Schwenkzentrum Z_T und das Kugelzentrum Z_K verläuft. In der Neutralstellung der Taumelscheibe 8, in der die Scheibenebene E orthogonal zu der Hauptachse A steht, wie in 4 zu sehen, entspricht daher die Taumelscheibenachse T der Hauptachse A. Die Taumelscheibe 8 ist über einen mit der Taumelscheibenachse T koaxialen Hebelabschnitt 8b mit dem kugelförmigen Abschnitt 8a verbunden. Der Abstand zwischen dem Kugelzentrum Z_K und dem Schwenkzentrum Z_T hängt von der Länge des Halsabschnitts 8b und dem Durchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a ab.The swash plate 8 is connected to a spherical section 8a, the surface of which in the examples of 2 to 5 Spherical shape and in 6 and 7 spherical disk shape. The spherical center Z _K of the spherical section 8a, which corresponds to the center of a sphere corresponding to the spherical shape or the spherical disk shape, is spaced from the pivot center Z _T of the swash plate 8. The position of the spherical center Z _K and thus the position of the spherical section 8a in relation to the swash plate 8 is selected such that a swash plate axis T orthogonal to the swash plate plane E runs through the pivot center Z _T and the spherical center Z _K. In the neutral position of the swash plate 8, in which the disk plane E is orthogonal to the main axis A, as in 4 As can be seen, the swash plate axis T therefore corresponds to the main axis A. The swash plate 8 is connected to the spherical section 8a via a lever section 8b coaxial with the swash plate axis T. The distance between the spherical center Z _K and the pivot center Z _T depends on the length of the neck section 8b and the diameter of the spherical section 8a.

Das Verschwenken der Taumelscheibe 8 wird nun durch Bewegung des kugelförmigen Abschnitts 8a bewerkstelligt. Jede Bewegung des kugelförmigen Abschnitts 8a nach oben, unten sowie nach vorne oder hinten (in Bezug auf die Zeichenebene) bewirkt direkt eine Verschwenkung der Taumelscheibe 8 um deren Schwenkzentrum Z_T. Dabei bewegt sich das Kugelzentrum Z_K durch den festen Abstand zum Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 auf einer sphärischen Bahn im Raum und kann daher nicht direkt von einem kartesischen Antrieb betätigt werden. Daher weist das Lenkgetriebe 10 ein zylindrisches Hülsenelement 9 auf, in dessen zylindrischer Aufnahme der kugelförmige Abschnitt 8a aufgenommen ist, wobei das Hülsenelement 9 mit einer Antriebsvorrichtung zur räumlichen Ausrichtung verbunden ist.The pivoting of the swash plate 8 is now accomplished by moving the spherical section 8a. Every movement of the spherical section 8a up, down, forwards or backwards (in relation to the plane of the drawing) directly causes the swash plate 8 to pivot about its pivot center Z _T . The spherical center Z _K moves on a spherical path in space due to the fixed distance to the pivot center Z _T of the swash plate 8 and therefore cannot be actuated directly by a Cartesian drive. The steering gear 10 therefore has a cylindrical sleeve element 9, in the cylindrical receptacle of which the spherical section 8a is received, the sleeve element 9 being connected to a drive device for spatial alignment.

Die Passung zwischen dem Innendurchmesser des Hülsenelements 9 und dem Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a wird hierbei abhängig vom Anwendungsfall und der jeweiligen Werkstoffpaarung an der zylindrischen Aufnahme des Hülsenelements 9 und der Außenfläche des kugelförmigen Abschnitts 8a so gewählt, dass der kugelförmige Abschnitt 8a sowohl innerhalb des Hülsenelements 9 sich drehen und/oder verkippen kann als auch in dem Hülsenelement 9 entlang der Hülsenachse H bewegen kann. Bei entsprechender Werkstoffpaarung wären identische Nennmaße von Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a und Innendurchmesser des Hülsenelements 9 optimal, praktisch wird die Passung je nach Werkstoffpaarung als Spielpassung oder Übergangspassung ausgeführt sein, um die gewünschte Beweglichkeit des kugelförmigen Abschnitts 8a in dem Hülsenelement 9 zu gestatten.The fit between the inner diameter of the sleeve element 9 and the outer diameter of the spherical section 8a is selected depending on the application and the respective material pairing on the cylindrical receptacle of the sleeve element 9 and the outer surface of the spherical section 8a so that the spherical section 8a can rotate and/or tilt within the sleeve element 9 and can also move in the sleeve element 9 along the sleeve axis H. With appropriate material pairing, identical nominal dimensions of the outer diameter of the spherical section 8a and the inner diameter of the sleeve element 9 would be optimal; in practice, the fit will be designed as a clearance fit or transition fit depending on the material pairing in order to allow the desired mobility of the spherical section 8a in the sleeve element 9.

Wie in 3 angedeutet, kann das Hülsenelement 9 dann in einer zur Hauptachse A orthogonalen Ebene in zwei Raumrichtungen X, Y (vor und hinter die Zeichenebene, nach oben und unten in der Zeichenebene) von einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung mit kartesischer Ansteuerungsmechanik bewegt werden. Dabei bleiben der einer sphärischen Bahn folgenden kugelförmige Abschnitt 8a und das in der X, Y-Ebene bewegte Hülsenelement 9 ständig miteinander im Kontakt bzw. Eingriff, da der kugelförmige Abschnitt 8a einerseits innerhalb des Hülsenelements 9 sich drehen und/oder verkippen und andererseits in dem Hülsenelement 9 entlanggleiten kann. Die Hülsenachse H bleibt dabei stets parallel zur Hauptachse A. Antriebsvorrichtungen mit kartesischer Ansteuerungsmechanik mit zwei einachsigen, bevorzugt orthogonal zueinander angeordneten Linearführungsvorrichtungen sind bekannt. Dazu zählen beispielsweise auch Kreuz- oder Koordinatentische.As in 3 As indicated, the sleeve element 9 can then be moved in a plane orthogonal to the main axis A in two spatial directions X, Y (in front of and behind the drawing plane, up and down in the drawing plane) by a drive device (not shown) with a Cartesian control mechanism. The spherical section 8a following a spherical path and the sleeve element 9 moving in the X, Y plane remain in constant contact or engagement with one another, since the spherical section 8a can rotate and/or tilt within the sleeve element 9 on the one hand and slide along in the sleeve element 9 on the other. The sleeve axis H always remains parallel to the main axis A. Drive devices with a Cartesian control mechanism with two single-axis linear guide devices, preferably arranged orthogonally to one another, are known. These include, for example, cross or coordinate tables.

Diese Kopplung zwischen dem Hülsenelement 9 und dem kugelförmigen Abschnitt 8a, die - innerhalb gewisser Grenzen - beliebig zueinander orientiert sein können, erlaubt dabei weitere Bewegungsfreiheiten, ohne dass verklemmte oder blockierte Bauteile zu befürchten sind. So kann auch das Hülsenelement 9 in Maßen längs bzw. parallel zur Hauptachse A verschoben oder in Bezug auf die Hauptachse A verkippt werden, sodass die Hülsenachse H nicht parallel zur Hauptachse A liegt, sondern gewinkelt dazu verläuft, wie in 4 dargestellt ist. Dies gestattet vorteilhaft, dass auch zur kartesischen Ansteuerungsmechanik alternative Antriebsvorrichtungen zur Bewegung des Hülsenelements 9 eingesetzt werden können. Das Hülsenelement 9 kann daher auch mit einer Antriebsvorrichtung verbunden werden, die das Hülsenelement 9 um ein (virtuelles) Schwenkzentrum Z_D der Antriebsvorrichtung dreht, das zu dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 versetzt ist. Dies ist in 5 verdeutlicht: Das Schwenkzentrum Z_D einer nicht dargestellten Antriebsvorrichtung, um das das Hülsenelement 9 auf bewegt und gegenüber der Hauptachse A verkippt wird, ist in Bezug auf das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 in der Zeichenebene nach oben und rechts versetzt. Dennoch ermöglicht die Kopplung mit dem kugelförmigen Abschnitt 8a und Hülsenelement 9 eine Bewegung ohne Blockade und alle Winkel können problemlos erreicht werden.This coupling between the sleeve element 9 and the spherical section 8a, which - within certain limits - can be oriented in any way to each other, allows further freedom of movement without having to fear jammed or blocked components. The sleeve element 9 can also be moved to a certain extent along or parallel to the main axis A or tilted in relation to the main axis A, so that the sleeve axis H is not parallel to the main axis A, but runs at an angle to it, as in 4 This advantageously allows alternative drive devices to be used for the Cartesian control mechanism to move the sleeve element 9. The sleeve element 9 can therefore also be connected to a drive device that rotates the sleeve element 9 about a (virtual) pivot center Z _D of the drive device, which is offset from the pivot center Z _T of the swash plate 8. This is shown in 5 clarifies: The pivoting centre Z _D of a drive device (not shown) around which the sleeve sen element 9 is moved and tilted relative to the main axis A, is offset upwards and to the right in the plane of the drawing with respect to the pivot center Z _T of the swash plate 8. Nevertheless, the coupling with the spherical section 8a and sleeve element 9 enables movement without blockage and all angles can be reached without any problem.

Der in der Darstellung von 7 deutliche Versatz zwischen den Schwenkzentren Z_D, Z_T dient in erster Linie der Veranschaulichung, da ein derartiger Versatz eine nicht-lineare Übertragungsfunktion zwischen dem angesteuerten Winkel des Hülsenelements 9 und dem resultierenden Winkel der Taumelscheibe 8 zur Folge hätte. Eine Umsetzung mit einem derartigen Versatz würde daher eine Kalibrierung zur Kompensation erforderlich machen. In der praktischen Umsetzung kann ein solcher Versatz jedoch so gering gehalten werden, dass derartige Korrekturen nicht erforderlich sind.The one in the presentation of 7 The significant offset between the pivot centers Z _D , Z _T is primarily for illustrative purposes, since such an offset would result in a non-linear transfer function between the controlled angle of the sleeve element 9 and the resulting angle of the swash plate 8. An implementation with such an offset would therefore require calibration for compensation. In practical implementation, however, such an offset can be kept so small that such corrections are not necessary.

Besonders vorteilhaft eignet sich als Antriebsvorrichtung zur Bewegung des Hülsenelements 9 um ein eigenes Verschwenkzentrum Z_D ein Differentialgetriebe mit zwei Antriebskegelrädern 12 und einem Abtriebskegelrad 13, wie in 6 bis 8 dargestellt ist. Das Abtriebskegelrad 13 steht mit den beiden Antriebskegelrädern 12 in Eingriff und ist drehfest mit einem Lenkring 11 verbunden, in dem der Kugelabschnitt 8a der Taumelscheibe 8 über ein Wälzlager 15 gelagert ist, sodass die Taumelscheibe 8 zur Rotation mit der Hauptwelle 19 gegenüber dem Lenkring 11 drehbar ist. Das Hülsenelement 9, in dem der kugelförmige Abschnitt 8a aufgenommen ist, wird hierbei durch den Innenring des Wälzlagers 15 bereitgestellt, das mit dem Lenkring 11 um das Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes verschwenkbar ist. Im dargestellten Beispiel sind das Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes und das Schwenkzentrum Z_T entlang der Hauptachse A versetzt, sodass die Hülsenachse H durch das Kugelzentrum Z_K und das Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes verläuft, wie insbesondere in der Detaildarstellung D in 7 zu sehen ist.A differential gear with two drive bevel gears 12 and one output bevel gear 13, as _shown in 6 to 8 is shown. The output bevel gear 13 is in engagement with the two drive bevel gears 12 and is connected in a rotationally fixed manner to a steering ring 11 in which the ball section 8a of the swash plate 8 is mounted via a roller bearing 15, so that the swash plate 8 can rotate relative to the steering ring 11 for rotation with the main shaft 19. The sleeve element 9 in which the ball-shaped section 8a is accommodated is provided by the inner ring of the roller bearing 15, which can be pivoted with the steering ring 11 about the pivot center Z _D of the differential gear. In the example shown, the pivot center Z _D of the differential gear and the pivot center Z _T are offset along the main axis A, so that the sleeve axis H runs through the ball center Z _K and the pivot center Z _D of the differential gear, as can be seen in particular in the detailed illustration D in 7 you can see.

8 zeigt dazu das Differentialgetriebe samt Lenkring 11 ohne Taumelscheibe 8, die in 6 und 7 zu sehen ist. In der zur Aufnahme der Taumelscheibe 8 vorgesehenen Aufnahmeöffnung des Lenkrings 11 ist passend zur Lage des kugelförmigen Abschnitts 8a ein Lagersitz 11a für ein Wälzlager 15 ausgebildet, dessen Innenring die Hülse 9 zur Aufnahme des kugelförmigen Abschnitts 8a bereitstellt. Der Lagersitz 11a durch einen Ringabsatz 11b zum axialen Anschlag für den Außenring des Lagers 11 begrenzt. Die in dem Lenkring 11 über der kugelförmige Abschnitt 8a gelagerte Taumelscheibe 8 ist zwischen zwei um 180° zueinander versetzt angeordneten Antriebskegelrädern 12 angeordnet, die von jeweils einem Motor (nicht dargestellt) betätigt werden können. Die Antriebswellen der Antriebskegelräder 12 liegen auf einer Antriebsachse B, die orthogonal zur Hauptachse A der in 8 nicht dargestellten Hauptwelle 19 verläuft. Eine Abtriebsachse C des mit den Antriebskegelrädern 12 in Eingriff stehenden Abtriebskegelrads verläuft orthogonal zu der Antriebsachse B und schneidet die Hauptachse A. Der Schnittpunkt der Hauptachse A mit der Antriebsachse B und der Abtriebsachse C definiert das Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes. Über den drehfest mit dem Abtriebskegelrad 13 verbundenen Lenkring 11 wird jede Bewegung der beiden Antriebskegelräder 12 durch den Eingriff mit dem Abtriebskegelrad 13 auf den als Hülsenelement 9 dienenden Innenring des Lagers 15 übertragen. Der kugelförmige Abschnitt 8a folgt der Bewegung des Hülsenelements 9, wodurch das Verschwenken der Taumelscheibe 8 und die Betätigung der Lenkdrähte 6 bewirkt wird. 8th shows the differential gear including steering ring 11 without swash plate 8, which in 6 and 7 can be seen. In the receiving opening of the steering ring 11 intended to accommodate the swash plate 8, a bearing seat 11a for a roller bearing 15 is formed to match the position of the spherical section 8a, the inner ring of which provides the sleeve 9 for receiving the spherical section 8a. The bearing seat 11a is limited by a ring shoulder 11b for the axial stop for the outer ring of the bearing 11. The swash plate 8 mounted in the steering ring 11 above the spherical section 8a is arranged between two drive bevel gears 12 arranged offset by 180° to one another, which can each be operated by a motor (not shown). The drive shafts of the drive bevel gears 12 lie on a drive axis B which is orthogonal to the main axis A of the 8th main shaft 19, not shown. An output axis C of the output bevel gear meshing with the drive bevel gears 12 runs orthogonal to the drive axis B and intersects the main axis A. The intersection point of the main axis A with the drive axis B and the output axis C defines the pivot center Z _D of the differential gear. Via the steering ring 11, which is connected in a rotationally fixed manner to the output bevel gear 13, each movement of the two drive bevel gears 12 is transmitted through the engagement with the output bevel gear 13 to the inner ring of the bearing 15 serving as the sleeve element 9. The spherical section 8a follows the movement of the sleeve element 9, causing the swash plate 8 to pivot and the steering wires 6 to be actuated.

Zur Sicherung der Verzahnung und einer gleichmäßigen Kraftübertragung sowie zur Stabilisierung des Lenkrings 11 ist auf der Abtriebsachse C gegenüber liegend zum Abtriebskegelrad 13 ein viertes Kegelrad 14 angeordnet, das mit zwei Kegelradkranzabschnitten ausgebildet ist, die mit den beiden Antriebskegelrädern 12 kämmen. Über eine Schraube 17, die das vierte Kegelrad 14 an den Lenkring 11 zieht, lässt sich sämtliches Spiel aus der Verzahnungskette der vier Kegelräder 12, 13, 14 nehmen. Dabei ist der drehfest mit dem Abtriebskegelrad 13 gekoppelte Lenkring 11 durch ein Lager 16 frei in Bezug auf das vierte Kegelrad 14 drehbar, so dass eine Rotation des vierten Kegelrads 14 um Abtriebsachse C keine Verdrehung des Lenkrings 11 und somit der Taumelscheibe bewirkt.To secure the gearing and ensure even power transmission, as well as to stabilize the steering ring 11, a fourth bevel gear 14 is arranged on the output axis C opposite the output bevel gear 13. The fourth bevel gear 14 is designed with two bevel gear ring sections that mesh with the two drive bevel gears 12. A screw 17 that pulls the fourth bevel gear 14 onto the steering ring 11 can remove all play from the toothed chain of the four bevel gears 12, 13, 14. The steering ring 11, which is coupled in a rotationally fixed manner to the output bevel gear 13, can be freely rotated in relation to the fourth bevel gear 14 by means of a bearing 16, so that rotation of the fourth bevel gear 14 about the output axis C does not cause any rotation of the steering ring 11 and thus of the swash plate.

Anders als im Stand der Technik, in dem ein Differentialgetriebe direkt zur Ansteuerung einer Taumelscheibe eingesetzt wird, werden durch die erfindungsgemäße Kopplung von kugelförmigem Abschnitt und Hülsenelement die Probleme vermieden, die aufgrund der Überdefinition des bekannten Lenkgetriebes bei Fertigungsabweichungen auftreten, wenn sich das Zentrum des Differentialgetriebes, um das der Lenkring verschwenkt wird, vom Schwenkzentrum der Taumelscheibe unterscheidet, das durch das Kreuzgelenk definiert wird. Und da dieses Schwenkzentrum auf der Hauptachse der Hauptwelle liegt, die durch zwei Lager im Gehäuse drehbar ist, sind Drehungen der Taumelscheibe nur um diese durch die beiden Lager definierte Hauptachse möglich. Wenn dann die beiden Zentren von Differentialgetriebe und Kreuzgelenk aufgrund von kaum vermeidbaren Fertigungsabweichungen nicht exakt deckungsgleich sind, führt dies im Stand der Technik dazu, dass das Differentialgetriebe versucht, die Taumelscheibe mit dem Lenkring um das Zentrum des Differentialgetriebes zu verkippen, was nicht möglich ist, da die Taumelscheibe nur um ihr Schwenkzentrum verkippen kann. Theoretisch wäre ein solches Lenkgetriebe mit zwei Schwenkzentren statisch überbestimmt und daher unbeweglich. In der Praxis führt das je nach Größe des Versatzes zwischen den beiden Schwenkzentren zum Verkanten oder zu lokalen Blockaden. Die Antriebe (Lenkung und Rotation) müssen in Folge hohe Momente aufbringen, welche das gesamte System verbiegen, belasten und möglicherweise beschädigen, um es trotz der Blockaden und Verkantungen zu bewegen. Die Schwenkbewegungen von Lenkring und Taumelscheibe überlagern sich dann undefiniert, sodass das tatsächliche Schwenkzentrum zwischen den beiden Zentren liegt, wobei die Präzision leidet und manche Schwenkwinkel nicht mehr erreicht werden.Unlike in the prior art, in which a differential gear is used directly to control a swash plate, the coupling of the spherical section and sleeve element according to the invention avoids the problems that arise due to the overdefinition of the known steering gear in the event of manufacturing deviations when the center of the differential gear around which the steering ring is pivoted differs from the pivot center of the swash plate, which is defined by the universal joint. And since this pivot center lies on the main axis of the main shaft, which can be rotated by two bearings in the housing, rotations of the swash plate are only possible around this main axis defined by the two bearings. If the two centers of the differential gear and universal joint are not exactly congruent due to hardly avoidable manufacturing deviations, this leads in the prior art to the differential gear trying to move the swash plate with the steering ring around the center. around the differential gear, which is not possible because the swashplate can only tilt around its pivot center. In theory, such a steering gear with two pivot centers would be statically overdetermined and therefore immobile. In practice, depending on the size of the offset between the two pivot centers, this leads to tilting or local blockages. The drives (steering and rotation) must then apply high torques, which bend, load and possibly damage the entire system, in order to move it despite the blockages and tilting. The pivoting movements of the steering ring and swashplate then overlap in an undefined way, so that the actual pivot center lies between the two centers, which affects precision and some pivot angles can no longer be achieved.

Diese Probleme werden durch das erfindungsgemäße Lenkgetriebe 10 vermieden, sodass unvermeidbare Fertigungsabweichungen keine Probleme durch Überdefinition verursachen, wenn das Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 durch das Kreuzgelenk aus Kreuzgelenkscheibe 7 und den Achspaarstiften 7a, 7b fixiert ist. Die Lage der Taumelscheibe 8 im Raum kann dann durch einen beliebigen Punkt auf einer zu der Scheibenebene E orthogonalen Geraden durch das Schwenkzentrum Z_T eindeutig und vollständig definiert werden. Dies ist in 2 bis 5 gut zu erkennen, wobei der Hebelabschnitt 8b entlang der Normalen zur Scheibenebene E verläuft, und der Punkt zur Definition der Lage der Taumelscheibe 8 dem Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a entspricht.These problems are avoided by the steering gear 10 according to the invention, so that unavoidable manufacturing deviations do not cause problems due to overdefinition if the pivoting center Z _T of the swash plate 8 is fixed by the universal joint made up of the universal joint plate 7 and the axle pair pins 7a, 7b. The position of the swash plate 8 in space can then be clearly and completely defined by any point on a straight line orthogonal to the plate plane E through the pivoting center Z _T. This is in 2 to 5 can be clearly seen, whereby the lever section 8b runs along the normal to the disk plane E, and the point defining the position of the swash plate 8 corresponds to the center Z _K of the spherical section 8a.

Bei dem in 6 und 7 dargestellten Beispiel erstreckt sich die Durchtrittsöffnung 8c der Taumelscheibe 8 durch den integral damit verbundenen Kugel- und Hebelabschnitt 8a, 8b. So kann sich nicht nur die Hauptwelle 19 durch die Taumelscheibe 8 mit dem Kugel- und Hebelabschnitt 8a, 8b erstrecken, sondern auch die Betätigungsstange 18, die in der Handhabe 5 aus dem proximalen Ende der hohlen Hauptwelle 19 zur Verbindung mit dem Antrieb 24 austritt. Da sich die Hauptwelle 19 und Betätigungsstange 18 immer entlang der Hauptachse A erstrecken, ist die Durchtrittsöffnung 8c konisch ausgeführt. D. h., dass sich der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 8c ausgehend vom Schwenkzentrum Z_T, das nahe der distalen Taumelscheibenseite liegt und an dem der Durchmesser zur Aufnahme der Kreuzgelenkscheibe 7 dimensioniert ist, in proximale Richtung, d. h. entlang des Hebelabschnitts 8b und des kugelförmigen Abschnitts 8a, vergrößert. Aufgrund der konischen Form der Durchtrittsöffnung, um das Verschwenken der Taumelscheibe 8 gegenüber der Hauptwelle 19 zu gestatten, ist der Außendurchmesser des kugelförmigen Abschnitts 8a in diesem Beispiel entsprechend groß und der Abstand zwischen dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 und dem Kugelzentrum Z_K vergleichsweise klein dimensioniert, um ausreichende Kippwinkel der Taumelscheibe 8 um die Hauptwelle 19 erzielen zu können. Der durch einen kurzen Hebelabschnitt 8b abgesetzte kugelförmige Abschnitt 8a hat dann eine kugelscheibenförmige Außenoberfläche, deren Breite ausreichend ist, ständig mit dem als Hülse 9 fungierenden Innenring des Lagers 15 in Eingriff zu bleiben, wenn der Abstand zwischen dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 und dem Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes innerhalb eines Toleranzbereiches liegt, der fertigungstechnisch ohne weiteres zu erreichen ist. Der insbesondere in 7 deutlich zu erkennende Versatz zwischen dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 und dem Schwenkzentrum Z_D des Differentialgetriebes ist zur Veranschaulichung übertrieben dargestellt, in der Praxis kann der Versatz auf wenige Zehntel mm reduziert werden. Gut zu erkennen ist, wie sich der kugelförmige Abschnitt 8a der Taumelscheibe 8 im zylindrischen Innenring 9 des Kugellagers 15 verkippen und lateral bewegen kann, sodass trotz übertrieben großem Versatz zwischen den Schwenkzentren ausreichende Verschwenkungswinkel der Taumelscheibe 8 möglich sind.In the 6 and 7 In the example shown, the passage opening 8c of the swash plate 8 extends through the ball and lever section 8a, 8b integrally connected thereto. Thus, not only the main shaft 19 can extend through the swash plate 8 with the ball and lever section 8a, 8b, but also the actuating rod 18, which emerges in the handle 5 from the proximal end of the hollow main shaft 19 for connection to the drive 24. Since the main shaft 19 and actuating rod 18 always extend along the main axis A, the passage opening 8c is conical. This means that the diameter of the passage opening 8c increases in the proximal direction, i.e. along the lever section 8b and the spherical section 8a, starting from the pivot center Z _T , which is located near the distal side of the swash plate and at which the diameter is dimensioned to accommodate the universal joint disk 7. Due to the conical shape of the passage opening, in order to permit the swiveling of the swash plate 8 relative to the main shaft 19, the outer diameter of the spherical section 8a in this example is correspondingly large and the distance between the swivel center Z _T of the swash plate 8 and the spherical center Z _K is comparatively small in order to be able to achieve sufficient tilt angles of the swash plate 8 around the main shaft 19. The spherical section 8a offset by a short lever section 8b then has a spherical disk-shaped outer surface, the width of which is sufficient to remain constantly in engagement with the inner ring of the bearing 15, which functions as a sleeve 9, if the distance between the swivel center Z _T of the swash plate 8 and the swivel center Z _D of the differential gear is within a tolerance range that can be easily achieved in terms of production technology. The 7 The clearly visible offset between the pivot center Z _T of the swash plate 8 and the pivot center Z _D of the differential gear is exaggerated for illustrative purposes; in practice, the offset can be reduced to a few tenths of a mm. It is easy to see how the spherical section 8a of the swash plate 8 can tilt and move laterally in the cylindrical inner ring 9 of the ball bearing 15, so that despite an exaggeratedly large offset between the pivot centers, sufficient pivot angles of the swash plate 8 are possible.

Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung stellt ein Lenkgetriebe 10 für ein chirurgisches Instrument 1 bereit, wobei das Lenkgetriebe 10 eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe 8 aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle 19 verbunden ist, die eine Hauptachse A definiert. Die Taumelscheibe 8, die um ein Schwenkzentrum Z_T, das auf der Hauptachse A liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse A verschwenkbar ist, ist durch einen Hebelabschnitt 8b mit einem kugelförmigen Abschnitt 8a verbunden, wobei ein Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a von dem Schwenkzentrum Z_T der Taumelscheibe 8 beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe 8 orthogonale Taumelscheibenachse T durch das Schwenkzentrum Z_T und das Zentrum Z_K des kugelförmigen Abschnitts 8a verläuft. Dabei weist das Lenkgetriebe 10 ein zylindrisches Hülsenelement 9 auf, in dem der kugelförmige Abschnitt 8a aufgenommen ist, wobei das Hülsenelement 9 mit einer Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes 10 räumlich ausrichtbar ist. Ferner wird ein chirurgisches Instrument 1 offenbart, das mit diesem Lenkgetriebe 10 ausgestattet ist.The drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. It is understood that the above-mentioned features can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention. The present invention provides a steering gear 10 for a surgical instrument 1, wherein the steering gear 10 has a spatially alignable swash plate 8 which is articulated to a main shaft 19 which defines a main axis A. The swash plate 8, which can be pivoted about a pivot center Z _T which lies on the main axis A in two directions orthogonal to the main axis A, is connected by a lever section 8b to a spherical section 8a, wherein a center Z _K of the spherical section 8a is spaced from the pivot center Z _T of the swash plate 8 and a swash plate axis T orthogonal to the swash plate 8 runs through the pivot center Z _T and the center Z _K of the spherical section 8a. The steering gear 10 has a cylindrical sleeve element 9 in which the spherical section 8a is accommodated, wherein the sleeve element 9 can be spatially aligned with a drive device of the steering gear 10. Furthermore, a surgical instrument 1 is disclosed which is equipped with this steering gear 10.

BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS

11: Chirurgisches InstrumentSurgical instrument
22: Schaftshaft
2a, 2b2a, 2b: Distales, proximales SchaftendeDistal, proximal shaft end
33: WerkzeugTool
44: AbwinkelungsmechanikBending mechanism
55: HandhabeHandle
66: LenkdrahtSteering wire
77: KreuzgelenkscheibeUniversal joint disc
7a, 7b7a, 7b: KreuzgelenkstiftUniversal joint pin
88th: TaumelscheibeSwashplate
8a8a: kugelförmiger Abschnittspherical section
8b8b: HebelabschnittLever section
8c8c: Aufnahme-/DurchtrittsöffnungReceiving/passage opening
99: HülsenelementSleeve element
1010: LenkgetriebeSteering gear
1111: LenkringSteering ring
11a11a: LagersitzBearing seat
11b11b: RingabsatzRing heel
1212: AntriebskegelradDrive bevel gear
1313: AbtriebskegelradOutput bevel gear
1414: Viertes KegelradFourth bevel gear
1515: Wälzlagerroller bearing
1616: Lagercamp
1717: Schraubescrew
1818: BetätigungsstangeOperating rod
1919: HauptwelleMain shaft
19a19a: KopplungsabschnittCoupling section
2020: vorderes Schaftlagerfront shaft bearing
2121: hinteres Schaftlagerrear shaft bearing
2222: Abtriebskegelrad-HauptwelleOutput bevel gear main shaft
2323: AntriebsritzelDrive pinion
2424: Antrieb-BetätigungsstangeDrive operating rod
25a, b, c25a, b, c: GehäusekomponentenHousing components
AA: HauptachseMain axis
BB: AntriebsachseDrive axle
CC: AbtriebsachseOutput axle
EE: ScheibenebeneDisc plane
HH: HülsenachseSleeve axis
TT: TaumelscheibenachseSwashplate axis
ZKCC: KugelzentrumSphere center
ZTZT: Schwenkzentrum TaumelscheibeSwivel center swashplate
ZDZD: Schwenkzentrum AntriebSwivel center drive

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 10105128 B2 [0003]US 10105128 B2 [0003]
DE 102019121092 A1 [0004]DE 102019121092 A1 [0004]

Claims

Lenkgetriebe (10) für ein chirurgisches Instrument (1), wobei das Lenkgetriebe (10) eine räumlich ausrichtbare Taumelscheibe (8) aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle (19) verbunden ist, die eine Hauptachse (A) definiert, wobei die Taumelscheibe (8) um ein Schwenkzentrum (Z_T), das auf der Hauptachse (A) liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse (A) verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (8) durch einen Hebelabschnitt (8b) mit einem kugelförmigen Abschnitt (8a) verbunden ist, wobei ein Zentrum (Z_K) des kugelförmigen Abschnitts (8a) von dem Schwenkzentrum (Z_T) der Taumelscheibe (8) beabstandet ist und eine zu der Taumelscheibe (8) orthogonale Taumelscheibenachse (T) durch das Schwenkzentrum (Z_T) und das Zentrum (Z_K) des kugelförmigen Abschnitts (8a) verläuft, und wobei das Lenkgetriebe (10) ein zylindrisches Hülsenelement (9) aufweist, in dem der kugelförmige Abschnitt (8a) aufgenommen ist, wobei das Hülsenelement (9) mit einer Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes (10) räumlich ausrichtbar ist.Steering gear (10) for a surgical instrument (1), wherein the steering gear (10) has a spatially alignable swash plate (8) which is articulated to a main shaft (19) which defines a main axis (A), wherein the swash plate (8) is pivotable about a pivot center (Z _T ) which lies on the main axis (A) in two directions orthogonal to the main axis (A), characterized in that the swash plate (8) is connected to a spherical section (8a) by a lever section (8b), wherein a center (Z _K ) of the spherical section (8a) is spaced from the pivot center (Z _T ) of the swash plate (8) and a swash plate axis (T) orthogonal to the swash plate (8) runs through the pivot center (Z _T ) and the center (Z _K ) of the spherical section (8a), and wherein the steering gear (10) has a cylindrical sleeve element (9) in which the spherical portion (8a), wherein the sleeve element (9) is spatially alignable with a drive device of the steering gear (10).

Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptwelle (19) drehbar angetrieben ist, und die gelenkig verbundene Taumelscheibe (8) rotativ mit der Hauptwelle (19) gekoppelt ist, sodass die Taumelscheibe (8) mit der Hauptwelle (19) rotierbar ist.Steering gear (10) after Claim 1 , characterized in that the main shaft (19) is rotatably driven, and the articulated swash plate (8) is rotationally coupled to the main shaft (19), so that the swash plate (8) is rotatable with the main shaft (19).

Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (8) und der Hebelabschnitt (8b) und der kugelförmige Abschnitt (8a) einstückig gefertigt sind.Steering gear (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the swash plate (8) and the lever section (8b) and the spherical section (8a) are manufactured in one piece.

Lenkgetriebe (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Taumelscheibe (8) eine Aufnahmeöffnung (8c) aufweist, in der ein Kopplungsabschnitt (19a) der Hauptwelle (19) angeordnet ist, wobei zur gelenkigen Verbindung der Taumelscheibe (8) und der Hauptwelle (19) eine Kreuzgelenkscheibe (7) vorgesehen ist, die in der Aufnahmeöffnung (8c) der Taumelscheibe (8) angeordnet ist und eine Scheibenöffnung aufweist, in der der Kopplungsabschnitt (19a) der Hauptwelle (19) angeordnet ist, wobei die Kreuzgelenkscheibe (7) über zwei orthogonale Achsstiftpaare (7a, 7b) mit der Taumelscheibe (8) und der Hauptwelle (19) schwenkbar verbunden ist.Steering gear (10) according to at least one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the swash plate (8) has a receiving opening (8c) in which a coupling section (19a) of the main shaft (19) is arranged, wherein for the articulated connection of the swash plate (8) and the main shaft (19) a universal joint disc (7) is provided, which is arranged in the receiving opening (8c) of the swash plate (8) and has a disc opening in which the coupling section (19a) of the main shaft (19) is arranged, wherein the universal joint disc (7) is pivotally connected to the swash plate (8) and the main shaft (19) via two orthogonal axle pin pairs (7a, 7b).

Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (8c) eine Durchtrittsöffnung (8c) ist, die sich entlang der Taumelscheibenachse (T) durch die Taumelscheibe (8), den Hebelabschnitt (8b) und den kugelförmigen Abschnitt (8a) erstreckt.Steering gear (10) after Claim 4 , characterized in that the receiving opening (8c) is a passage opening (8c) which extends along the swash plate axis (T) through the swash plate (8), the lever portion (8b) and the spherical portion (8a).

Lenkgetriebe (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes (10) zur Bewegung des Hülsenelements (9), das eine Hülsenachse (H) definiert, ein Differentialgetriebe mit zwei Antriebskegelrädern (12) und einem Abtriebskegelrad (13) ist, das mit den beiden Antriebskegelrädern (12) in Eingriff steht und drehfest mit einem Lenkring (11) verbunden ist, in dem der mit der Taumelscheibe (8) verbundene kugelförmige Abschnitt (8a) über ein Wälzlager (15) drehbar gelagert ist, wobei ein Innenring des Wälzlagers (15) das Hülsenelement (9) bereitstellt, das mit dem Lenkring (11) um ein Schwenkzentrum (Z_D) des Differentialgetriebes verschwenkbar ist.Steering gear (10) according to at least one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the drive device of the steering gear (10) for moving the sleeve element (9) which defines a sleeve axis (H) is a differential gear with two drive bevel gears (12) and an output bevel gear (13) which engages with the two drive bevel gears (12) and is connected in a rotationally fixed manner to a steering ring (11) in which the spherical section (8a) connected to the swash plate (8) is rotatably mounted via a rolling bearing (15), an inner ring of the rolling bearing (15) providing the sleeve element (9) which can be pivoted with the steering ring (11) about a pivot center (Z _D ) of the differential gear.

Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwenkzentrum (Z_D) des Differentialgetriebes und das Schwenkzentrum (Z_T) der Taumelscheibe (8) deckungsgleich sind oder die Hülsenachse (H) durch das Schwenkzentrum (Z_D) des Differentialgetriebes und das Schwenkzentrum (Z_T) der Taumelscheibe (8) verläuft.Steering gear (10) after Claim 6 , characterized in that the pivot center (Z _D ) of the differential gear and the pivot center (Z _T ) of the swash plate (8) are congruent or the sleeve axis (H) runs through the pivot center (Z _D ) of the differential gear and the pivot center (Z _T ) of the swash plate (8).

Lenkgetriebe (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Abtriebskegelrad (13) ein viertes Kegelrad (14) angeordnet ist, das mit den beiden Antriebskegelrädern (12) in Eingriff steht und mit dem Lenkring (11) verbunden ist, der mittels eines Lagers (16) drehbar in Bezug auf das vierte Kegelrad (14) gelagert ist.Steering gear (10) after Claim 6 or 7 , characterized in that a fourth bevel gear (14) is arranged opposite the output bevel gear (13), which engages with the two drive bevel gears (12) and is connected to the steering ring (11) which is rotatably mounted with respect to the fourth bevel gear (14) by means of a bearing (16).

Lenkgetriebe (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsvorrichtung des Lenkgetriebes (10) zur Bewegung des Hülsenelements (9) eine kartesische Ansteuerungsmechanik mit zwei einachsigen, bevorzugt orthogonal zueinander und orthogonal zur Hauptachse (A) angeordneten Linearführungsvorrichtungen ist, die das Hülsenelement (9), dessen Hülsenachse (H) parallel zur Hauptachse (A) steht, lateral in zwei Raumrichtungen (X, Y) verschiebt, die bevorzugt orthogonal zueinander und zur Hauptachse (H) verlaufen.Steering gear (10) according to at least one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the drive device of the steering gear (10) for moving the sleeve element (9) is a Cartesian control mechanism with two single-axis linear guide devices, preferably arranged orthogonally to one another and orthogonal to the main axis (A), which displaces the sleeve element (9), the sleeve axis (H) of which is parallel to the main axis (A), laterally in two spatial directions (X, Y), which preferably run orthogonally to one another and to the main axis (H).

Lenkgetriebe (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Passung zwischen dem Hülsenelement (9) und dem kugelförmigen Abschnitt (8a) so gewählt ist, dass der kugelförmige Abschnitt (8a) innerhalb des Hülsenelements (9) drehbar und/oder verkippbar ist und/oder dass der kugelförmige Abschnitt (8a) in dem Hülsenelement (9) entlang dessen Hülsenachse (H) bewegbar ist.Steering gear (10) according to at least one of the Claims 1 until 9 , characterized in that a fit between the sleeve element (9) and the spherical portion (8a) is selected such that the spherical portion (8a) is rotatable and/or tiltable within the sleeve element (9) and/or that the spherical portion (8a) is movable in the sleeve element (9) along its sleeve axis (H).

Chirurgisches Instrument (1), das einen Schaft (2), ein Werkzeug (3) an einem distalen Schaftende (2a) und eine Handhabe (5) an einem proximalen Schaftende (2b) aufweist, wobei die Handhabe (5) ein Lenkgetriebe (10) mit einer Taumelscheibe (8) aufweist, die gelenkig mit einer Hauptwelle (19) verbunden ist, die eine Hauptachse (A) definiert, und um ein Schwenkzentrum (Z_T), das auf der Hauptachse (A) liegt, in zwei Richtungen orthogonal zur Hauptachse (A) verschwenkbar ist, wobei die Taumelscheibe (8) mit einer Mehrzahl Lenkdrähte (6) verbunden ist, die sich entlang der Hauptachse (A) durch den Schaft (2) zu einer Abwinkelungsmechanik (4) des Werkzeugs (3) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenkgetriebe (10) ein Lenkgetriebe (10) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.Surgical instrument (1) comprising a shaft (2), a tool (3) at a distal shaft end (2a) and a handle (5) at a proximal shaft end (2b), wherein the Handle (5) has a steering gear (10) with a swash plate (8) which is pivotally connected to a main shaft (19) defining a main axis (A) and is pivotable about a pivot center (Z _T ) lying on the main axis (A) in two directions orthogonal to the main axis (A), wherein the swash plate (8) is connected to a plurality of steering wires (6) which extend along the main axis (A) through the shaft (2) to a bending mechanism (4) of the tool (3), characterized in that the steering gear (10) is a steering gear (10) according to at least one of the Claims 1 until 10 is.