DE102012008537B4 - Surgical robot system - Google Patents
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Abstract
Hülle mit einer schlauchartigen Innendurchführung zum Durchführen
durch eine Hohlwelle
eines Roboters oder
einer Antriebseinheit (2; 102) für eine, insbesondere lösbar, an einem Roboter eines Chirurgierobotersystem befestigbare Instrumentenanordnung, die Antriebseinheit (2; 102) aufweisend wenigstens einen Drehantrieb (7, 8, 9) mit einer Antriebswelle, insbesondere Antriebs-Hohlwelle (10, 13, 15; 106, 107, 108), mit einem Koppelteil (31, 32, 33; 200, 201, 202; 300, 301, 302) zur Koppelung mit einer Antriebswelle eines Instruments der Instrumentenanordnung,
und durch eine Austrittsöffnung (507) der Hülle,
wobei die Innendurchführung einen Blindstopfen (502) und einen Abschlussring (503) zur Befestigung an einem Umfangsbereich der Innendurchführung aufweist, der durch Entfernen des Blindstopfens (502) frei wird.
Cover with a hose-like inner passage for passing through
through a hollow shaft
a robot or
a drive unit (2; 102) for an instrument arrangement that can be fastened, in particular detachably, to a robot of a surgical robot system, the drive unit (2; 102) having at least one rotary drive (7, 8, 9) with a drive shaft, in particular a hollow drive shaft (10, 13, 15; 106, 107, 108), with a coupling part (31, 32, 33; 200, 201, 202; 300, 301, 302) for coupling to a drive shaft of an instrument of the instrument arrangement,
and through an outlet opening (507) of the casing,
wherein the inner leadthrough has a blind plug (502) and a closure ring (503) for fastening to a peripheral region of the inner leadthrough, which becomes free by removing the blind plug (502).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Chirurgierobotersystem mit einem Roboter und einer daran befestigten Instrumentenanordnung, eine solche Instrumentenanordnung mit einer Antriebseinheit, einem Instrument und einer Instrumenten-Schnittstelle sowie eine solche Instrumenten-Schnittstelle, sowie eine Hülle, insbesondere einer solchen Instrumenten-Schnittstelle, und ein Verfahren zu deren Applizierung.The present invention relates to a surgical robot system with a robot and an instrument arrangement attached thereto, such an instrument arrangement with a drive unit, an instrument and an instrument interface as well as such an instrument interface, as well as a sleeve, in particular such an instrument interface, and a method for applying the same.
Chirurgische Instrumente sollen möglichst steril sein. Auf der anderen Seite sind Roboter, bedingt beispielsweise durch Schmiermittel, Abtrieb und dergleichen, nur schwer sterilisierbar.Surgical instruments should be as sterile as possible. On the other hand, robots are difficult to sterilize due to factors such as lubricants, drive force, and the like.
Aus der
Hierzu sind Scheiben, die in dem sterilen Adapter nebeneinander drehbar gelagert sind, mit Gegenscheiben gekoppelt, die in den Roboterarm integriert sind. Die Drehantriebe zur Aktuierung der Gegenscheiben sind in der Roboterbasis angeordnet, die Antriebsmomente werden durch Seilzüge in dem Roboterarm übertragen, so dass das antriebslose Instrument leicht handhabbar ist.For this purpose, discs, which are mounted side by side in the sterile adapter, are coupled to counter discs integrated into the robot arm. The rotary drives for actuating the counter discs are located in the robot base, and the drive torque is transmitted via cables in the robot arm, making the self-propelled instrument easy to handle.
Nach der
Nach der US 2007 / 0 016 174 A1 wird ein robotergestütztes chirurgisches Instrument zur Steuerung des Flusses einer oder mehrerer Flüssigkeiten in eine Operationsstelle hinein und aus ihr heraus bereitgestellt, das ein Gehäuse, ein Durchflusskontrollsystem, ein Hohlrohr und einen oder mehrere Schlauchanschlüsse umfassen kann.According to US 2007 / 0 016 174 A1, a robot-assisted surgical instrument for controlling the flow of one or more fluids into and out of a surgical site is provided, which may include a housing, a flow control system, a hollow tube and one or more hose connectors.
Nach der US 2010 / 0 154 578 A1 dienen Betätigungselemente wie Kabel oder Schubstangen in einem Instrument der Manipulation eines Endeffektors oder distalen Endes des Instruments, wobei jedes Aktuatorelement sich innerhalb eines röhrenförmigen Gehäuses erstreckt und entweder das röhrenförmige Gehäuse axial um das Aktuatorelement gedreht wird oder das Aktuatorelement axial innerhalb des röhrenförmigen Gehäuses gedreht wird, um mindestens eine Kraft zu verringern, die einer axialen Kraft entgegenwirkt, die durch das Aktuatorelement oder dessen Bewegung ausgeübt wird.According to US 2010 / 0 154 578 A1, actuating elements such as cables or push rods in an instrument are used to manipulate an end effector or distal end of the instrument, wherein each actuator element extends within a tubular housing and either the tubular housing is rotated axially about the actuator element or the actuator element is rotated axially within the tubular housing to reduce at least one force that counteracts an axial force exerted by the actuator element or its movement.
Die US 2011 / 0 295 270 A1 betrifft ein chirurgisches Instrument zur Verwendung mit einem Robotersystem, das über eine Steuereinheit und einen Schaftabschnitt verfügt, der ein elektrisch leitfähiges längliches Element umfasst, das an einem Abschnitt des Robotersystems befestigt ist, wobei das längliche Element so konfiguriert ist, dass es Steuerbewegungen vom Robotersystem an einen Endeffektor überträgt.US 2011/0 295 270 A1 relates to a surgical instrument for use with a robotic system, having a control unit and a shaft portion comprising an electrically conductive elongate element attached to a portion of the robotic system, the elongate element being configured to transmit control movements from the robotic system to an end effector.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Chirurgierobotersystem zur Verfügung zu stellen.An object of the present invention is to provide an improved surgical robot system.
Diese Aufgabe wird durch ein Chirurgierobotersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Anspruch 5 stellt eine Instrumentenanordnung eines solchen Chirurgierobotersystems unter Schutz, Anspruch 3 eine Instrumenten-Schnittstelle einer solchen Instrumentenanordnung, Anspruch 1 bzw. 2 eine Hülle, insbesondere für eine solche Instrumenten-Schnittstelle, bzw. ein Verfahren zu deren Verwendung. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.This object is achieved by a surgical robot system having the features of claim 10. Claim 5 protects an instrument assembly of such a surgical robot system, claim 3 protects an instrument interface of such an instrument assembly, and claims 1 and 2 respectively protect a cover, in particular for such an instrument interface, and a method for using the same. The subclaims relate to advantageous developments.
ChirurgierobotersystemSurgical robot system
Ein Chirurgierobotersystem nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen oder mehrere Roboter. Ein Roboter kann in einer Ausführung sechs oder mehr Gelenke, insbesondere Drehgelenke, aufweisen, wobei mehr als sechs Gelenke eine vorteilhafte Positionierung des redundanten Roboters ermöglichen können. Der bzw. die Roboter weisen in einer Ausführung eine Steuerung auf. Dabei können mehrere Roboter eine gemeinsame Zentralsteuerung oder Einzelsteuerungen aufweisen, die zur kompakteren Darstellung gemeinsam ebenfalls als eine Steuerung der Roboter bezeichnet wird. Ein Roboter kann in einer Ausführung an einem Operationstisch angeordnet, insbesondere lösbar befestigt, sein.A surgical robot system according to one aspect of the present invention comprises one or more robots. In one embodiment, a robot can have six or more joints, in particular rotary joints, wherein more than six joints can enable advantageous positioning of the redundant robot. In one embodiment, the robot(s) have a controller. In this case, several robots can have a common central controller or individual controllers, which can be used for more compact presentation. Position is also collectively referred to as a robot controller. In one embodiment, a robot can be arranged on an operating table, in particular releasably attached.
An einem oder mehreren Robotern des Chirurgierobotersystems ist jeweils eine Instrumentenanordnung nach einem nachfolgend erläuterten Aspekt der vorliegenden Erfindung befestigt. In einer Ausführung ist eine Instrumentenanordnung lösbar an einem Roboter befestigt, insbesondere formschlüssig, reibschlüssig und/oder magnetisch, insbesondere elektromagnetisch. In einer Ausführung weist die Instrumentenanordnung, insbesondere eine Antriebseinheit der Instrumentenanordnung, ein Gehäuse auf, welches an einer Außenseite des Roboters, insbesondere einem Roboter(end- bzw. -werkzeug)flansch, befestigt, beispielsweise verschraubt, verrastet oder geklemmt, ist. Zusätzlich oder alternativ kann insbesondere eine Instrumenten-Schnittstelle und/oder ein Instrument der Instrumentenanordnung an der Außenseite des Roboters, insbesondere einem Roboter(end- bzw. -werkzeug)flansch, befestigt sein.An instrument assembly according to an aspect of the present invention explained below is attached to one or more robots of the surgical robot system. In one embodiment, an instrument assembly is detachably attached to a robot, in particular in a form-fitting, frictional, and/or magnetic manner, in particular electromagnetically. In one embodiment, the instrument assembly, in particular a drive unit of the instrument assembly, has a housing that is attached, for example, screwed, latched, or clamped, to an outer side of the robot, in particular to a robot (end or tool) flange. Additionally or alternatively, in particular an instrument interface and/or an instrument of the instrument assembly can be attached to the outer side of the robot, in particular to a robot (end or tool) flange.
InstrumentenanordnungInstrument arrangement
Eine Instrumentenanordnung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist entsprechend zur Befestigung an einem Roboter eingerichtet bzw. als robotergeführte Instrumentenanordnung ausgebildet. Sie umfasst eine Antriebseinheit, ein Instrument und eine Instrumenten-Schnittstelle nach einem der nachfolgend erläuterten Aspekte der vorliegenden Erfindung.An instrument assembly according to one aspect of the present invention is configured for attachment to a robot or is designed as a robot-guided instrument assembly. It comprises a drive unit, an instrument, and an instrument interface according to one of the aspects of the present invention explained below.
Indem die, vorzugsweise als Ganzes tragbar ausgebildete, Instrumentenanordnung selber die Antriebseinheit aufweist, kann vorteilhaft eine Übertragung von Antriebskräften von dem Roboter selber auf das Instrument entfallen, der Roboter daher kleiner bauen, was insbesondere die Kooperation mehrerer schlanker Roboter in einem begrenzten Operationsgebiet ermöglichen kann. Zudem kann die Antriebseinheit vorteilhafterweise einfach an unterschiedliche Instrumente angepasst oder auch ausgewechselt werden. Sie ist vorzugsweise als eigenständiges bzw. vom Roboter unabhängiges Modul ausgebildet.By incorporating the drive unit into the instrument assembly itself, which is preferably designed to be portable as a whole, the transfer of drive forces from the robot itself to the instrument can be advantageously eliminated, allowing the robot to be constructed in a smaller size, which can particularly facilitate the cooperation of several slender robots in a limited operating area. Furthermore, the drive unit can be easily adapted to different instruments or even replaced. It is preferably designed as a standalone module or module independent of the robot.
In einer Ausführung umfasst eine Instrumentenanordnung zwei oder mehr verschiedene Antriebseinheiten und/oder zwei oder mehr verschiedene Instrumente, die wahlweise, insbesondere modulartig, mit einem Instrument bzw. einer Antriebseinheit zu einer an dem Roboter befestigten Instrumentenanordnung verbindbar sind. Verschiedene Antriebseinheiten bzw. Instrumente können sich insbesondere in der Anzahl und/oder Leistung aktuierter Freiheitsgrade unterscheiden. So kann beispielsweise eine Antriebseinheit mit drei aktuierten Freiheitsgraden wahlweise mit einem Instrument mit einem oder zwei aktuierten Freiheitsgraden und zwei bzw. einem nicht aktuierten, d.h. ungenutzen bzw. blinden Freiheitsgrad, und mit Instrumenten mit drei aktuierten Freiheitsgraden verbunden werden, die unterschiedliche Endeffektoren aufweisen.In one embodiment, an instrument arrangement comprises two or more different drive units and/or two or more different instruments, which can be selectively connected, in particular in a modular manner, to an instrument or drive unit to form an instrument arrangement attached to the robot. Different drive units or instruments can differ, in particular, in the number and/or performance of actuated degrees of freedom. For example, a drive unit with three actuated degrees of freedom can be selectively connected to an instrument with one or two actuated degrees of freedom and two or one non-actuated, i.e., unused or blind, degrees of freedom, and to instruments with three actuated degrees of freedom that have different end effectors.
Instrument und Antriebseinheit sind lösbar miteinander verbunden, wobei zwischen Antriebseinheit und Instrument eine Instrumenten-Schnittstelle angeordnet ist. Instrument und Antriebseinheit können insbesondere form-, reib-, stoffschlüssig und/oder magnetisch, vorzugsweise elektromagnetisch aneinander und/oder an der dazwischen angeordneten Instrumenten-Schnittstelle befestigt sein. Insbesondere kann die Instrumenten-Schnittstelle mit der Antriebseinheit und/oder dem Instrument verschraubt, verrastet, geklemmt oder auch verklebt sein, wobei die Klebestelle als Soll-Trennstelle ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Antriebseinheit mit dem Instrument verschraubt, verrastet oder geklemmt sein. In einer Ausführung weist die Instrumenten-Schnittstelle einen formstabilen Flansch zur Befestigung der Antriebseinheit und/oder des Instruments auf. Die Antriebseinheit ist in einer Ausführung an einem proximalen bzw. endeffektorfernen Ende des Instruments angeordnet.The instrument and drive unit are detachably connected to one another, with an instrument interface being arranged between the drive unit and the instrument. The instrument and drive unit can in particular be fastened to one another and/or to the instrument interface arranged therebetween in a form-fitting, frictional, material-fitting and/or magnetic manner, preferably electromagnetically. In particular, the instrument interface can be screwed, latched, clamped or even glued to the drive unit and/or the instrument, with the adhesive point being designed as a predetermined separation point. Additionally or alternatively, the drive unit can be screwed, latched or clamped to the instrument. In one embodiment, the instrument interface has a dimensionally stable flange for fastening the drive unit and/or the instrument. In one embodiment, the drive unit is arranged at a proximal end of the instrument, or end effector-distant end.
Antriebseinheitdrive unit
Eine Antriebseinheit nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen oder mehrere, insbesondere drei oder vier, Drehantriebe mit je wenigstens einer Antriebswelle auf. In einer Ausführung weisen ein oder mehrere Drehantriebe der Antriebseinheit je einen oder mehrere Elektromotoren, insbesondere Gleich- oder Wechselstrommotoren, mit einem Stator und einem Rotor auf. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Drehantriebe der Antriebseinheit je einen oder mehrere Hydraulikmotoren und/oder Piezo-Antriebe aufweisen, die die jeweiligen Antriebswelle(n) antreiben bzw. mit einem Drehmoment beaufschlagen können. Die Antriebswelle kann insbesondere ein Rotor bzw. Läufer eines Elektro- und/oder Hydraulikmotors sein. In einer Ausführung weist ein Drehantrieb ein, vorzugsweise koaxiales, Getriebe, insbesondere ein Umlaufgetriebe, vorzugsweise ein Planeten- oder Harmonic-Drive-Getriebe auf, wobei die Antriebswelle eine Abtriebs- bzw. Ausgangswelle des Getriebes sein kann. In einer anderen Ausführung ist ein Drehantrieb als Direktantrieb ausgebildet. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die Antriebswelle direkt durch ein, insbesondere hydraulisch, elektrisch und/oder (elektro)magnetisch erzeugtes, Antriebsdrehmoment ohne zwischengeschaltetes Getriebe beaufschlagt wird. Insbesondere ein solcher Direktantrieb kann in einer Ausführung selbsthemmungsfrei ausgebildet sein. Hierdurch kann vorteilhaft das Instrument mit angeflanschter Antriebseinheit aus einem Patienten entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Drehantrieb einen, insbesondere koaxialen, Sensor, insbesondere einen an- und/oder abtriebsseitigen Drehzahl- und/oder Drehmomentsensor aufweisen.A drive unit according to one aspect of the present invention comprises one or more, in particular three or four, rotary drives, each with at least one drive shaft. In one embodiment, one or more rotary drives of the drive unit each comprise one or more electric motors, in particular DC or AC motors, with a stator and a rotor. Additionally or alternatively, one or more rotary drives of the drive unit can each comprise one or more hydraulic motors and/or piezo drives, which can drive the respective drive shaft(s) or apply a torque to them. The drive shaft can in particular be a rotor or runner of an electric and/or hydraulic motor. In one embodiment, a rotary drive comprises a preferably coaxial gear, in particular an epicyclic gear, preferably a planetary or harmonic drive, wherein the drive shaft can be an output shaft of the gear. In another embodiment, a rotary drive is designed as a direct drive. In the present case, this is understood in particular to mean that the drive shaft is directly by a drive torque, in particular one generated hydraulically, electrically, and/or (electro)magnetically, without an intermediate gear. In particular, such a direct drive can be designed to be self-locking. This advantageously allows the instrument to be removed from a patient with the flanged drive unit. Additionally or alternatively, a rotary drive can have a sensor, in particular a coaxial one, in particular a speed and/or torque sensor on the input and/or output side.
Die Antriebswelle weist ein Koppelteil zur Koppelung mit einer Antriebswelle des Instruments auf, das drehfest mit der Antriebswelle ist. Es kann in einer Ausführung axialfest mit der Antriebswelle, insbesondere integral mit dieser, ausgebildet sein. In einer anderen Ausführung ist das Koppelteil axial verschieblich an der Antriebswelle angeordnet, insbesondere formschlüssig, beispielsweise mittels einer Passfeder, einer Keilverzahnung, eines Zahn- oder Polygonwellenprofils oder dergleichen. In einer Weiterbildung ist das Koppelteil axial vorgespannt, insbesondere durch ein Federmittel gegen die an der Antriebseinheit befestigte Instrumenten-Schnittstelle oder das an der Antriebseinheit befestigte Instrument. Hierdurch kann insbesondere eine Axialtoleranz kompensiert und/oder eine Anpresskraft für eine reibschlüssige Verbindung dargestellt werden.The drive shaft has a coupling part for coupling to a drive shaft of the instrument, which coupling part is rotationally fixed to the drive shaft. In one embodiment, it can be axially fixed to the drive shaft, in particular integral with it. In another embodiment, the coupling part is arranged axially displaceably on the drive shaft, in particular in a form-fitting manner, for example by means of a key, a spline, a toothed or polygonal shaft profile, or the like. In a further development, the coupling part is axially preloaded, in particular by a spring means, against the instrument interface attached to the drive unit or the instrument attached to the drive unit. This can, in particular, compensate for an axial tolerance and/or represent a contact force for a frictional connection.
Eine oder mehrere Antriebswellen sind in einer Ausführung als Hohlwellen ausgebildet. In einer Ausführung weist die Antriebseinheit eine oder mehrere Antriebswellen auf, die jeweils konzentrisch bzw. koaxial in einer sie umgebenden Antriebs-Hohlwelle angeordnet, insbesondere gelagert sind. Zur kompakteren Darstellung wird dabei jeweils die Antriebswelle, die in einer anderen Antriebswelle angeordnet ist, als innere Antriebswelle, die andere Antriebswelle als äußere Antriebswelle bezeichnet. Weist beispielsweise die Antriebseinheit in einer Ausführung drei Antriebswellen auf, so bildet die innerste Antriebswelle, die ebenfalls als Antriebs-Hohlwelle ausgebildet sein kann, eine innere Antriebswelle, die sie umgebende mittlere Antriebswelle eine äußere Antriebswelle und zugleich eine (weitere) innere Antriebswelle, die sie umgebende äußerste Antriebswelle eine (weitere) äußere Antriebswelle. In gleicher Weise kann die Antriebseinheit auch vier oder mehr konzentrische Antriebs-Hohlwellen aufweisen.One or more drive shafts are designed as hollow shafts in one embodiment. In one embodiment, the drive unit has one or more drive shafts, each of which is arranged, in particular mounted, concentrically or coaxially in a surrounding hollow drive shaft. For the sake of compactness, the drive shaft that is arranged in another drive shaft is referred to as the inner drive shaft, and the other drive shaft is referred to as the outer drive shaft. If, for example, the drive unit has three drive shafts in one embodiment, the innermost drive shaft, which can also be designed as a hollow drive shaft, forms an inner drive shaft, the middle drive shaft surrounding it forms an outer drive shaft and at the same time a (further) inner drive shaft, and the outermost drive shaft surrounding it forms a (further) outer drive shaft. In the same way, the drive unit can also have four or more concentric hollow drive shafts.
In einer Ausführung sind ein oder mehrere Drehantriebe koaxial zu ihrer jeweiligen Antriebswelle, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse koaxialer Antriebswellen angeordnet. Insbesondere können ein oder mehrere Drehantriebe fluchtend hintereinander angeordnet sein. Gleichermaßen können ein oder mehrere Drehantriebe parallel in radialer und/oder Umfangsrichtung versetzt zu ihren Antriebswellen, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse koaxialer Antriebswellen angeordnet und mit diesen insbesondere über ein Stirn- oder Reibradgetriebe gekoppelt sein. Gleichermaßen können ein oder mehrere Drehantriebe winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu ihrer jeweiligen Antriebswelle, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse koaxialer Antriebswellen angeordnet und mit diesen insbesondere über ein Schnecken-, Schrauben- oder Kronenradgetriebe gekoppelt sein.In one embodiment, one or more rotary drives are arranged coaxially to their respective drive shaft, in particular a common axis of rotation of coaxial drive shafts. In particular, one or more rotary drives can be arranged in alignment one behind the other. Likewise, one or more rotary drives can be arranged parallel to their drive shafts, in particular a common axis of rotation of coaxial drive shafts, offset in the radial and/or circumferential direction, and coupled to them, in particular via a spur gear or friction gear. Likewise, one or more rotary drives can be arranged at an angle, in particular at right angles, to their respective drive shaft, in particular a common axis of rotation of coaxial drive shafts, and coupled to them, in particular via a worm gear, screw gear, or crown gear.
Die Antriebseinheit kann jeweils drahtlos oder leitungsgebunden mit einer Energiequelle und/oder der Steuerung verbunden sein. In einer Ausführung umhüllt die nachfolgend erläuterte Hülle der Instrumenten-Schnittstelle auch, wenigstens teilweise, eine Energie- und/oder Signalleitung der Antriebseinheit.The drive unit can be connected to a power source and/or the controller wirelessly or via a wired connection. In one embodiment, the casing of the instrument interface described below also at least partially encloses a power and/or signal line of the drive unit.
Instrumentinstrument
Ein Instrument nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen Instrumentenschaft auf, an dessen distalem bzw. antriebseinheitsabgewandten Ende ein ein- oder mehrteiliger Endeffektor angeordnet sein kann, insbesondere ein Skalpell, Zangen- bzw. Scherenschenkel oder dergleichen.An instrument according to one aspect of the present invention has an instrument shaft, at the distal end of which, or the end facing away from the drive unit, a single-part or multi-part end effector can be arranged, in particular a scalpel, forceps or scissors legs or the like.
Das Instrument ist in einer Ausführung ein Endo- bzw. minimal-invasives chirurgisches Instrument („MIC“), insbesondere ein endoskopisches, beispielsweise laparoskopisches oder thorakoskopisches. Insbesondere kann der Instrumentenschaft dazu vorgesehen bzw. eingerichtet sein, durch einen Eintritt, der vorzugsweise im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Instrumentenschaftes entspricht, insbesondere durch einen Trokar, in den Patienten eingeführt und dort aktuiert zu werden.In one embodiment, the instrument is an endo- or minimally invasive surgical instrument ("MIS"), in particular an endoscopic instrument, for example, laparoscopic or thoracoscopic. In particular, the instrument shaft can be designed or configured to be inserted into the patient and actuated there through an inlet that preferably substantially corresponds to the outer diameter of the instrument shaft, in particular through a trocar.
Der Endeffektor kann ein oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Insbesondere können ein oder mehrere Teile des Endeffektors je ein oder zwei Drehfreiheitsgrade um Drehachsen aufweisen, die vorzugsweise senkrecht zur Schaftachse stehen. Beispielsweise kann ein zweiteiliger Endeffektor eine Zange bzw. Schere darstellen, deren Schenkel gegensinnig um dieselbe Drehachse verschwenken.The end effector can have one or more degrees of freedom. In particular, one or more parts of the end effector can each have one or two degrees of rotational freedom around axes of rotation that are preferably perpendicular to the shaft axis. For example, a two-part end effector can represent a pair of pliers or scissors whose legs pivot in opposite directions around the same axis of rotation.
Zur Aktuierung des Endeffektors weist das Instrument eine oder mehrere Antriebswellen, insbesondere eine Antriebswelle zur Aktuierung jeden Freiheitsgrades, in einer Ausführung also insbesondere ein, zwei oder drei Antriebswellen auf.To actuate the end effector, the instrument has one or more drive shafts, in particular one drive shaft for actuating each degree of freedom, in one embodiment therefore in particular one, two or three drive shafts.
Die Antriebswelle weist ein Koppelteil zur Koppelung mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit auf, das drehfest mit der Antriebswelle ist. Es kann in einer Ausführung axialfest mit der Antriebswelle, insbesondere integral mit dieser ausgebildet, sein. In einer anderen Ausführung ist das Koppelteil axial verschieblich an der Antriebswelle angeordnet, insbesondere formschlüssig, beispielsweise mittels einer Passfeder, einer Keilverzahnung, eines Zahn- oder Polygonwellenprofils oder dergleichen. In einer Weiterbildung ist das Koppelteil axial vorgespannt, insbesondere durch ein Federmittel gegen die an dem Instrument befestigte Instrumenten- Schnittstelle oder die an dem Instrument befestigte Antriebseinheit.The drive shaft has a coupling part for coupling to a drive shaft of the drive unit, which coupling part is rotationally fixed to the drive shaft. In one embodiment, it can be axially fixed to the drive shaft, in particular formed integrally with it. In another embodiment, the coupling part is arranged axially displaceably on the drive shaft, in particular in a form-fitting manner, for example by means of a key, a spline, a toothed or polygonal shaft profile, or the like. In a further development, the coupling part is axially preloaded, in particular by a spring means, against the instrument interface attached to the instrument or the drive unit attached to the instrument.
Eine oder mehrere Antriebswellen sind in einer Ausführung als Hohlwellen ausgebildet. In einer Ausführung weist die Antriebseinheit eine oder mehrere Antriebswellen auf, die jeweils konzentrisch bzw. koaxial in einer sie umgebenden Antriebs-Hohlwelle angeordnet, insbesondere gelagert sind.In one embodiment, one or more drive shafts are designed as hollow shafts. In one embodiment, the drive unit has one or more drive shafts, each of which is arranged, in particular mounted, concentrically or coaxially in a surrounding hollow drive shaft.
Indem die (innerste) Antriebswelle des Instruments als Antriebs-Hohlwelle ausgebildet ist, wird in einer Ausführung vorteilhaft ein Ein- bzw. Durchführen eines Zusatz-Instruments ermöglicht.By designing the (innermost) drive shaft of the instrument as a hollow drive shaft, one embodiment advantageously allows for the insertion or passage of an additional instrument.
In einer Ausführung fluchten miteinander gekoppelte Antriebswellen von Antriebseinheit und Instrument miteinander. In einer Ausführung ist(sind) die Antriebswelle(n) koaxial, insbesondere fluchtend oder parallel versetzt zu dem Instrumentenschaft angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung eine radial kompakte Bauform erreicht werden. In einer anderen Ausführung ist(sind) die Antriebswelle(n) winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu dem Instrumentenschaft angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung die Antriebseinheit winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu dem Instrumentenschaft angeordnet werden.In one embodiment, the coupled drive shafts of the drive unit and instrument are aligned with each other. In one embodiment, the drive shaft(s) are arranged coaxially, in particular aligned or offset parallel to the instrument shaft. This allows a radially compact design to be achieved in one embodiment. In another embodiment, the drive shaft(s) are arranged at an angle, in particular at a right angle, to the instrument shaft. This allows the drive unit to be arranged at an angle, in particular at a right angle, to the instrument shaft.
In einer Ausführung weist das Instrument ein instrumentenseitiges Umsetzungsgetriebe zur Umsetzung einer Rotation einer oder mehrerer Antriebswellen in eine entsprechende Translation eines bzw. mehrerer Zug- und/oder Schubmittel auf. Ein Zugmittel kann insbesondere ein oder mehrere, insbesondere gegenläufige, Seil-, Riemen- oder Bandtrumme aufweisen, ein Zug- und/oder Schubmittel ein oder mehrere, insbesondere gegenläufige, Zug- und/oder Schubstangen.In one embodiment, the instrument has a conversion gear on the instrument side for converting the rotation of one or more drive shafts into a corresponding translation of one or more traction and/or thrust means. A traction means can comprise one or more, particularly counter-rotating, rope, belt, or band drums, and a traction and/or thrust means can comprise one or more, particularly counter-rotating, pull and/or push rods.
In einer Ausführung weist das Umsetzungsgetriebe eine, insbesondere für eine oder mehrere Antriebswellen der Antriebseinheit je eine, Kulissenführung auf. Eine Kulissenführung umfasst nach einer Ausführung eine Schiebehülse, die relativ zum Instrumentenschaft drehfest und axial verschieblich gelagert ist, insbesondere an dem Instrumentenschaft oder einer umgebenden Antriebshohlwelle. In einer von der Schiebehülse und der Antriebswelle ist eine, insbesondere gegen die Axialrichtung geneigte, Kulisse bzw. Nut ausgebildet, in der ein Passelement, insbesondere eine Passfeder, von dem anderen von der Schiebehülse und der Antriebswelle formschlüssig geführt ist. Auf diese Weise wird eine Drehung der Antriebswelle in eine axiale Translation der Schiebehülse umgesetzt, die so insbesondere ein Zug- und/oder Schubmittel aktuieren kann.In one embodiment, the conversion gear has a slotted guide, in particular one for each of one or more drive shafts of the drive unit. According to one embodiment, a slotted guide comprises a sliding sleeve which is mounted in a rotationally fixed and axially displaceable manner relative to the instrument shaft, in particular on the instrument shaft or a surrounding hollow drive shaft. In one of the sliding sleeve and the drive shaft, a slotted guide or groove is formed, in particular inclined against the axial direction, in which a fitting element, in particular a feather key, is guided in a form-fitting manner by the other of the sliding sleeve and the drive shaft. In this way, a rotation of the drive shaft is converted into an axial translation of the sliding sleeve, which can thus actuate in particular a pulling and/or pushing means.
Wenn in einer Ausführung eine Antriebswelle in einer Antriebshohlwelle gelagert ist, kann in einer Weiterbildung eine mit einer Antriebswelle gekoppelte Schiebehülse einer Kulissenführung zugleich ein Radiallager, insbesondere ein Loslager, zwischen dieser und einer benachbarten Antriebswelle bilden. Ein Festlager einer Antriebswelle ist vorzugsweise an einem antriebseinheitszugewandten bzw. proximalen Ende des Instrumentenschaftes angeordnetIf, in one embodiment, a drive shaft is mounted in a hollow drive shaft, in a further development, a sliding sleeve of a slotted guide coupled to a drive shaft can simultaneously form a radial bearing, in particular a floating bearing, between the slotted guide and an adjacent drive shaft. A fixed bearing of a drive shaft is preferably arranged at a proximal end of the instrument shaft facing the drive unit.
In einer Ausführung ist das Umsetzungsgetriebe in einer antriebseinheitszugewandten bzw. proximalen Hälfte des Instrumentenschaftes angeordnet. In einer anderen Ausführung ist das Umsetzungsgetriebe in einer antriebseinheitsabgewandten bzw. distalen Hälfte des Instrumentenschaftes angeordnet. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Aktuierung über einen großen Bereich des Instrumentenschaftes durch die Zug- und/oder Schubmittel bzw. durch die Antriebswellen übertragen werden.In one embodiment, the transmission gear is arranged in a half of the instrument shaft facing the drive unit, or the proximal half. In another embodiment, the transmission gear is arranged in a half of the instrument shaft facing away from the drive unit, or the distal half. This advantageously allows the actuation to be transmitted over a large area of the instrument shaft by the traction and/or thrust means or by the drive shafts.
Zusatz-InstrumentAdditional instrument
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Instrumentenanordnung ein Zusatz-Instrument auf, welches, insbesondere lösbar, durch das Instrument der Instrumentenanordnung, insbesondere ein Führungsrohr des Instruments ein- bzw. durchgeführt, insbesondere mit Radialspiel oder einer Radialpassung eingesteckt, ist. Hierzu kann das Zusatz-Instrument in einer Ausführung rohrförmig ausgebildet und starr oder flexibel sein. Das Instrument kann entsprechend in einer Ausführung ein, insbesondere starres, Führungsrohr aufweisen, welches, insbesondere zentrisch, in dem Instrumentenschaft angeordnet sein und/oder sich - wenigstens im Wesentlichen - über die gesamte Innenlänge des Instrumentenschaftes erstrecken kann. In einer Weiterbildung kann eine (innerste) Antriebshohlwelle des Instruments als Führungsrohr fungieren bzw. ein Führungsrohr bilden.According to one aspect of the present invention, an instrument arrangement comprises an additional instrument which is inserted or guided, in particular detachably, through the instrument of the instrument arrangement, in particular a guide tube of the instrument, in particular inserted with radial play or a radial fit. For this purpose, the additional instrument can be tubular in one embodiment and rigid or flexible. Accordingly, in one embodiment, the instrument can comprise a guide tube, particularly a rigid one, which can be arranged, particularly centrally, in the instrument shaft and/or can extend—at least substantially—over the entire inner length of the instrument shaft. In a further development, an (innermost) hollow drive shaft of the instrument can function as a guide tube or form a guide tube.
Das Zusatz-Instrument kann in einer Ausführung als Führung für gasförmige und/oder flüssige Medien, insbesondere als Saug- und/oder Zufuhrpassage, und/oder als elektrischer und/oder Lichtwellenleiter ausgebildet sein, um beispielsweise Spül- oder Wasserstrahlchirurgie-Medien, insbesondere unter Unter- bzw. Überdruck, ab- bzw. zuzuführen, Laser- und/oder Beleuchtungslicht und/oder Strom in den Patienten zu leiten und/oder optische und/oder elektrische Signale aus ihm herauszuführen.The additional instrument can be designed as a guide for gaseous and/or liquid media, in particular as a suction and/or supply passage, and/or as an electrical and/or optical fiber, for example to remove or supply rinsing or water jet surgical media, in particular under negative or positive pressure, to guide laser and/or illumination light and/or current into the patient and/or to guide optical and/or electrical signals out of the patient.
In einer Ausführung kann das Zusatz-Instrument auf einer der Antriebseinheit abgewandten Seite der Instrumentenschnittstelle durch das Instrument eingeführt sein, so dass es vorteilhafterweise nicht gegen die Antriebseinheit steril abgegrenzt werden muss. In einer anderen Ausführung ist das Zusatz-Instrument durch die Antriebseinheit, insbesondere eine (innerste) Antriebshohlwelle der Antriebseinheit eingeführt.In one embodiment, the additional instrument can be inserted through the instrument on a side of the instrument interface facing away from the drive unit, so that it advantageously does not need to be sterilely separated from the drive unit. In another embodiment, the additional instrument is inserted through the drive unit, in particular through an (innermost) hollow drive shaft of the drive unit.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Zusatz-Instrument kann ein Antriebsmittel zum Betätigen eines Endeffektors, insbesondere lösbar, durch das Instrument der Instrumentenanordnung, insbesondere eine (innerste) Antriebshohlwelle des Instruments eingeführt, insbesondere mit Radialspiel oder einer Radialpassung eingesteckt, sein. Hierzu kann das Antriebsmittel in einer Ausführung rohrförmig ausgebildet und starr oder flexibel sein. Das Antriebsmittel kann insbesondere ein oder mehrere Zug- und/oder Schubmittel und/oder ein oder mehrere Drehwellen aufweisen.In addition or alternatively to the additional instrument, a drive means for actuating an end effector can be inserted, in particular detachably, through the instrument of the instrument assembly, in particular an (innermost) hollow drive shaft of the instrument, in particular inserted with radial play or a radial fit. For this purpose, the drive means can be tubular in one embodiment and can be rigid or flexible. The drive means can in particular comprise one or more pulling and/or pushing means and/or one or more rotating shafts.
Instrumenten-SchnittstelleInstrument interface
Eine Instrumenten-Schnittstelle nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine die Antriebseinheit, insbesondere hermetisch bzw. steril, umschließende Hülle auf. Die Hülle ist in einer Ausführung flexibel, insbesondere folienartig. In einer Ausführung ist die Hülle auf der antriebseinheitsabgewandten Außenseite steril oder sterilisierbar.An instrument interface according to one aspect of the present invention comprises a sheath that encloses the drive unit, in particular in a hermetically or sterile manner. In one embodiment, the sheath is flexible, in particular film-like. In one embodiment, the sheath is sterile or sterilizable on the outer side facing away from the drive unit.
Auf diese Weise kann die Antriebseinheit, die aufgrund von Abrieb, Schmiermittel, temperatur- und/oder feuchtigkeitsempfindlicher Komponenten oder dergleichen nur schwer sterilisierbar sein kann, gegen die Operationsumgebung steril abgeschirmt werden, wobei die Aktuierung durch bzw. über die Schnittstelle in das, vorteilhafterweise einfach sterilisierbare, Instrument übertragen wird.In this way, the drive unit, which may be difficult to sterilize due to abrasion, lubricants, temperature- and/or moisture-sensitive components or the like, can be sterilely shielded from the operating environment, with the actuation being transmitted through or via the interface into the instrument, which is advantageously easy to sterilize.
In einer Ausführung sind Koppelteile einer oder mehrerer Antriebswellen der Antriebseinheit und entsprechender, insbesondere koaxialer, Antriebswellen des Instruments magnetisch miteinander gekoppelt. Insbesondere in diesem Fall kann die Instrumenten-Schnittstelle durch eine einfache Folie gebildet werden, wobei vorzugsweise ein Luftspalt zwischen den magnetisch miteinander gekoppelten Koppelteilen ausgebildet ist.In one embodiment, coupling parts of one or more drive shafts of the drive unit and corresponding, in particular coaxial, drive shafts of the instrument are magnetically coupled to one another. In this case, in particular, the instrument interface can be formed by a simple foil, with an air gap preferably formed between the magnetically coupled coupling parts.
In einer Ausführung weist die Instrumenten-Schnittstelle ein oder mehrere drehbare Zwischenelemente auf, die dazu eingerichtet sind, mit je einem Koppelteil einer Antriebswelle der Antriebseinheit und einem Koppelteil einer Antriebswelle des Instruments, insbesondere reib- oder formschlüssig, gekoppelt zu sein, wenn die Schnittstelle zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnet, insbesondere an Antriebseinheit und/oder Instrument befestigt ist.In one embodiment, the instrument interface has one or more rotatable intermediate elements which are designed to be coupled, in particular frictionally or positively, to a coupling part of a drive shaft of the drive unit and a coupling part of a drive shaft of the instrument when the interface is arranged between the drive unit and the instrument, in particular is fastened to the drive unit and/or instrument.
Die Anordnung der Zwischenelemente entspricht vorzugsweise der Anordnung der Antriebswellen bzw. ihrer Koppelteile. Sind also in einer Ausführung die Antriebswellen von Antriebseinheit und/oder Instrument konzentrisch, so sind insbesondere auch die Zwischenelemente konzentrisch zueinander angeordnet, wobei vorzugsweise, wie vorstehend erläutert, jeweils ein, insbesondere ringförmiges, inneres Zwischenelement, konzentrisch in einem äußeren ringförmigen Zwischenelement angeordnet, insbesondere gelagert ist. In einer Weiterbildung sind die Zwischenelemente abgedichtet gelagert, beispielsweise durch Lagerringe, die Labyrinthdichtungen aufweisen oder dergleichen. Unter abgedichtet wird dabei vorliegend insbesondere steril im medizinischen Sinne verstanden, insbesondere derart abgedichtet, dass feste, vorzugsweise auch flüssige, insbesondere auch gasförmige Elemente einer vorgegebenen Größe die Dichtung höchstens in einer vorgegebenen Höchstmenge bzw. -rate, die auch gleich Null sein kann, überwinden können.The arrangement of the intermediate elements preferably corresponds to the arrangement of the drive shafts or their coupling parts. If, in one embodiment, the drive shafts of the drive unit and/or instrument are concentric, the intermediate elements are also arranged concentrically to one another, wherein, as explained above, a respective, in particular annular, inner intermediate element is preferably arranged, in particular mounted, concentrically in an outer annular intermediate element. In a further development, the intermediate elements are mounted in a sealed manner, for example by bearing rings which have labyrinth seals or the like. In this case, sealed is understood to mean sterile in the medical sense, in particular sealed in such a way that solid, preferably also liquid, and in particular also gaseous elements of a predetermined size can overcome the seal at most in a predetermined maximum quantity or rate, which can also be zero.
Die Instrumenten-Schnittstelle kann einen formstabilen Flansch zur Befestigung der Antriebseinheit und/oder des Instruments aufweisen, in dem die Zwischenelemente, insbesondere abgedichtet, drehbar gelagert sind.The instrument interface can have a dimensionally stable flange for fastening the drive unit and/or the instrument, in which the intermediate elements are rotatably mounted, in particular in a sealed manner.
Zur reibschlüssigen Koppelung können Zwischenelemente und Koppelteile von Antriebseinheit und/oder Instrument Kontaktflächen aufweisen, die einander berühren, wenn die Instrumenten-Schnittstelle zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnet ist und Instrument und Antriebseinheit direkt und/oder über die Instrumenten-Schnittstelle verbunden sind. Zur formschlüssigen Koppelung können solche Kontaktflächen ineinander eingreifende Vorsprünge und Aussparungen bzw. komplementäre Absätze aufweisen. Insbesondere können an einem von einem Koppelteil und einem Zwischenelement ein oder mehrere Vorsprünge bzw. Absätze angeordnet sein, die in Aussparungen bzw. komplementäre Absätze in dem anderen von dem Koppelteil und dem Zwischenelement formschlüssig eingreifen, wenn die Instrumenten-Schnittstelle, insbesondere ein formstabiler Flansch der Instrumenten-Schnittstelle, an der Antriebseinheit bzw. dem Instrument angeordnet ist. Vorzugsweise können Koppelteil und Zwischenelement miteinander kämmende Stirn-, insbesondere Hirth-Verzahnungen aufweisen.For frictional coupling, intermediate elements and coupling parts of the drive unit and/or instrument can have contact surfaces that touch one another when the instrument interface is arranged between the drive unit and the instrument and the instrument and drive unit are connected directly and/or via the instrument interface. For positive coupling, such contact surfaces can have interengaging projections and recesses or complementary shoulders. In particular, one or more projections or shoulders can be arranged on one of a coupling part and an intermediate element, which engage in recesses or complementary shoulders in the other of the coupling part and the intermediate element in a positive-locking manner when the instrument interface, in particular a dimensionally stable flange of the instrument interface, is arranged on the drive unit or the instrument. The coupling part and intermediate element can preferably have intermeshing spur gears, in particular Hirth gears.
Die Reib- oder Formschluss-Kontaktflächen können in einer Ausführung kegelförmig ausgebildet sein. Hierdurch kann vorteilhaft eine Selbstzentrierung und/oder, insbesondere in Kombination mit axial verschieblichen, vorzugsweise vorgespannten, Koppelteilen, eine Kompensation einer Axialtoleranz erreicht werden.The friction or form-fitting contact surfaces can be conical in one embodiment. This advantageously allows for self-centering and/or, particularly in combination with axially displaceable, preferably preloaded, coupling parts, compensation for axial tolerances.
In einer Ausführung weist die Hülle eine Innendurchführung für ein durch das Instrument und die Antriebseinheit der Instrumentenanordnung eingeführtes Zusatz-Instrument auf. Diese Innendurchführung kann schlauchartig ausgebildet sein und eine inner(st)e Antriebshohlwelle der Antriebseinheit durchgreifen. In einer Weiterbildung ist sie abgedichtet, insbesondere drehbar, mit einem inner(st)en, mit der Antriebshohlwelle gekoppelten Zwischenelement der Instrumenten-Schnittstelle verbunden.In one embodiment, the sheath has an internal passage for an additional instrument inserted through the instrument and the drive unit of the instrument assembly. This internal passage can be tubular and extend through an inner hollow drive shaft of the drive unit. In a further development, it is sealed, in particular rotatably, to an inner intermediate element of the instrument interface coupled to the hollow drive shaft.
In einer Weiterbildung weist die Innendurchführung einen Blindstopfen und einen Abschlussring auf. In einem Ausgangs- bzw. Montagezustand ist der Blindstopfen an einem Ende der Innendurchführung befestigt, verschließt diese und deckt einen Umfangsbereich der Innendurchführung ab. Der Blindstopfen kann dann durch die Antriebseinheit gezogen werden, so dass er durch eine Austrittsöffnung der Hülle aus dieser austritt und entfernt werden kann. Anschließend kann der Abschlussring an dem Umfangsbereich der Innendurchführung befestigt werden, der durch Entfernen des Blindstopfens freigelegt wurde, und zudem die Austrittsöffnung der Hülle verschließen. Auf diese Weise kann eine torusartige Hülle mit einer sterilen Außenoberfläche zur Verfügung gestellt werden, in deren Ringraum die Antriebseinheit angeordnet und so steril gegen die OP-Umgebung abgegrenzt ist, und deren Durchgangsöffnung zur Einführung des Zusatz-Instruments zur Verfügung steht.In a further development, the internal feedthrough has a blind plug and a closing ring. In an initial or assembled state, the blind plug is attached to one end of the internal feedthrough, closes it, and covers a peripheral area of the internal feedthrough. The blind plug can then be pulled through the drive unit so that it exits through an outlet opening in the sheath and can be removed. The closing ring can then be attached to the peripheral area of the internal feedthrough that was exposed by removing the blind plug and also close the outlet opening of the sheath. In this way, a torus-shaped sheath with a sterile outer surface can be provided, in whose annular space the drive unit is arranged and thus sterilely separated from the surgical environment, and whose through opening is available for the introduction of the additional instrument.
Die vorstehend erläuterte Weiterbildung eignet sich insbesondere für die vorstehend erläuterte Antriebseinheit mit einer Antriebs-Hohlwelle. Sie kann gleichermaßen zum, insbesondere sterilen, Umhüllen eines Roboters mit einem Werkzeugflansch verwendet werden, der eine Hohlwelle aufweist. Unter einem (sterilen) Umhüllen wird vorliegend insbesondere ein teilweises oder vollständiges bzw. allseitig geschlossenes, insbesondere hermetisches, Abdecken bzw. Umschließen verstanden.The above-described development is particularly suitable for the above-described drive unit with a hollow drive shaft. It can also be used for the, in particular sterile, encasing of a robot with a tool flange having a hollow shaft. In this case, (sterile) encasing is understood to mean, in particular, a partial or complete or all-round, particularly hermetic, covering or enclosing.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist daher eine Hülle, die insbesondere eine oder mehrere Merkmale der vorstehend beschriebenen Hülle der Instrumenten-Schnittstelle aufweisen kann, allgemein eine schlauchartige Innendurchführung zum Durchführen durch eine Hohlwelle eines Roboters oder einer vorstehend erläuterten Antriebseinheit und durch eine Austrittsöffnung der Hülle auf, wobei die Innendurchführung einen Blindstopfen und einen ein- oder mehrteiligen Abschlussring zur Befestigung an der Austrittsöffnung und einen, insbesondere äußeren, Umfangs- bzw. Mantelflächenbereich der Innendurchführung aufweist, der durch Entfernen des Blindstopfens frei wird. Die Innendurchführung kann insbesondere drehbar an der Hülle gelagert oder integral mit dieser ausgebildet sein. Sie kann insbesondere starr oder flexibel ausgebildet sein. Zur kompakteren Darstellung wird auch eine starre rohrförmige Innendurchführung verallgemeinernd als schlauchartig bezeichnet.According to one aspect of the present invention, a sleeve, which in particular can have one or more features of the above-described sleeve of the instrument interface, generally has a hose-like inner feedthrough for passing through a hollow shaft of a robot or of a drive unit explained above and through an outlet opening of the sleeve, wherein the inner feedthrough has a blind plug and a one-part or multi-part closing ring for fastening to the outlet opening and a, in particular outer, circumferential or jacket surface area of the inner feedthrough, which is released by removing the blind plug. The inner feedthrough can in particular be rotatably mounted on the sleeve or formed integrally therewith. It can in particular be rigid or flexible. For a more compact representation, a rigid tubular inner feedthrough is also generally referred to as hose-like.
Zum Umhüllen des Roboters oder der Antriebseinheit wird zunächst die mit dem Blindstopfen versehene Innendurchführung durch die Hohlwelle und die Austrittsöffnung der Hülle durchgeführt. Der Blindstopfen, der vorzugsweise eine geschlossene Außenstirnseite und/oder eine rohrartige Mantelfläche aufweist, verhindert dabei eine Verschmutzung des Inneren der schlauchartigen Innendurchführung und des durch ihn abgedeckten Umfangsbereichs der Innendurchführung. Gleichermaßen kann auch die Innendurchführung zunächst stirnseitig verschlossen sein, wobei der Verschlussbereich anschließend abgetrennt wird. Um das Durchführen zu erleichtern, kann der Blindstopfen eine starre oder flexible Einführhilfe, insbesondere eine Schnur oder einen Stab, aufweisen.To enclose the robot or drive unit, the inner bushing, fitted with the blind plug, is first inserted through the hollow shaft and the outlet opening of the casing. The blind plug, which preferably has a closed outer face and/or a tubular outer surface, prevents contamination of the interior of the tubular inner bushing and the peripheral area of the inner bushing covered by it. Similarly, the inner bushing can also The plug must first be sealed at the front, with the sealing area then being separated. To facilitate insertion, the blind plug can have a rigid or flexible insertion aid, in particular a cord or rod.
Anschließend wird der Blindstopfen entfernt und der Abschlussring an dem Umfangsbereich der Innendurchführung befestigt, der durch das Entfernen des Blindstopfens frei geworden ist. Wie vorstehend beschrieben, kann der Abschlussring, der starr oder flexibel ausgebildet sein kann, in einer Weiterbildung an der Austrittsöffnung der Hülle befestigt werden und diese - bis auf die Innendurchführung - verschließen. Ein an dem Umfangsbereich der Innendurchführung befestigter Teil des Abschlussringes kann insbesondere drehbar an einem an der Austrittsöffnung der Hülle befestigten Teil des Abschlussringes gelagert oder integral bzw. einteilig mit diesem ausgebildet sein.The blind plug is then removed, and the sealing ring is attached to the peripheral area of the inner feedthrough that has been exposed by the removal of the blind plug. As described above, the sealing ring, which can be rigid or flexible, can be attached to the outlet opening of the casing in a further development, closing it off except for the inner feedthrough. A part of the sealing ring attached to the peripheral area of the inner feedthrough can, in particular, be rotatably mounted on a part of the sealing ring attached to the outlet opening of the casing, or can be formed integrally or in one piece with the latter.
Der Umfangsbereich der Innendurchführung, der durch das Entfernen des Blindstopfens frei geworden ist, wurde durch den Blindstopfen vor Verschmutzung beim Durchführen geschützt. Unter einem Befestigen an dem Umfangsbereich wird vorliegend insbesondere ein Befestigen derart, dass der Umfangsbereich in Längsrichtung der Innendurchführung gesehen ganz oder teilweise von dem Abschlussring abgedeckt ist, verstanden. Der Umfangsbereich, der durch das Entfernen des Blindstopfens frei geworden ist, kann in Längsrichtung ein- oder beidseitig über den Abschlussring hinausragen. Gleichermaßen kann der Abschlussring außer dem Umfangsbereich, der durch das Entfernen des Blindstopfens frei geworden ist, oder einem Teil dieses Umfangsbereichs auch einen Umfangsbereich der Innendurchführung abdecken, der zuvor nicht von dem Blindstopfen abgedeckt war.Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 : einen Teil einer Instrumentenanordnung eines Chirurgierobotersystems nach einer Ausführung der Erfindung in einem perspektivischen Schnitt; -
2 : ein instrumentenseitiges Umsetzungsgetriebe nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
3 : das Umsetzungsgetriebe der2 in einem anderen perspektivischen Schnitt; -
4 : einen Schnitt einer Kegelkupplung einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
5 : weitere Ausführungen einer solchen Kegelkupplung; -
6 : eine Wellenkupplung einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
7 : einen Schnitt dieser Wellenkupplung der6 ; -
8 : eine Magnetkupplung einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
9 : die Magnetkupplung der8 in einem Schnitt; -
10 : in zwei perspektivischen Ansichten ein Umsetzgetriebe nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
11 : einen vergrößerten Schnitt des Umsetzgetriebes der10 ; -
12 : ein Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem distalen Umsetzgetriebe in einer perspektivischen Gesamtansicht (oben) bzw. einem vergrößerten Teilschnitt (unten); -
13 : eine Instrumenten-Schnittstelle nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
14 : die Instrumenten-Schnittstelle der13 mit verbundenem Blindstopfen; -
15 : die Instrumenten-Schnittstelle der14 mit entferntem Blindstopfen; -
16 : die Instrumenten-Schnittstelle der15 mit verbundenem Abschlussring; -
17 : die Instrumenten-Schnittstelle der16 mit ankoppelndem Instrument; -
18 : eine Instrumentenanordnung mit einem eingeführten Zusatz-Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
19 : einen Teil eines Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; -
20 : einen Teil eines Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; und -
21A ,21B : ein Umhüllen eines Roboters mit einer Hülle nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 : a part of an instrument arrangement of a surgical robot system according to an embodiment of the invention in a perspective section; -
2 : an instrument-side conversion gear according to a further embodiment of the present invention; -
3 : the implementation gear of the2 in a different perspective cut; -
4 : a section of a conical coupling of an instrument assembly according to an embodiment of the present invention; -
5 : further designs of such a cone clutch; -
6 : a shaft coupling of an instrument assembly according to an embodiment of the present invention; -
7 : a section of this shaft coupling of the6 ; -
8 : a magnetic coupling of an instrument arrangement according to an embodiment of the present invention; -
9 : the magnetic coupling of the8 in one cut; -
10 : in two perspective views a conversion gear according to an embodiment of the present invention; -
11 : an enlarged section of the transfer gear of the10 ; -
12 : an instrument according to an embodiment of the present invention with a distal transfer gear in a perspective overall view (top) and an enlarged partial section (bottom); -
13 : an instrument interface according to an embodiment of the present invention; -
14 : the instrument interface of the13 with connected blind plug; -
15 : the instrument interface of the14 with the blind plug removed; -
16 : the instrument interface of the15 with connected end ring; -
17 : the instrument interface of the16 with coupling instrument; -
18 : an instrument arrangement with an inserted additional instrument according to an embodiment of the present invention; -
19 : a part of an instrument of an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention; -
20 : a part of an instrument of an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention; and -
21A ,21B : covering a robot with a cover according to an embodiment of the present invention.
Die Instrumentenanordnung umfasst ein Instrument 1, eine damit verbundene Antriebseinheit 2 und eine zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnete Instrumenten-Schnittstelle mit einer sterilen Hülle 5.The instrument assembly comprises an instrument 1, a drive unit 2 connected thereto, and an instrument interface with a sterile sheath 5 arranged between the drive unit and the instrument.
In diesem Ausführungsbeispiel fallen die Drehachsen der Antriebseinheit mit einer Schaftachse des Instruments zusammen. Dieses Konzept eignet sich insbesondere für Instrumente, die mit Zug-/Druckstangen aktuiert werden.In this embodiment, the rotational axes of the drive unit coincide with a shaft axis of the instrument. This concept is particularly suitable for instruments actuated with push/pull rods.
Das sterile chirurgische Instrument 1 ist auf der in
Im Gehäuse 6 der Antriebseinheit 2 befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel drei unabhängige Drehantriebe mit jeweils einer Antriebswelle 10,13 bzw. 15 und einem zugehörigen Elektromotor 7, 8 bzw. 9. Die Antriebswellen 10, 13, 15 sind als Hohlwellen ausgeführt und zueinander koaxial angeordnet. Antriebswelle 10 ist an einer Lagerstelle 11 im Gehäuse 6 vollwertig gelagert. Die innere Antriebswelle 13 ist mit einem Lager 12 in der Antriebswelle 10, die Antriebswelle 15 mit einem Lager 14 in der Antriebswelle 13 gelagert. Dieses Konzept ermöglicht vorteilhaft einen vor allem in radialer Richtung sehr kompakten Aufbau der trennbaren Instrument-Schnittstelle. In this exemplary embodiment, the housing 6 of the drive unit 2 contains three independent rotary drives, each with a drive shaft 10, 13, or 15 and an associated electric motor 7, 8, or 9. The drive shafts 10, 13, and 15 are designed as hollow shafts and arranged coaxially with one another. The drive shaft 10 is fully supported at a bearing point 11 in the housing 6. The inner drive shaft 13 is supported by a bearing 12 in the drive shaft 10, and the drive shaft 15 is supported by a bearing 14 in the drive shaft 13. This concept advantageously enables a very compact design of the detachable instrument interface, especially in the radial direction.
In einer Mehrroboter-Anwendung kann somit das Risiko von Kollisionen zwischen einzelnen Robotern aufgrund des geringeren zulässigen Mindestabstands zwischen den Instrumenten deutlich reduziert werden.In a multi-robot application, the risk of collisions between individual robots can be significantly reduced due to the smaller permissible minimum distance between the instruments.
Die symbolischen Darstellungen der Elektromotoren 7, 8, 9 beinhalten weitere für einen geregelten Betrieb erforderliche Komponenten wie beispielsweise Getriebe und/oder Sensoren. Bevorzugte Ausführungen sind konzentrisch angeordnete Motoreinheiten, die entweder als Direktantriebe oder als Motoren mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe, zum Beispiel Planetengetrieben oder Harmonic-Drive Getrieben realisiert sein können.The symbolic representations of electric motors 7, 8, and 9 include additional components required for controlled operation, such as gears and/or sensors. Preferred designs are concentrically arranged motor units, which can be implemented either as direct drives or as motors with downstream reduction gears, such as planetary gears or harmonic drive gears.
In einer nicht dargestellten Abwandlung können die Drehantriebe radial versetzte Elektromotoren, die die Antriebswellen jeweils mit einem Stirnrad- oder Reibradgetriebe antreiben, oder orthogonal versetzte Elektromotoren aufweisen, die die Antriebswellen jeweils mit einem Schnecken-, Schraubenrad-, oder Kronenradgetriebe antreiben.In a modification not shown, the rotary drives can have radially offset electric motors, each driving the drive shafts with a spur gear or friction gear, or orthogonally offset electric motors, each driving the drive shafts with a worm gear, helical gear or crown gear.
Die ineinander geschachtelten Antriebswellen 10, 13 und 15 werden auf Instrumentenseite in Form der Antriebswellen 16, 17 bzw. 18 fortgeführt, die ebenfalls als Hohlwellen ausgeführt und zueinander koaxial angeordnet sind. Die Lagerung der instrumentenseitigen Antriebswellen 16, 17 und 18 ist als Fest-Los-Lagerung ausgebildet, wobei Festlager 28, 29 und 30 am proximalen Ende des Instrumentenschafts 3 angeordnet sind. Welle 16 ist an der Lagerstelle 28 im Instrumentenschaft 3 radial und axial gelagert. Die innenliegende Antriebswelle 17 ist mit dem Lager 29 in der Antriebswelle 16, die Antriebswelle 18 mit dem Lager 30 in Welle 17 abgestützt. Als Loslager fungieren Schiebehülsen 23, 24 und 25, die zugleich Bestandteile eines instrumentenseitigen Umsetzgetriebes 22 zur Umwandlung der rotatorischen Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung von Zug- und/oder Schubmittel 26, 39 bzw. 40 (vgl.
Beispiele für derartige Zug- und/oder Schubmittel sind Seilzüge, Bowdenzüge oder Zug-/Druckstangen.Examples of such pulling and/or pushing devices are cable pulls, Bowden cables or pull/push rods.
Zur Verbindung der Antriebswellen 10, 13 und 15 der Antriebseinheit mit den instrumentenseitigen Antriebswellen 16, 17 und 18 ist ein Kupplungsmechanismus vorgesehen, der zugleich eine Sterilbarriere zwischen dem Instrument und der unsterilen Antriebseinheit darstellt. Die in
Durch dieses Konstruktionsprinzip können auch die in der koaxialen Anordnung innenliegenden Antriebswellen 15 und 18 als Hohlwellen ausgeführt werden. Somit verbleibt im Zentrum des Instrumentenschafts 3 ausreichend Platz, um weitere Antriebsmittel, beispielsweise einen Bowdenzug, eine Drehwelle mit biegsamem Abschnitt im Bereich eines Mehrfachgelenks zum Antrieb eines Endeffektors und/oder ein Zusatz-Instrument, insbesondere eine elektrische Leitung, einen Schlauch oder dergleichen durchzuführen. Eine weitere mögliche Anwendung dieses Konstruktionsprinzips ist das Einführen von chirurgischen Spezial-Instrumenten durch das Zentrum des Instrumentenschafts.This design principle also allows the drive shafts 15 and 18 located internally in the coaxial arrangement to be designed as hollow shafts. This leaves sufficient space in the center of the instrument shaft 3 to accommodate additional drive means, such as a Bowden cable, a rotary shaft with a flexible section in the area of a multiple joint for driving an end effector, and/or an additional instrument, in particular an electrical cable, a hose, or the like. Another possible application of this design principle is the insertion of special surgical instruments through the center of the instrument shaft.
Um die Sterilität der durch die Instrumentenmitte durchgeführten Elemente auch im Bereich der Antriebseinheit 2 zu gewährleisten, erstreckt sich die Sterilbarriere mit einer Innendurchführung in Form eines sterilen Führungsrohrs 27 durch die gesamte Antriebseinheit 2, wie nachfolgend beschrieben.In order to ensure the sterility of the elements passing through the center of the instrument also in the area of the drive unit 2, the sterile barrier extends with an internal passage in the form of a sterile guide tube 27 through the entire drive unit 2, as described below.
Am proximalen Ende des Instruments 101 befindet sich ein Gehäuse 104, das mit dem Instrumentenschaft 103 unlösbar verbunden ist. Das Instrument 101 ist am proximalen Ende mit der Antriebseinheit 102 (dessen Gehäuse nicht dargestellt ist) über eine Sterilbarriere 105 verbunden. Die Antriebswellen 106, 107 und 108 sind in der Antriebseinheit 102 koaxial angeordnet, um möglichst kompakte Abmessungen zu erreichen. Sie werden auf Instrumentenseite jeweils als Seilrolle 109, 110 bzw. 111 fortgeführt. Die Verbindung der Wellenstücke geschieht jeweils mit den sterilen Kupplungs-Zwischensegmenten 116, 117 und 118, die zueinander drehbar sind.At the proximal end of the instrument 101 is a housing 104, which is permanently connected to the instrument shaft 103. The instrument 101 is connected at the proximal end to the drive unit 102 (the housing of which is not shown) via a sterile barrier 105. The drive shafts 106, 107, and 108 are arranged coaxially in the drive unit 102 to achieve the most compact dimensions possible. They continue on the instrument side as cable pulleys 109, 110, and 111, respectively. The shaft sections are connected by sterile coupling intermediate segments 116, 117, and 118, which are rotatable relative to each other.
Ein Kupplungs-Zwischenelement 118 der außenliegenden Antriebswelle 106 ist mit der Sterilbarriere 105 verbunden und in dieser drehbar gelagert. Im Ausführungsbeispiel sind die Antriebswellen von Antriebseinheit und Instrument mittels einer Stirnzahnkupplung formschlüssig gekoppelt, die mit Bezug auf
Die Seilzüge 112, 113 und 114, die die Instrument-Freiheitsgrade aktuieren, sind um die instrumentenseitigen Seilrollen bzw. Antriebswellen 109, 110 bzw. 111 gewickelt, sodass der Kraftfluss zwischen den Antriebswellen 106, 107 und 108 und den Instrument-Freiheitsgraden geschlossen ist. Optional kann eine Rohrdurchführung 115 vorgesehen sein, die beispielsweise zur Führung eines Zusatz-Instruments, insbesondere von Medienleitungen, zum distalen Ende des Instrumentenschafts 103 verwendet werden kann.The cable pulleys 112, 113, and 114, which actuate the instrument degrees of freedom, are wound around the instrument-side cable pulleys or drive shafts 109, 110, and 111, respectively, so that the force flow between the drive shafts 106, 107, and 108 and the instrument degrees of freedom is closed. Optionally, a pipe feedthrough 115 can be provided, which can be used, for example, to guide an additional instrument, in particular media lines, to the distal end of the instrument shaft 103.
Lösbare Kupplung mit Sterilbarriere für mindestens einen rotatorischen Antriebsstrang Zur Anbindung des Instruments an die Antriebseinheit ist ein einfach lösbarer Kupplungsmechanismus vorgesehen, der zugleich die Sterilbarriere zwischen dem Instrument und der unsterilen Antriebseinheit darstellt.Detachable coupling with sterile barrier for at least one rotary drive train. To connect the instrument to the drive unit, an easily detachable coupling mechanism is provided, which also represents the sterile barrier between the instrument and the non-sterile drive unit.
Die an den Antriebswellen 10, 13 und 15 angeordneten Koppelteile 31, 32, 33 sind jeweils mit einer Welle drehfest, jedoch axial verschieblich verbunden, zum Beispiel durch ein Zahn- oder Polygonwellenprofil. Somit kann die zur Kraftübertragung nötige axiale Vorspannkraft beispielsweise durch Federn, die auf die antriebsseitigen Koppelteile wirken, aufgebracht werden. Zugleich wird ein möglicher Axialversatz zwischen den antriebs- und instrumentenseitigen Wellenabschnitten ausgeglichen.The coupling parts 31, 32, and 33 arranged on the drive shafts 10, 13, and 15 are each connected to a shaft in a rotationally fixed but axially movable manner, for example, by a toothed or polygonal shaft profile. Thus, the axial preload required for power transmission can be applied, for example, by springs acting on the drive-side coupling parts. At the same time, any possible axial misalignment between the drive-side and instrument-side shaft sections is compensated.
Anstelle der Kombination von antriebsseitigen Innenkegeln und instrumentenseitigen Aussenkegeln sind für jede Paarung einer inneren und einer äußeren Antriebswelle von Antriebseinheit und Instrument noch weitere Anordnungen denkbar, die in
Hierzu sind an den proximalen Koppelteilen der instrumentenseitigen Hohlwellen 16, 17 und 18 Stirnverzahnungen 203, 204, 205 aufgebracht, die mit der jeweiligen Hohlwelle fest verbunden sind. An den distalen Enden der Antriebswellen 10, 13, 15 sind Koppelteile in Form von Schiebehülsen mit Stirnverzahnung 200, 201, 202 angeordnet. Die Verbindung der Wellenenden erfolgt über hülsenartige Zwischenelemente 206, 207 und 208 mit beidseitiger Stirnverzahnung, die als Sterilbarriere fungieren. Die Zwischenhülsen 206, 207, 208 sind durch die Halteringe 209, 210, 211 untereinander und mit der Sterilbarriere 5 verbunden. Auch die Innendurchführung bzw. das sterile Führungsrohr 27 ist auf diese Weise mit der innersten Zwischenhülse 208 verbunden, sodass die gesamte Anordnung eine Sterilbarriere mit Spaltdichtungen darstellt. Die Zwischenhülsen 206, 207, 208 dienen lediglich der einfachen Handhabung bei der Installation der Sterilbarriere, lassen aber ansonsten alle zur Funktion erforderlichen Bewegungen zu. Sie fungieren als Spalt- bzw. Labyrinthdichtungen.For this purpose, spur gears 203, 204, 205 are applied to the proximal coupling parts of the instrument-side hollow shafts 16, 17, and 18, which are firmly connected to the respective hollow shaft. Coupling parts in the form of sliding sleeves with spur gears 200, 201, 202 are arranged at the distal ends of the drive shafts 10, 13, and 15. The shaft ends are connected via sleeve-like intermediate elements 206, 207, and 208 with spur gears on both sides, which act as a sterile barrier. The intermediate sleeves 206, 207, and 208 are connected to each other and to the sterile barrier 5 by the retaining rings 209, 210, and 211. The internal feedthrough or sterile guide tube 27 is also connected to the innermost intermediate sleeve 208 in this way, so that the entire assembly represents a sterile barrier with gap seals. The intermediate sleeves 206, 207, and 208 serve only to facilitate handling during installation of the sterile barrier, but otherwise allow all movements necessary for its function. They function as gap or labyrinth seals.
Die auf den Antriebswellen 10, 13 und 15 angeordneten Schiebehülsen 200, 201, 202 sind jeweils mit den Wellen drehfest, jedoch axial verschieblich verbunden, beispielsweise durch ein Zahn- oder Polygonwellenprofil. Somit kann die zur Kraftübertragung nötige axiale Vorspannkraft beispielsweise durch Federn, die auf die Schiebehülsen 200, 201, 202 wirken, aufgebracht werden. Zugleich wird ein möglicher Axialversatz zwischen den antriebs- und instrumentenseitigen Wellenabschnitten ausgeglichen.The sliding sleeves 200, 201, 202 arranged on the drive shafts 10, 13, and 15 are each connected to the shafts in a rotationally fixed but axially movable manner, for example, by a toothed or polygonal shaft profile. Thus, the axial preload required for power transmission can be applied, for example, by springs acting on the sliding sleeves 200, 201, 202. At the same time, any possible axial misalignment between the drive-side and instrument-side shaft sections is compensated.
Eine weitere Variante einer Wellenkupplung mit Sterilbarriere ist die in
An den distalen Enden der Antriebswellen 10, 13 und 15 sind jeweils Koppelteile in Form von Magnetringen 200, 201 bzw. 202 fixiert. Analog sind auf den instrumentenseitigen Hohlwellen 16, 17 und 18 jeweils Koppelteile in Form von Magnetringen 203, 204 bzw. 205 fixiert. Alle Magnetringe 200 bis 205 sind sektorweise magnetisiert und mit, vorzugsweise kleinem, Axialabstand bzw. Luftspalt zueinander ausgerichtet, um möglichst hohe Antriebsmomente übertragen zu können. Die Höhe des übertragbaren Moments hängt neben dem Luftspalt auch von der magnetischen Feldstärke und der Anzahl der Magnetsektoren ab.Coupling parts in the form of magnetic rings 200, 201, and 202 are fixed to the distal ends of drive shafts 10, 13, and 15, respectively. Similarly, coupling parts in the form of magnetic rings 203, 204, and 205 are fixed to the instrument-side hollow shafts 16, 17, and 18, respectively. All magnetic rings 200 to 205 are magnetized sector by sector and aligned with a preferably small axial spacing or air gap to enable the highest possible drive torque to be transmitted. The magnitude of the transmittable torque depends not only on the air gap but also on the magnetic field strength and the number of magnetic sectors.
Umsetzen der Bewegungsart Rotation-Translation auf Instrumentenseite In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden ausschließlich Drehantriebe verwendet. Die Antriebsstränge in robotergeführten chirurgischen Instrumenten verwenden jedoch aufgrund des engen Bauraums im Instrumentenschaft überwiegend Seilzüge oder Zug-/Druckstangen zur Übertragung der Antriebsbewegungen zum distalen Ende des Instruments. Daher ist nach vorstehend beschriebener trennbarer Instrumenten-Schnittstelle ein instrumentenseitiges Umsetzgetriebe 22 vorgesehen, um die rotatorische Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung der Seilzüge oder Zug-/Druckstangen zu wandeln.Converting the rotation-translation movement type to the instrument side: In one embodiment of the present invention, exclusively rotary drives are used. However, due to the limited space in the instrument shaft, the drive trains in robot-guided surgical instruments predominantly use cables or push/pull rods to transmit the drive movements to the distal end of the instrument. Therefore, after the separable instrument interface described above, an instrument-side conversion gear 22 is provided to convert the rotary drive movement into a translatory movement of the cables or push/pull rods.
Entsprechend ist die äußere Schiebehülse 23 im Instrumentenschaft 3 gelagert. Eine Übergangspassung zwischen der Hülse 23 und dem Schaft 3 dient als Radiallagerung. Eine Drehung der Hülse 23 wird durch eine an der Hülse 23 fixierte Passfeder 41 blockiert, die in einer Nut, die in den Instrumentenschaft 3 eingebracht ist, gleitet. Die Schiebehülse 24 ist in der äußeren Schiebehülse 23 gelagert. Eine Übergangspassung zwischen Hülse 24 und Hülse 25 dient als Radiallagerung. Eine Drehung der Hülse 24 wird durch die Nutführung 42 blockiert. Die innere Schiebehülse 25 ist in der Schiebehülse 24 gelagert. Eine Übergangspassung zwischen Hülse 25 und Hülse 24 dient als Radiallagerung. Eine Drehung der Hülse 25 wird durch die Nutführung 43 blockiert.Accordingly, the outer sliding sleeve 23 is mounted in the instrument shaft 3. A transition fit between the sleeve 23 and the shaft 3 serves as a radial bearing. Rotation of the sleeve 23 is blocked by a key 41 fixed to the sleeve 23, which slides in a groove formed in the instrument shaft 3. The sliding sleeve 24 is mounted in the outer sliding sleeve 23. A transition fit between sleeve 24 and sleeve 25 serves as a radial bearing. Rotation of the sleeve 24 is blocked by the groove guide 42. The inner sliding sleeve 25 is mounted in the sliding sleeve 24. A transition fit between sleeve 25 and sleeve 24 serves as a radial bearing. Rotation of the sleeve 25 is blocked by the groove guide 43.
Die Ankopplung der Antriebswellen an die Schiebehülsen erfolgt mit einer Nutführung, deren Funktionsweise exemplarisch mit Bezug auf die innenliegende Hohlwelle 18 und
Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass die Antriebsbewegungen, insbesondere Stellwinkel und Winkelgeschwindigkeit, innerhalb eines jeden Instruments an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden können, da die Steigung der Kulissenführung das Übersetzungsverhältnis und den Arbeitsbereich bestimmt. Somit kann die Antriebseinheit für eine möglichst große Anzahl verschiedenartiger Instrumente eingesetzt und die Wirtschaftlichkeit und Benutzerfreundlichkeit gesteigert werden.One advantage of this solution is that the drive movements, especially the setting angle and angular velocity, can be adapted to the specific requirements of each instrument, since the pitch of the guide rail determines the transmission ratio and the operating range. This allows the drive unit to be used for the largest possible number of different instruments, increasing cost-effectiveness and user-friendliness.
Anstelle der in
Das Umsetzgetriebe befindet sich am distalen Ende des Instruments 400 und damit nahe an der Instrumentenkinematik 402 und dem Endeffektor 403. Die Aktuation des distalen Gelenks 402, das im gezeigten Beispiel als Parallelkinematik ausgeführt ist, geschieht mit Zug- und/oder Schubmitteln in Form von Koppelstangen 408 und 409, die mit dem Segment, das den Endeffektor trägt, drehbar verbunden sind. Die jeweils anderen Enden der Koppelstangen 408 und 409 sind mit den Schiebehülsen 406 und 407 drehbar verbunden, die zum Einstellen der Gelenkwinkel entlang der Schaftachse verfahren werden. Die Schiebehülsen 406 und 407 sind mit den Hohlwellen 404 bzw. 405 verbunden, wobei die Umsetzung der rotatorischen Antriebsbewegung in die translatorische Vorschubbewegung der Hülse mit der mit Bezug auf
Im Gegensatz zu den bei üblichen Instrumenten der minimal-invasiven Roboterchirurgie verwendeten Seilzügen wird die Antriebsleistung von der Antriebseinheit zur Instrumentenspitze bei dieser Ausführung mit zum Instrumentenschaft koaxialen Hohlwellen übertragen. Daraus kann eine deutlich höhere Belastbarkeit und Steifigkeit des Antriebsstrangs gegenüber Seilzügen oder dünnen Vollwellen resultieren, weshalb vorteilhafterweise höhere Antriebskräfte übertragen werden können. Somit empfiehlt sich diese Ausführung besonders für Instrumente, bei denen höhere Prozesskräfte auftreten, z.B. Klammernahtgeräte.In contrast to the cable pulls used in conventional instruments for minimally invasive robotic surgery, this design transmits the drive power from the drive unit to the instrument tip via hollow shafts coaxial with the instrument shaft. This can result in significantly higher load capacity and rigidity of the drive train compared to cable pulls or thin solid shafts, advantageously allowing higher drive forces to be transmitted. This design is therefore particularly recommended for instruments subject to higher process forces, such as staplers.
Sterilbarriere zwischen Antriebseinheit und InstrumentSterile barrier between drive unit and instrument
Einige Komponenten der Antriebseinheit halten den Umweltbedingungen während eines Sterilisationsprozesses nicht stand. Deshalb weist die Instrumenten-Schnittstelle eine sterile Hülle auf, die die Antriebseinheit im Betrieb abdeckt. Neben der Hülle, die das Gehäuse der Antriebseinheit sicher umschließt und üblicherweise als Folienschlauch ausgeführt ist, soll die Instrumenten-Schnittstelle zwischen Antriebseinheit und Instrument die Übertragung von mechanischer Leistung und elektrischen Signalen ermöglichen und zugleich die Kontamination des Operationsfeldes durch die unsterile Antriebseinheit verhindern.Some components of the drive unit cannot withstand the environmental conditions during a sterilization process. Therefore, the instrument interface features a sterile sheath that covers the drive unit during operation. In addition to the sheath, which securely encloses the drive unit housing and is typically designed as a film tube, the instrument interface between the drive unit and the instrument is designed to enable the transmission of mechanical power and electrical signals while simultaneously preventing contamination of the surgical field by the unsterile drive unit.
Die Instrumenten-Schnittstelle 500 weist eine sterile Folienhülle 501 auf, die das Gehäuse der Antriebseinheit 2 umschließt, einen formstabilen Flansch bzw. Instrumententräger 5, der zur Koppelung der Antriebsstränge beispielsweise die mit Bezug auf
Die weiteren
Führen von zusätzlichen Antriebssträngen und/oder Zusatz-Instrumenten durch den Instrumentenschaft zum distalen Ende des InstrumentsGuide additional drive trains and/or additional instruments through the instrument shaft to the distal end of the instrument
Neben der einfachen mechanischen Gestaltung der trennbaren Instrument-Schnittstelle bietet die koaxiale Anordnung aller Antriebswellen den Vorteil, dass das Zentrum von Antriebseinheit und Instrument frei sind, um zusätzliche Antriebsmittel, zum Beispiel Seilzüge, Bowdenzüge und/oder Drehwellen, zum Betätigen des Endeffektors durchzuführen. Zum Beispiel kann ein Bowdenzug doppelt verwendet werden: Die Hülle dient der Übertragung einer ersten, die Seele der Übertragung einer weiteren Betätigungskraft. Es können auch elektrische Leitungen für Monopolar- oder Bipolarinstrumente, oder Saug- und Spülschläuche in der Mitte des Instrumentenschafts geführt werden. Gleichermaßen können auch andere Zusatz-Instrumente durch den Roboter geführt werden, zum Beispiel Lichtwellenleiter für Laseranwendungen oder flexible Instrumente zur Argon-Plasma Koagulation, für die Kryo-Chirurgie oder Wasserstrahl-Chirurgie, die häufig für Tumorresektionen eingesetzt werden.In addition to the simple mechanical design of the detachable instrument interface, the coaxial arrangement of all drive shafts offers the advantage that the center of the drive unit and instrument is free to accommodate additional drive devices, such as cables, Bowden cables, and/or rotary shafts, to actuate the end effector. For example, a Bowden cable can be used twice: the sleeve transmits a first actuation force, the core transmits a second. Electrical cables for monopolar or bipolar instruments, or suction and irrigation hoses, can also be routed through the center of the instrument shaft. Likewise, other additional instruments can also be routed through the robot, such as fiber optic cables for laser applications or flexible instruments for argon plasma coagulation, cryosurgery, or waterjet surgery, which are frequently used for tumor resection.
Hierzu wird das Zusatz-Instrument 504 nach Anlegen der sterilen Hülle 501 durch das Führungsrohr 27 von hinten durch die Antriebseinheit 2 bis zum distalen Ende des Instruments 1 vorgeschoben und in dieser Lage fixiert. Anschließend kann das Zusatz-Instrument 504 wie ein gewöhnliches robotergeführtes Instrument verwendet werden und mit den vom Instrument 1 bereitgestellten Freiheitsgraden im Operationsgebiet bewegt werden. Neben der Eignung für starre und flexible Zusatz-Instrumente ist ein Vorteil dieser Lösung, dass kein zusätzlicher Bauraum im Bereich der trennbaren Instrument-Schnittstelle benötigt wird, um das Zusatz-Instrument 504 in den Instrumentenschaft einzuführen.For this purpose, the additional instrument 504 is advanced from the rear through the guide tube 27 through the drive unit 2 to the distal end of the instrument 1 after applying the sterile sheath 501 and is secured in this position. The additional instrument 504 can then be used like a conventional robot-guided instrument and moved within the surgical field with the degrees of freedom provided by the instrument 1. In addition to its suitability for rigid and flexible additional instruments, an advantage of this solution is that no additional installation space is required in the area of the detachable instrument interface to insert the additional instrument 504 into the instrument shaft.
Die Antriebseinheit stellt die mechanische Antriebsleistung für alle aktiven Freiheitsgrade des chirurgischen Instruments zur Verfügung. Sie befindet sich am proximalen Ende des Instruments und ist als eigenständiges Modul konzipiert, das sich als Antrieb unterschiedlicher Instrumente eignet. Um eine Kontamination des Operationsgebiets zu vermeiden, ist die Antriebseinheit mit einer sterilen Schutzhülle hermetisch abgeschlossen.The drive unit provides the mechanical drive power for all active degrees of freedom of the surgical instrument. It is located at the proximal end of the instrument and is designed as a standalone module suitable for driving various instruments. To prevent contamination of the surgical field, the drive unit is hermetically sealed with a sterile protective cover.
Die trennbare Instrumenten-Schnittstelle befindet sich zwischen der Antriebseinheit und dem chirurgischen Instrument. Ihre primäre Aufgabe ist die mechanische Anbindung des chirurgischen Instruments an die Antriebseinheit. Sie stellt zum einen den Kraftfluss zwischen den Funktionseinheiten Antrieb und Instrument her und sorgt für eine exakte und wiederholgenaue Relativ-Positionierung und Fixierung dieser Einheiten. Um die benötigte mechanische Leistung auf das Instrument zu übertragen, umfasst die trennbare Instrumenten-Schnittstelle außerdem lösbare Kupplungen, die den Kraftfluss zwischen den Einzelantrieben in der Antriebseinheit und den Antriebssträngen im Instrument herstellen. Um die Sterilität des chirurgischen Instruments unter allen Umständen zu gewährleisten, fungiert die trennbare Instrumenten-Schnittstelle zugleich als Sterilbarriere zwischen der unsterilen Antriebseinheit und einem sterilen Instrument.The detachable instrument interface is located between the drive unit and the surgical instrument. Its primary function is the mechanical connection of the surgical instrument to the drive unit. It establishes the power flow between the drive and instrument functional units and ensures precise and repeatable relative positioning and fixation of these units. To transfer the required mechanical power to the instrument, the detachable instrument interface also includes detachable couplings that establish the power flow between the individual drives in the drive unit and the drive trains in the instrument. To ensure the sterility of the surgical instrument under all circumstances, the detachable instrument interface also acts as a sterile barrier between the non-sterile drive unit and a sterile instrument.
Vorteilhafterweise ist das Ankoppeln eines chirurgischen Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung einfach und erfordert keine vertieften Fachkenntnisse des Robotersystems. Die trennbare Instrumenten-Schnittstelle nach einer Ausführung erlaubt vorteilhafterweise das wiederholbar zuverlässige Einkoppeln des Instruments einschließlich aller Kraftübertragungselemente ohne visuelle Kontrolle. Die Schnittstelle kann vorzugsweise eine oder mehrere Antriebsbewegungen von einer Antriebseinheit auf ein chirurgisches Instrument übertragen, während die Sterilität auf Instrumentenseite gewahrt bleiben kann. Antriebseinheit und/oder trennbare Instrumenten-Schnittstelle beanspruchen vorteilhafterweise einen geringen Bauraum, um insbesondere bei einem System mit mehreren Robotern die Kollisionsgefahr zu minimieren. Um die Leistungsfähigkeit des robotergeführten Instruments aus regelungstechnischer Sicht zu verbessern, ist die Übertragung von mechanischer Antriebsenergie auf das chirurgische Instrument möglichst spiel- und schlupffrei ausgebildet.Advantageously, the coupling of a surgical instrument to an instrument assembly according to an embodiment of the present invention is simple and does not require in-depth knowledge of the robot system. The separable instrument interface according to an embodiment advantageously allows The repeatable, reliable coupling of the instrument, including all power transmission elements, without visual inspection. The interface can preferably transmit one or more drive movements from a drive unit to a surgical instrument, while maintaining sterility on the instrument side. The drive unit and/or detachable instrument interface advantageously require a small installation space, minimizing the risk of collision, particularly in a system with multiple robots. To improve the performance of the robot-guided instrument from a control engineering perspective, the transmission of mechanical drive energy to the surgical instrument is designed to be as free from play and slippage as possible.
Der Blindstopfen 502 wird durch die Hohlwelle und die Austrittsöffnung 507 durchgeführt (
Im Ausführungsbeispiel ist die Innendurchführung 27 an ihrem dem Blindstopfen 502 bzw. Abschlussring 503 entgegengesetzten Ende (unten in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1, 100, 101, 4001, 100, 101, 400
- Instrumentinstrument
- 2, 1022, 102
- Antriebseinheitdrive unit
- 44
- Anschlussflanschconnecting flange
- 3, 103, 5053, 103, 505
- Instrumentenschaftinstrument shaft
- 5, 105, 5015, 105, 501
- (sterile) Hülle(sterile) cover
- 6, 1046, 104
- GehäuseHousing
- 7, 8, 97, 8, 9
- Elektromotorelectric motor
- 11, 12, 14, 28, 29, 3011, 12, 14, 28, 29, 30
- Lagerstellestorage location
- 19, 20, 21, 206, 207, 20819, 20, 21, 206, 207, 208
- ZwischenelementIntermediate element
- 2222
- UmsetzungsgetriebeImplementation gear
- 23, 24, 25, 37, 38, 200, 201, 202, 406, 40723, 24, 25, 37, 38, 200, 201, 202, 406, 407
- Schiebehülse (Kulissenführung)Sliding sleeve (sliding guide)
- 26, 39, 4026, 39, 40
- Zug-/SchubmittelPulling/pushing means
- 31-36, 200-205, 300-30531-36, 200-205, 300-305
- Stirnverzahnung (Koppelteil)Spur gearing (coupling part)
- 27, 11527, 115
- (steriles) Führungsrohr(sterile) guide tube
- 3737
- Wendelnutspiral groove
- 3838
- StiftPen
- 41, 42 ,4341, 42 ,43
- Nut-FührungGroove guide
- 10, 13, 15, 16, 17, 18, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 404, 405, 40610, 13, 15, 16, 17, 18, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 404, 405, 406
- Antriebswelledrive shaft
- 402402
- InstrumentenkinematikInstrument kinematics
- 403403
- EndeffektorEnd effector
- 408, 409408, 409
- Koppelstangecoupling rod
- 100100
- instrumentenseitiges Umsetzungsgetriebeinstrument-side conversion gear
- 112, 113, 114112, 113, 114
- SeilzügeCable pulleys
- 115115
- Führungsrohrguide tube
- 116, 117, 118116, 117, 118
- KupplungszwischensegmentCoupling intermediate segment
- 209, 210, 211209, 210, 211
- Halteringretaining ring
- 500500
- Instrumenten-SchnittstelleInstrument interface
- 501501
- (sterile) Folienhülle(sterile) foil cover
- 502502
- BlindstopfenBlind plugs
- 503503
- Abschlussringclosing ring
- 504, 507, 508504, 507, 508
- Zusatz-InstrumentAdditional instrument
- 506506
- RohrabschnittPipe section
- 507507
- AustrittsöffnungExit opening
Claims (10)
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