DE102006045865B4

DE102006045865B4 - Surgical manipulation instrument

Info

Publication number: DE102006045865B4
Application number: DE102006045865.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kübler Bernhard; Dipl.-Ing. Seibold Ulrich; Dipl.-Ing. Hagn Ulrich Alexander
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: DE102006045865A1

Abstract

Chirurgisches Manipulationsinstrument (10) mit einer Kupplung (22), die ein extrakorporales Antriebsteil (12) mit einem teilweise intrakorporalen und einen Endeffektor (40) aufweisenden Manipulatorteil (14) trennbar verbindet, und die aus einem manipulatorseitigen Kupplungsteil (20) und einem antriebsseitigen Kupplungsteil (18) gebildet ist, wobei
die Kupplungsteile (18,20) voneinander trennbare drehbare Kupplungskörper (24,26) aufweisen, die zusammen gekuppelt axial miteinander fluchten und eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung einer Drehbewegung von dem Antriebsteil (12) auf den Endeffektor (40) schließen, und
den Kupplungsteilen (18,20) eine Radialführung (80) zugeordnet ist, die ausschließlich eine zu der Drehbewegungs-Längsachse (43) radiale Ein- und Auskupplungsbewegung zum Schließen und Öffnen der formschlüssigen Kupplungskörper-Verbindung erlaubt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kupplungskörper jeweils in einer Längsebene und auf einer Längsachse liegend Kupplungsebenen aufweisen, wobei die zusammengekuppelten Kupplungskörper einander vollflächig berühren und einen Formschluss in einer Formschlussebene ausbilden.

A surgical manipulation instrument (10) having a coupling (22) releasably connecting an extracorporeal drive member (12) to a manipulator member (14) having a partial intracorporeal end effector (40), and a manipulator-side coupling member (20) and a drive-side coupling member (18) is formed, wherein
the coupling parts (18, 20) have rotatable coupling bodies (24, 26) which can be separated from one another, which are coupled together axially aligned with one another and form a positive connection for transmitting rotational movement from the drive part (12) to the end effector (40), and
associated with the coupling parts (18, 20) is a radial guide (80) which permits only a radial engagement and disengagement movement for closing and opening the form-fitting coupling body connection to the rotational movement longitudinal axis (43),
characterized in that
the coupling body each having in a longitudinal plane and lying on a longitudinal axis coupling levels, wherein the coupled coupling body touching each other over the entire surface and form a positive connection in a positive locking plane.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein chirurgisches Manipulationsinstrument, mit einer Kupplung, die ein extrakorporales Antriebsteil mit einem teilweise intrakorporalen Manipulatorteil trennbar verbindet.The invention relates to a surgical manipulation instrument, with a coupling which connects an extracorporeal drive part with a partially intracorporeal manipulator part separable.

Chirurgische Instrumente, die nicht zum einmaligen Gebrauch, sondern zum mehrfachen Gebrauch konzipiert sind, müssen nach jedem Gebrauch sterilisiert werden. Die Sterilisierung kann mit Hilfe nicht-thermischer oder thermischer Verfahren durchgeführt werden. Im klinischen Alltag wird im Wesentlichen mit thermischen Verfahren sterilisiert, insbesondere durch die sogenannte Autoklavierung. Bei der Autoklavierung wird das zu sterilisierende Instrument über einen bestimmten Zeitraum überspanntem Wasserdampf ausgesetzt, der alle zu sterilisierenden Oberflächen benetzen muss. Das zu sterilisierende Instrument ist dabei im Autoklaven Temperaturen von bis zu 156 °C und Drücken bis zu 2 bar über eine Dauer von bis zu 40 Min. ausgesetzt. Die Autoklavierung muss nach jedem Gebrauch des Instruments wiederholt werden, so dass im Laufe eines Instrumentenlebens bis zu mehrere Hundert Autoklavierungen durchlaufen werden können.Surgical instruments designed not for single use but for multiple use must be sterilized after each use. The sterilization can be carried out by means of non-thermal or thermal methods. In clinical practice, sterilization is essentially by thermal processes, in particular by so-called autoclaving. During autoclaving, the instrument to be sterilized is exposed to spiked water vapor over a certain period of time, which must wet all surfaces to be sterilized. The instrument to be sterilized is exposed in the autoclave temperatures of up to 156 ° C and pressures up to 2 bar over a period of up to 40 min. Autoclaving must be repeated after each use of the instrument so that up to several hundreds of autoclaves can be performed during instrument life.

Seit den 1980er Jahren gewinnt die sogenannte minimal invasive Chirurgie immer mehr an Bedeutung. Hierbei werden lange, schlanke Manipulationsinstrumente durch nur kleine Öffnungen in der Oberhaut vorgeschoben. Das intrakorporale Operationsfeld wird mit Hilfe einer auf die gleiche Weise eingebrachten stabförmigen Kamera und eines extrakorporalen Monitors beobachtet. Die minimal invasive Chirurgie bietet insbesondere Vorteile für den Patienten, nämlich geringe Traumatisierung, kurze Rekonvaleszenzzeiten, geringere postoperative Schmerzen, geringeren Blutverlust, geringeres Infektionsrisiko, geringeres Risiko für Wundheilungsstörungen, bessere kosmetische Ergebnisse etc. Nachteile der minimal invasiven Chirurgie sind u.a. die eingeschränkte Bewegungsfreiheit der chirurgischen Instrumente. Durch die als feststehend anzusehende Durchtrittsstelle durch das Oberhaut- und Fettgewebe, die einen invarianten Punkt bildet, ergeben sich umgekehrte Bewegungsverhältnisse bzw. eine gestörte Hand-Auge-Koordination zum Monitorbild. Zwei Freiheitsgrade der Bewegung sind durch den invarianten Punkt gebunden, d.h. nicht jeder Punkt im Arbeitsraum kann mit beliebiger Orientierung des funktionalen Instrumentenendes erreicht werden.Since the 1980s, so-called minimally invasive surgery has become increasingly important. Here, long, slender manipulation instruments are advanced through only small openings in the epidermis. The intracorporeal surgical field is observed by means of a rod-shaped camera introduced in the same way and an extracorporeal monitor. In particular, minimally invasive surgery offers advantages for the patient, namely low trauma, short convalescence times, lower postoperative pain, less blood loss, less risk of infection, less risk of wound healing disorders, better cosmetic results, etc. Disadvantages of minimally invasive surgery include i.a. the limited freedom of movement of the surgical instruments. Due to the fixed passage through the epidermal and adipose tissue, which forms an invariant point, reversed movement conditions or a disturbed hand-eye coordination result to the monitor image. Two degrees of freedom of motion are bound by the invariant point, i. Not every point in the working space can be reached with any orientation of the functional instrument end.

Minimal invasive Manipulationsinstrumente, die intrakorporal zusätzliche Freiheitsgrade der Bewegung bieten, können zu einer erhöhten intrakorporalen Manipulierbarkeit verhelfen und stellen damit eine wichtige Verbesserung für die minimal invasive Chirurgie dar. Die zusätzlichen Freiheitsgrade müssen zielgerichtet bewegt werden. Dies ist mit manueller Bedienung zwar möglich, jedoch erfordert dies großes Geschick und Übung. Ein robotergestützter telemanipulierter Ansatz, bei dem der Chirurg abseits des Patienten an einer ergonomisch geformten Konsole sitzt und mit Hilfe einer geeigneten Mensch-Maschine-Schnittstelle das chirurgische Manipulationsinstrument mit Hilfe des Monitors führt, ohne über die Kinematik und deren Aktuierung nachdenken zu müssen, ist daher sinnvoll. Das chirurgische Manipulationsinstrument wird dabei rechnergestützt aktuiert und führt die vom Chirurgen gewünschte Bewegung entsprechend aus.Minimally invasive manipulation instruments, which provide additional degrees of freedom of movement intracorporeally, can lead to increased intracorporeal manipulability and thus represent an important improvement for minimally invasive surgery. The additional degrees of freedom must be moved purposefully. This is possible with manual operation, but this requires great skill and practice. A robot-assisted telemanipulated approach whereby the surgeon sits away from the patient on an ergonomically-shaped console and guides the surgical manipulation instrument through the monitor using a suitable human-machine interface, without having to think about the kinematics and their actuation, is therefore meaningful. The surgical manipulation instrument is actuated computer-assisted and performs the surgeon's desired movement accordingly.

Die Aktuatoren zum Antrieb des chirurgischen Manipulationsinstruments können in der Regel jedoch nicht autoklaviert werden. Daher ist eine Trennbarkeit des extrakorporalen Antriebsteiles von dem teilweise intrakorporalen Manipulatorteil erforderlich.However, the actuators for driving the surgical manipulation instrument can not be autoclaved in the rule. Therefore, a separability of the extracorporeal drive part of the partial intracorporeal manipulator part is required.

Das chirurgische Manipulationsinstrument wird daher zweiteilig und durch eine Kupplung trennbar in ein extrakorporales Antriebsteil und ein teilweise intrakorporales Manipulatorteil getrennt.The surgical manipulation instrument is therefore separated into two parts and separable by a clutch in an extracorporeal drive part and a partial intracorporeal manipulator part.

Aus US 6 491 701 B2 ist ein chirurgisches Manipulationsinstrument mit einer Kupplung zur Trennung des Antriebsteiles von dem Manipulatorteil bekannt. Die Kupplungsteile weisen jeweils drehbare Kupplungskörper auf, die axiale Stifte bzw. Bohrungen aufweisen und axial miteinander verkuppelt bzw. voneinander getrennt werden. Da die drehbaren einander gegenüberstehenden Kupplungskörper nicht zusammen kuppelbar sind, wenn sie nicht genau zueinander ausgerichtet sind, muss beim Einkuppeln ein Suchlauf für alle Kupplungskörper-Paare durchgeführt werden. Die Kupplungskörper rotieren jeweils so lange bis eine Position gefunden ist, in der alle Kupplungskörper-Paare in einer zusammenführbaren Kupplungsposition stehen. Eine ähnliche Kupplung ist aus US 2001 003 1983 A1 bekannt. Die Kupplungsteile weisen hier halbzylindrisch geformte Kupplungskörper auf. Für einen leichtgängigen Kupplungsvorgang ist es erforderlich, ein gewisses Mindest-Spiel zwischen den Kupplungskörpern im zusammengekuppelten Zustand vorzusehen. Dieses Spiel wirkt sich jedoch beim Betrieb des Manipulatorinstruments nachteilig aus bzw. macht eine automatische Regelung ggf. sogar unmöglich.Out US Pat. No. 6,491,701 B2 For example, a surgical manipulation instrument with a coupling for separating the drive part from the manipulator part is known. The coupling parts each have rotatable coupling bodies, which have axial pins or bores and are coupled together axially or separated from one another. Since the rotatable opposing coupling body are not coupled together, if they are not aligned exactly with each other, a search for all coupling body pairs must be performed during engagement. The coupling bodies rotate in each case until a position is found in which all coupling body pairs are in a mergeable coupling position. A similar clutch is off US 2001 003 1983 A1 known. The coupling parts here have semi-cylindrical shaped coupling body. For a smooth coupling process, it is necessary to provide a certain minimum clearance between the coupling bodies in the coupled state. However, this game has a detrimental effect during operation of the manipulator instrument or even makes automatic regulation possibly even impossible.

Die Druckschrift DE 696 35 050 T2 bezieht sich auf ein zweiteilige chirurgisches Manipulationsinstrument mit einem extrakorporalen Antriebsteil und einem davon lösbaren Manipulatorteil. Die Kupplungsteile weisen voneinander trennbare drehbare Kupplungskörper auf, die axial miteinander fluchten und eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung einer Drehbewegung darstellen.The publication DE 696 35 050 T2 refers to a two-part surgical manipulation instrument with an extracorporeal drive part and a detachable manipulator part. The coupling parts have separable rotatable coupling body, which are axially aligned with each other and constitute a positive connection for transmitting a rotational movement.

In der Druckschrift Kübler, B. et al: „Development of Actuated and Sensor Integrated Forceps for Minimally Invasive Robotic Surgery“ wird bei einem chirurgischen Manipulatorinstrument eine seitliche Kupplungsbewegung offenbart. Allerdings wird in diesem Dokument an keiner Stelle näher darauf eingegangen bzw. detailliert dargestellt, wie die Kupplungskörper ausgebildet sind. The Kübler, B. et al., "Development of Actuated and Sensor Integrated Forceps for Minimally Invasive Robotic Surgery" discloses a lateral clutch motion in a surgical manipulator instrument. However, at no point in this document is discussed or described in detail how the coupling body are formed.

Die Druckschrift US 5018901 A offenbart eine Kupplung, die ausschließlich eine axiale und eine rotatorische Kupplungsbewegung vorsieht. Eine radiale Kupplungsbewegung ist nicht offenbart.The publication US 5018901 A discloses a clutch that provides only axial and rotational clutch movement. A radial coupling movement is not disclosed.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein chirurgisches Manipulationsinstrument mit einer Kupplung zwischen einem Antriebsteil und einem Manipulatorteil zu schaffen, die ein einfaches Verkuppeln und eine spielfreie Verkupplung ermöglicht.The object of the invention is in contrast to provide a surgical manipulation instrument with a coupling between a drive part and a manipulator part, which allows easy coupling and a play-free coupling.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein chirurgisches Manipulatorinstrument mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen folgen in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a surgical manipulator instrument with the features of claim 1. Further developments follow in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen chirurgischen Manipulationsinstrument ist den beiden die Kupplung bildenden Kupplungsteilen eine Radialführung zugeordnet, die ausschließlich eine zu der Drehbewegungsaxialen der Kupplungskörper radiale Ein- und Auskupplungsbewegung zum Schließen und Öffnen der formschlüssigen Kupplungskörper-Verbindung erlaubt. Die Kupplungskörper einer Bewegungsachse fluchten zusammengekuppelt axial miteinander und bilden zusammengekuppelt eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung einer Drehbewegung von dem Antriebsteil zu dem Endeffektor des Manipulatorteiles. Durch eine radiale Kupplungsbewegung kann bei entsprechender Ausbildung der Kupplungskörper auf einfache Weise eine eindeutige formschlüssige Verbindung beim Verkuppeln hergestellt werden. Erfindungsgemäß weisen die Kupplungskörper eine Formschluss-Ebene annähernd in einer Längsebene auf. Die beiden eine Längsebene aufweisenden Kupplungskörper richten sich beim radialen Zusammenführen von selbst parallel zueinander aus, bis sie sich in der Kupplungsposition vollflächig berühren. Ein Suchlauf zur Ausrichtung der Kupplungskörper miteinander ist nicht erforderlich.In the surgical manipulation instrument according to the invention the two coupling parts forming the coupling is assigned a radial guide, which allows only one to the Drehbewegungsaxialen the coupling body radial engagement and disengagement for closing and opening the positive coupling body connection. The coupling body of a movement axis aligned axially coupled together and together form a positive connection for transmitting a rotational movement of the drive member to the end effector of the manipulator part. By a radial coupling movement, with a corresponding design of the coupling body in a simple manner, a unique positive connection can be made during coupling. According to the invention, the coupling bodies have a positive locking plane approximately in a longitudinal plane. The two coupling bodies, which have a longitudinal plane, align themselves parallel to one another during the radial merging until they touch each other over their full surface in the coupling position. A search to align the coupling body with each other is not required.

Wegen der radialen Kupplungsbewegung und der dabei praktisch unvermeidlichen Selbstausrichtung der Kupplungskörper miteinander ist das Zusammenkuppeln auch unter ungünstigen Bedingungen, beispielsweise im Operationssaal und durch doppelt behandschuhte Personen, die keine technischen Fachleute sind, mit hoher Zuverlässigkeit und Bedienungssicherheit gewährleistet. Zur Herstellung einer spielfreien Verbindung eines Kupplungskörper-Paares bzw. mehrerer Kupplungskörper-Paare muss vom Bediener lediglich eine gewisse Vorspannung in radialer Richtung aufgebracht werden, die jedoch im Bereich weniger Newton liegt. Die Formschluss-Ebene liegt bevorzugt auf der Axialen der drehbaren Kupplungskörper. Die Radialführung kann einen erweiterten Einlauf aufweisen, um die Einfädelung der beiden Kupplungsteile zu Beginn der Kupplungsbewegung zu erleichtern.Because of the radial coupling movement and thereby practically unavoidable self-alignment of the coupling body with each other, the coupling is guaranteed even under unfavorable conditions, for example in the operating room and by double-gloved persons who are not technical experts, with high reliability and operational safety. In order to produce a play-free connection of a coupling body pair or a plurality of coupling body pairs, the operator only has to apply a certain bias in the radial direction, which, however, lies in the region of less Newton. The form-fitting plane is preferably on the axial of the rotatable coupling body. The radial guide can have an extended inlet to facilitate the threading of the two coupling parts at the beginning of the coupling movement.

Vorzugsweise ist einem der beiden Kupplungskörper eines Kupplungskörper-Paares ein Radialjustierelement zur Einstellung einer spielfreien Kupplung der Kupplungskörper miteinander zugeordnet. Das Radialjustierelement erlaubt es, die beiden Kupplungskörper zueinander so einzustellen, dass in der Kupplungsposition eine spielfreie Verkupplung der beiden Kupplungskörper miteinander sichergestellt ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn mehrere Kupplungskörper-Paare zur Übertragung von Antriebskräften in Bezug auf mehrere Endeffektor-Freiheitsgrade vorgesehen sind. In diesem Fall sollte jedem Kupplungskörper-Paar ein entsprechendes Radialjustierelement zugeordnet sein. Wird mit einem Antriebsteil stets dasselbe und kein anderes Manipulatorteil betrieben, kann das jeweilige Radialjustierelement an dem antriebsseitigen Kupplungskörper vorgesehen sein. Sollen mehrere verschiedene Manipulatorteile mit einem einzigen Antriebsteil betrieben werden können, ist es vorteilhaft, die Radialjustierelemente jeweils an den manipulatorseitigen Kupplungskörpern vorzusehen.Preferably, one of the two coupling bodies of a coupling body pair is assigned a radial adjusting element for adjusting a play-free coupling of the coupling bodies with one another. The Radialjustierelement allows the two coupling body to each other adjusted so that in the coupling position a play-free coupling of the two coupling body is secured together. This is particularly important when a plurality of coupling body pairs are provided for transmitting driving forces with respect to a plurality of end effector degrees of freedom. In this case, each coupling body pair should be assigned a corresponding Radialjustierelement. If the same and no other manipulator part are always operated with a drive part, the respective radial adjustment element can be provided on the drive-side coupling body. If several different manipulator parts can be operated with a single drive part, it is advantageous to provide the radial adjustment elements respectively on the manipulator-side coupling bodies.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der antriebsseitige Kupplungskörper als U-förmiger Bügel ausgebildet, dessen eine Endseite den Kupplungskörper bzw. seine Formschluss-Ebene bildet. und darstellt. Der U-förmige Bügel weist eine gewisse Federungseigenschaft auf, die in engen Grenzen eine gewisse Elastizität auf einer Seite der Kupplung sicherstellt. Hierdurch wird bei mehreren miteinander verkuppelten Kupplungskörper-Paaren sichergestellt, dass ein spielfreies Koppeln mehrerer Kupplungskörper-Paare trotz gewisser Toleranzen möglich ist.According to a preferred embodiment, the drive-side coupling body is designed as a U-shaped bracket, whose one end side forms the coupling body or its form-fitting plane. and represents. The U-shaped bracket has a certain suspension characteristic, which ensures within narrow limits a certain elasticity on one side of the coupling. As a result, it is ensured in the case of a plurality of coupling body pairs coupled to one another that play-free coupling of a plurality of coupling body pairs is possible despite certain tolerances.

Die Radialjustierelemente sollten so justiert werden, dass bei einem Minimum an Kupplungs-Kraft eine definierte Spielfreiheit sichergestellt ist. Durch das Radialjustierelement können Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen werden. Ferner können über die Zeit auftretende Dejustagen korrigiert und damit über die gesamte Lebensdauer des Manipulatorinstruments Spielfreiheit sichergestellt werden.The Radialjustierelemente should be adjusted so that with a minimum of coupling force a defined backlash is ensured. By Radialjustierelement manufacturing and assembly tolerances can be compensated. Furthermore, misalignments occurring over time can be corrected and thus freedom from play can be ensured over the entire lifetime of the manipulator instrument.

Vorzugsweise sind die Kupplungsteile mehrachsig ausgebildet, so dass mehrere Kupplungskörper-Paare zum Antrieb mehrerer Endeffektor-Freiheitsgrade des Manipulatorteiles vorgesehen sind.Preferably, the coupling parts are multiaxial, so that a plurality of coupling body pairs are provided for driving a plurality of end effector degrees of freedom of the manipulator part.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist an dem antriebsseitigen Kupplungsteil und an dem manipulatorseitigen Endeffektor jeweils ein Drehmomentsensor zugeordnet. Ferner ist manipulatorseitig ein Differenzmodul vorgesehen, das die Differenz der von den beiden genannten Drehmomentsensoren gemessenen Drehmomente ermittelt. According to a preferred embodiment, a respective torque sensor is assigned to the drive-side coupling part and to the manipulator-side end effector. Furthermore, a differential module is provided on the manipulator side which determines the difference between the torques measured by the two torque sensors.

Zur mechanischen Kopplung des manipulatorseitigen Kupplungskörpers mit dem ihm zugeordneten Endeffektor werden häufig Seilzüge verwendet. Als Seilzüge werden dabei wegen ihrer im Vergleich zu Metall-Seilzügen besseren Biegsamkeit um sehr kleine Radien häufig Kunststoff-Seilzüge verwendet. Beispielsweise sind hierzu Seilzüge aus Hochmodul-PE geeignet, die unter dem Namen „Vectran“ bekannt sind. Diese weisen auch über lange Zeiträume kein Kriechen auf, sind jedoch sehr elastisch. Bei Kräften von bis zu 100 Newton, wie sie in der Praxis auftreten können, treten daher erhebliche Längenänderungen auf. Die Längenänderung ist umgekehrt proportional zu der Drehmoment-Differenz, die durch das Differenzmodul bestimmt wird. Da die Seilzug-Dehnung aus der Drehmoment-Differenz ermittelt werden kann, kann aus der Stellung des Antriebsmotors die Stellung des Endeffektors bestimmt bzw. entsprechend der errechneten Seilzug-Dehnung korrigiert werden.For mechanical coupling of the manipulator-side coupling body with its associated end effector cables are often used. As cables are often used because of their compared to metal cables better flexibility to very small radii plastic cables. For example, cables of high modulus PE, known as "Vectran", are suitable for this purpose. These have no creep over long periods, but are very elastic. At forces of up to 100 Newton, as they can occur in practice, therefore occur on considerable length changes. The change in length is inversely proportional to the torque difference determined by the difference module. Since the cable elongation can be determined from the torque difference, the position of the end effector can be determined from the position of the drive motor or corrected according to the calculated cable elongation.

Vorzugsweise weist das Antriebsteil einen Antriebsmotor zum Antrieb des antriebsseitigen Kupplungskörpers auf. Zwar kann das Antriebsteil grundsätzlich auch manuell bedient werden, jedoch spielt in der Praxis die roboterartige Ausbildung chirurgischer Manipulationsinstrumente eine dominierende Rolle.Preferably, the drive part has a drive motor for driving the drive-side coupling body. Although the drive part can in principle also be operated manually, in practice the robotic design of surgical manipulation instruments plays a dominant role.

Vorzugsweise ist ein Endeffektor an dem Manipulatorteil vorgesehen, der durch den zugeordneten manipulatorseitigen Kupplungskörper angetrieben wird. Unter einem Endeffektor sind alle Effektoren zu verstehen, die bei einem chirurgischen Manipulationsinstrument zum Einsatz kommen, insbesondere Greifer, Scheren, Gelenke etc.Preferably, an end effector is provided on the manipulator part, which is driven by the associated manipulator-side coupling body. An end effector is to be understood as meaning all effectors which are used in a surgical manipulation instrument, in particular grippers, scissors, joints, etc.

Vorzugsweise ist der Drehwinkel der Kupplungskörper kleiner als 180°, d.h. kleiner als ± 90° um eine Mittellage, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 80°, d.h. ±40° um eine Mittellage. Bei einer Begrenzung des Drehwinkels der Kupplungskörper eines Kupplungskörper-Paares auf weniger als 180° kann sichergestellt werden, dass sich die Formschluss-Ebenen der Kupplungskörper beim radialen Zusammenkuppeln stets zueinander ausrichten können, ohne miteinander zu verkanten. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn beispielsweise der antriebsseitige Kupplungskörper vor dem Zusammenkuppeln in eine Mittelposition gestellt wird. Bei einem Drehwinkel der beiden Kupplungskörper eines Kupplungskörper-Paares von weniger als 80° zueinander kann auf eine Ausrichtung eines der beiden Kupplungskörper in eine Mittelposition vor dem Zusammenkuppeln vollständig verzichtet werden.Preferably, the angle of rotation of the coupling bodies is less than 180 °, i. less than ± 90 ° about a central position, more preferably less than or equal to 80 °, i. ± 40 ° around a central position. When limiting the angle of rotation of the coupling body of a coupling body pair to less than 180 °, it can be ensured that the form-fitting planes of the coupling bodies can always align with one another during radial coupling together, without tilting each other. This is particularly possible if, for example, the drive-side coupling body is placed in a middle position before coupling together. At an angle of rotation of the two coupling body of a coupling body pair of less than 80 ° to each other can be completely dispensed with alignment of one of the two coupling body in a central position before the coupling together.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines chirurgischen Manipulationsinstrumentes,
2 eine perspektivische Ansicht eines antriebsseitigen Kupplungsteiles des Manipulationsinstrumentes in der 1,
3 eine perspektivische Ansicht eines manipulatorseitigen Kupplungsteiles des Manipulationsinstrumentes der 1,
4 eine perspektivische Ansicht eines Kupplungskörper-Paares, und
5 eine Darstellung eines antriebsseitigen Kupplungskörpers.

Show it:

1 a schematic representation of a surgical manipulation instrument,
2 a perspective view of a drive-side coupling part of the manipulation instrument in the 1 .
3 a perspective view of a manipulator-side coupling part of the manipulation instrument of 1 .
4 a perspective view of a coupling body pair, and
5 a representation of a drive-side coupling body.

In der schematischen Darstellung eines chirurgischen Manipulationsinstrumentes 10 der 1 ist ein extrakorporales Antriebsteil 12 und ein (teilweise) intrakorporales Manipulatorteil 14 dargestellt, die entlang einer Trennlinie 16 voneinander trennbar miteinander verbunden sind.In the schematic representation of a surgical manipulation instrument 10 the 1 is an extracorporeal drive part 12 and a (partially) intracorporeal manipulator part 14 shown along a dividing line 16 are separated from each other.

Das Antriebsteil 12 weist ein antriebsseitiges Kupplungsteil 18 und das Manipulatorteil 14 weist ein manipulatorseitiges Kupplungsteil 20 auf, die zusammen eine Kupplung 22 bilden.The drive part 12 has a drive-side coupling part 18 and the manipulator part 14 has a manipulator-side coupling part 20 put on a clutch together 22 form.

Die Kupplungsteile 18,20 weisen jeweils voneinander trennbare und um eine Längsachse drehbare Kupplungskörper 24,26 auf, die zusammengekuppelt eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung einer Drehbewegung von dem Antriebsteil 12 auf das Manipulatorteil 14 ermöglichen. In zusammengekuppeltem Zustand fluchten die Längsachsen der drehbaren Kupplungskörper 24,26 miteinander. Die Kupplungskörper 24,26 weisen jeweils in einer Längsebene und auf der Längsachse liegend Kupplungsebenen 28,30 auf, die zusammengekuppelt einander vollflächig berühren und auf diese Weise einen Formschluss in einer Formschluss-Ebene darstellen. Der Drehwinkel der beiden Kupplungskörper 24,26 beträgt jeweils 2 × 20°, also jeweils 40°, wobei die Mittelposition der beiden Kupplungsteile 24,26 miteinander formschlüssig korrespondiert.The coupling parts 18 . 20 each have separable from each other and rotatable about a longitudinal axis coupling body 24 . 26 on, the coupled together a positive connection for transmitting a rotational movement of the drive part 12 on the manipulator part 14 enable. In the coupled state, the longitudinal axes of the rotatable coupling body are aligned 24 . 26 together. The coupling body 24 . 26 each have coupling planes lying in a longitudinal plane and on the longitudinal axis 28 . 30 on, the coupled together touch each other over the entire surface and thus represent a positive connection in a form-fitting plane. The angle of rotation of the two coupling bodies 24 . 26 is in each case 2 × 20 °, ie in each case 40 °, wherein the center position of the two coupling parts 24,26 corresponds positively with one another.

Das Antriebsteil 12 weist einen Antriebsmotor 32 auf, durch den eine Antriebswelle 34 direkt oder unter Zwischenschaltung eines entsprechenden Getriebes angetrieben wird. An der Antriebswelle 34 ist starr der als U-förmiger Bügel 36 ausgebildete Kupplungskörper 24 befestigt. An der Antriebswelle 34 ist ein Radialjustierelement 38 vorgesehen, mit dem der antriebsseitige Kupplungskörper 24 radial justiert werden kann, und zwar genau senkrecht zu der Formschluss-Ebene der Kupplungskörper. Mit dem Radialjustierelement 38, das beispielsweise als Gewindeschraube ausgebildet sein kann, wird die radiale Position des Kupplungskörpers 24 so eingestellt, dass dieser unter geringer Vorspannung und bei zusammengekuppelten Kupplungsteilen 18,20 den anderen Kupplungskörper 26 vollflächig berührt.The drive part 12 has a drive motor 32 on, through which a drive shaft 34 is driven directly or with the interposition of a corresponding transmission. At the drive shaft 34 is rigid as a U-shaped bracket 36 trained coupling body 24 attached. At the drive shaft 34 is a Radialjustierelement 38 provided, with which the drive-side coupling body 24 can be radially adjusted, precisely perpendicular to the form-fitting plane of the coupling body. With the radial adjustment element 38 , which may be formed for example as a threaded screw, is the radial position of the coupling body 24 adjusted so that this under low preload and with coupled coupling parts 18 . 20 the other coupling body 26 touched all over.

Das Manipulatorteil 14 weist einen Endeffektor 40 auf, der schwenkbar ist und von einer manipulatorseitigen Abtriebswelle 42 über einen Seilzug 44 und eine Effektorwelle 46 rotatorisch angetrieben wird. Der Endeffektor 40 kann beispielsweise eine Zange, eine Schere, oder aber ein Gelenk-Antrieb eines Gelenkes eines Manipulatorarmes sein.The manipulator part 14 has an end effector 40 on, which is pivotable and by a manipulator-side output shaft 42 via a cable 44 and an effector wave 46 is rotationally driven. The end effector 40 For example, a pair of pliers, a pair of scissors, or a joint drive of a joint of a manipulator arm.

An den antriebsseitigen U-förmigen Kupplungskörper-Bügel 36 ist an dem Mittelstück ein Drehmomentsensor 50 in Form von Dehnungsmessstreifen befestigt, durch den das von dem antriebsseitigen Kupplungsteil 24 auf das manipulatorseitige Kupplungsteil 26 übertragene Drehmoment ermittelt wird. Dieser Drehmomentsensor 50 ist über eine Signalleitung mit einem Auswertemodul 52 verbunden.To the drive side U-shaped coupling body bracket 36 At the center piece is a torque sensor 50 attached in the form of strain gauges, through which the of the drive-side coupling part 24 on the manipulator-side coupling part 26 transmitted torque is determined. This torque sensor 50 is via a signal line with an evaluation module 52 connected.

Auch manipulatorseitig ist ein Drehmomentsensor 54 vorgesehen, und zwar an der Endeffektorwelle 46. Auch dieser Drehmomentsensor 54 wird durch Dehnungsmessstreifen gebildet. Der Drehmomentsensor 54 ist über eine Signalleitung mit einem manipulatorseitigen Stecker 58 verbunden, der wiederum bei zusammengekuppelten Kupplungsteilen mit einem antriebsseitigen Stecker 60 elektrisch verbunden ist, der wiederum über eine Signalleitung mit dem Auswertemodul 52 verbunden ist.Also manipulator side is a torque sensor 54 provided at the end effector shaft 46 , Also this torque sensor 54 is formed by strain gauges. The torque sensor 54 is via a signal line with a manipulator-side connector 58 connected, in turn, in coupled coupling parts with a drive-side connector 60 is electrically connected, in turn, via a signal line to the evaluation module 52 connected is.

Das Auswertemodul 52 erhält also sowohl von dem Drehmomentsensor 50 des antriebsseitigen Kupplungsteiles 24 als auch von dem Drehmomentsensor 54, der dem Endeffektor 40 zugeordnet ist, die jeweiligen Drehmomente übermittelt. Das Auswertemodul 52 kann hieraus schließlich ein AntriebsDrehmoment und ein Differenz-Drehmoment ermitteln. Das AntriebsDrehmoment und das Differenz-Drehmoment werden über eine Signalleitung an ein Steuerungsmodul 70 übermittelt.The evaluation module 52 So receives both from the torque sensor 50 the drive-side coupling part 24 as well as the torque sensor 54 , the end effector 40 is assigned, the respective torques transmitted. The evaluation module 52 From this, finally, a drive torque and a differential torque can be determined. The drive torque and the differential torque are sent to a control module via a signal line 70 transmitted.

Alternativ können die Drehmomentsensoren 50, 54 jeweils auch mit Glasfasern oder auf andere Weise ausgebildet sein.Alternatively, the torque sensors 50 . 54 each also be formed with glass fibers or in other ways.

An dem Antriebsmotor 32 ist ein Positionssensor 72 angeordnet, der die absolute Position der Motorwelle über eine Signalleitung an das Steuerungsmodul 70 sendet. Das Steuerungsmodul 70 ermittelt aus der Wellenposition, dem antriebsseitigen Drehmoment und der Drehmoment-Differenz die absolute Position des Endeffektors 40. Je größer das antriebsseitige Drehmoment ist, desto größer ist die von dem Seilzug 44 übertragene Kraft in Seilzug-Längsrichtung, und desto größer ist auch die hierdurch verursachte Längung des elastischen Seilzuges 44. Je größer die Drehmoment-Differenz ist, desto mehr Reibung liegt vor, die bei der Ermittlung der absoluten Endeffektor-Position korrigierend berücksichtigt wird. Mit Hilfe der Drehmoment-Sensoren 50,54 können ferner Plausibilitätskontrollen durchgeführt werden, beispielsweise zur Feststellung eines Seilzug-Risses, zu hoher Systemkräfte, Rechner-Kommandierungsfehler in der Hardware etc. Der Seilzug 44 besteht bevorzugt aus einem Stahlseil, kann jedoch auch aus Kunststoff oder anderen Materialien bestehen.On the drive motor 32 is a position sensor 72 arranged, the absolute position of the motor shaft via a signal line to the control module 70 sends. The control module 70 determines the absolute position of the end effector from the shaft position, the drive-side torque and the torque difference 40 , The larger the drive-side torque, the larger is the cable of the cable 44 transmitted force in cable longitudinal direction, and the greater is also caused thereby elongation of the elastic cable 44 , The larger the torque difference, the more friction is present, which is taken into account in the determination of the absolute end effector position correcting. With the help of torque sensors 50 . 54 In addition, plausibility checks can be carried out, for example, to ascertain a broken cable pull, excessive system forces, computer hardware command errors, etc. The cable pull 44 preferably consists of a steel cable, but may also consist of plastic or other materials.

Den beiden Kupplungsteilen 18,28 ist eine Radialführung 80 zugeordnet, die aus antriebsseitigen Führungsklauen 82,82',82" und manipulatorseitigen Führungsklauen 84,84',84" gebildet wird. Die Radialführung sorgt für eine einfache Einfädelung und Führung beim Einkuppeln in radialer Richtung sowie für eine entsprechende Fixierung im eingekuppelten Zustand der Kupplung 22. The two coupling parts 18 . 28 is a radial guide 80 assigned to the drive-side guide claws 82 . 82 ' . 82 " and manipulator-side guide claws 84 . 84 ' . 84 " is formed. The radial guide ensures easy threading and guidance when engaging in the radial direction and for a corresponding fixation in the engaged state of the clutch 22 ,

In den 2-5 ist eine konstruktive Ausgestaltung des in der 1 schematisch dargestellten Manipulationsinstrumentes 10 dargestellt. Die 3 zeigt ein vollständiges Manipulatorteil 14 mit einer Kupplungsplatte 90, die drei manipulatorseitige Kupplungsteile 20,20',20" und drei Radialführungs-Klauen 84,84',84" aufweist. Ferner sind manipulatorseitige Verriegelungselemente 92 vorgesehen.In the 2-5 is a structural design of the in the 1 schematically illustrated manipulation instrument 10 shown. The 3 shows a complete manipulator part 14 with a coupling plate 90 , the three manipulator-side coupling parts 20 . 20 ' . 20 " and three radial guidance claws 84 . 84 ' . 84 " having. Furthermore, manipulator-side locking elements 92 intended.

In der 2 ist das antriebsseitige Gegenstück zu der manipulatorseitigen Kupplungsplatte 90 dargestellt, nämlich die antriebsseitige Kupplungsplatte 100. Auf der Kupplungsplatte 100 sind drei Radialführungs-Klauen 82,82',82" angeordnet. Ferner weist die Kupplungsplatte 100 drei antriebsseitige Kupplungsteile 18,18' und 18" auf. Auf der Kupplungsplatte 100 ist ferner ein mechanischer Verriegelungsbügel 102 angeordnet, der mit manipulatorseitigen Verriegelungselementen 92 zusammenwirkt und eine vollständige Verriegelung bzw. eine Entriegelung der beiden Kupplungsplatten 90,100 miteinander bzw. voneinander bewirken kann.In the 2 is the drive-side counterpart to the manipulator-side clutch plate 90 shown, namely the drive-side clutch plate 100 , On the coupling plate 100 are three radial guide claws 82 . 82 ' . 82 " arranged. Furthermore, the coupling plate 100 three drive-side coupling parts 18 . 18 ' and 18 " on. On the coupling plate 100 is also a mechanical locking bracket 102 arranged, with manipulator-side locking elements 92 cooperates and a complete locking or unlocking of the two clutch plates 90 . 100 can cause each other or each other.

In der 4 ist die Anordnung des Drehmomentsensors 50 auf der Außenseite des U-förmigen Bügels 36 in Form von zwei Dehnungsmessstreifen erkennbar, die als Widerstands- oder als optische Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein können. In den 4 und 5 sind ferner drei als Gewindeschrauben ausgebildete Radialjustierelemente 38 erkennbar, mit denen die Kupplungsebene 28 radial genau justiert und spielfrei verspannt werden kann. Die Gewindeschrauben sind eine zentrale Zugschraube und zwei seitliche Druckschrauben.In the 4 is the arrangement of the torque sensor 50 on the outside of the U-shaped bracket 36 recognizable in the form of two strain gauges that can be designed as resistance or optical strain gauges. In the 4 and 5 are also three trained as threaded screws Radialjustierelemente 38 recognizable with which the coupling plane 28 radially adjusted precisely and can be clamped backlash-free. The threaded screws are a central lag screw and two side pressure screws.

Claims

A surgical manipulation instrument (10) having a coupling (22) releasably connecting an extracorporeal drive member (12) to a manipulator member (14) having a partial intracorporeal end effector (40), and a manipulator-side coupling member (20) and a drive-side coupling member (18), the coupling parts (18, 20) having separable rotatable coupling bodies (24, 26) which are coupled together axially coupled with each other and a positive connection for transmitting rotary motion from the drive part (12) to the end effector (40 ), and the coupling parts (18,20) is associated with a radial guide (80) which allows only one to the rotational movement longitudinal axis (43) radial engagement and disengagement for closing and opening the positive coupling body connection, characterized in that the coupling bodies are each in a longitudinal plane and on a longitudinal axis D coupling planes have, wherein the coupled coupling body touching each other over the entire surface and form a positive connection in a positive locking plane.

Surgical manipulation instrument (10) after Claim 1 wherein one of the two coupling bodies (24) is assigned a radial adjusting element (38) for adjusting a play-free coupling of the coupling bodies (24, 26) with one another.

Surgical manipulation instrument (10) according to one of Claims 1 to 2 , wherein the angle of rotation of the coupling body (24,26) is less than 180 °, and more preferably less than 80 °.

Surgical manipulation instrument (10) according to one of Claims 1 to 3 wherein the drive-side coupling part (18) has a U-shaped bracket (36), one end of which forms the coupling body (28).

Surgical manipulation instrument (10) according to one of Claims 1 to 4 , wherein the coupling (22) is multi-axially formed and a plurality of pairs of mutually associated coupling body (18,20,18 ', 20', 18 ", 20") for driving a plurality of end effectors (40).

Surgical manipulation instrument (10) according to one of Claims 1 to 5 wherein the drive part (12) has a drive motor (32) for driving the drive-side coupling body (24).

Surgical manipulation instrument (10) according to one of Claims 1 to 6 wherein the drive-side coupling part (18) is associated with a torque sensor (50), and an evaluation module (52) is provided which determines the drive-side torque from the sensor signal.

Surgical manipulation instrument (10) according to one of Claims 1 to 7 , wherein in each case a torque sensor (50,54) is assigned to the drive-side coupling part (18) and the end effector (40), and an evaluation module (52) is provided, which determines the difference of the torque measured by the torque sensors (50,54).