Manipulator für die robotische Chirurgie und Sterileinheit

Gebiet der Erfindung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Manipulator für die robotische Chirurgie, der eine Instrumentenantriebseinheit und eine Sterileinheit zum Ankoppeln eines chirurgischen Instruments umfasst, wobei die Sterileinheit eine Basis mit mindestens einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Übertragungskörper mit einer ersten Koppelstruktur und einen ersten Befestigungsmechanismus, mit dem die Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird, aufweist.

[0002] Die Instrumentenantriebseinheit weist mindestens einen Antrieb mit einem Antriebskörper auf, der dem mindestens einen Übertragungskörper zugeordnet ist und eine zu der ersten Koppelstruktur komplementäre zweite Koppelstruktur aufweist. Die erste und die zweite Koppelstruktur bilden zusammen einen Ausrichtungsmechanismus, so dass der mindestens eine Übertragungskörper entsprechend der ihm zugeordneten zweiten Koppelstruktur ausgerichtet wird, während die Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird. Durch das Ausrichten, welches durch ein Aufeinandertreffen der ersten und der zweiten Koppelstrukturen beim Verbinden der Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit hervorgerufen wird, werden die Koppelstrukturen so zueinander orientiert und in Kontakt gebracht, dass sie eine Übertragung eines vom Antrieb erzeugten Drehmoments auf den zugeordneten Übertragungskörper erlauben. Die Sterileinheit erlaubt so, das Drehmoment durch eine Sterilbarriere hindurch auf ein an die Sterileinheit gekoppeltes Instrument zu übertragen. Die erste und die zweite Koppelstruktur sind dabei so gestaltet, dass sie eine parallel zur Drehachse auf die Sterileinheit und/oder die Instrumentenantriebseinheit wirkende Kraft aufnehmen und durch ihre Form in eine Ausrichtbewegung des Übertragungskörpers und/oder des Antriebkörpers umwandeln.

[0003] Ferner betrifft die Erfindung eine Sterileinheit zum sterilen Verbinden einer Instrumentenantriebseinheit, die mindestens einen Antrieb umfasst, wobei der mindestens eine Antrieb einen Antriebskörper mit einer ersten Koppelstruktur aufweist, mit einem chirurgischen Instrument, das mindestens einen Abtrieb umfasst, wobei der mindestens eine Abtrieb dem mindestens einen Antrieb zugeordnet ist und der mindestens eine Abtrieb einen Abtriebskörper mit einer vierten Koppelstruktur aufweist. Die Sterileinheit umfasst dabei eine Basis mit mindestens einem jeweils um eine Drehachse drehbar gelagerten Übertragungskörper, einen ersten Befestigungsmechanismus, mit dem die Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird, sowie einen zweiten Befestigungsmechanismus, mit dem das Instrument mit der Sterileinheit verbunden wird. Der mindestens eine Übertragungskörper weist eine zu der ersten Koppelstruktur komplementäre zweite Koppelstruktur und eine zu der vierten Koppelstruktur komplementäre dritte Koppelstruktur auf. Der mindestens eine Übertragungskörper befindet sich in einem gekoppelten Zustand der Sterileinheit zwischen dem mindestens einen Antrieb und dem mindestens einen Abtrieb.

Stand der Technik

[0004] Telemanipulatoren werden seit vielen Jahrzehnten erfolgreich in den verschiedensten Umgebungen eingesetzt, die ein Mensch nicht ohne weiteres erreichen kann. Dies betrifft Weltraumanwendungen, Unterwasseranwendungen, Atomreaktoren und vor allem auch chirurgische Anwendungen.

[0005] In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Disziplin der laparoskopisch- robotischen Chirurgie etabliert, welche Konzepte der Robotik mit denen der virtuellen Realität verbindet, so dass ein Arzt minimalinvasive Eingriffe am Patienten unter Ausnutzung seiner Augen-Hand-Koordination durchführen kann.

[0006] Bei der manuell-laparoskopischen Chirurgie werden Instrumente eingesetzt, welche einen langen Schaft besitzen, an dessen distalen Ende sich ein Endeffektor, z.B. Greifer oder Schere, und an dessen proximalen Ende sich ein Handgriff befindet. Letzterer weist einen Hebel, Knopf oder einen ähnlichen Mechanismus auf, mit dessen Hilfe der Endeffektor bewegt werden kann. Die Handhabung solcher Instrumente gestaltet sich schwierig, da sie durch einen kleinen Einschnitt am Patienten geführt in ihrer Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt sind. Auch ist es schwierig für den Arzt, sich zu orientieren, da ein in der Regel abweichender Blickwinkel des Endoskops kompensiert werden muss. [0007] Diese Schwierigkeit kann durch einen Telemanipulator gelöst werden. Ein solcher besteht aus mehreren Roboterarmen, den Manipulatoren, und in der Regel zwei Eingabegeräten, eines für jede Hand. Einer der Manipulatoren hält und steuert ein Endoskop, die anderen jeweils ein chirurgisches Instrument. Durch entsprechende Transformationen kann ein mit den Manipulatoren und Eingabegeräten verbundener Computer für den Chirurgen den Eindruck schaffen, dass er aus Richtung des Endoskops auf die Operationsstelle schaut und die Endeffektoren der Instrumente seine Hände sind. Auf diese Weise kann er seine Augen-Hand-Koordination ausnutzen und effektiv arbeiten.

[0008] Während im OP-Saal die Eingabegeräte eines Telemanipulators in der Regel von dem Patienten entfernt angeordnet sind, müssen die Manipulatoren nah an den Patienten heran. Dieser Bereich ist jedoch zwingend steril zu halten, um eine Kontamination der Wunden des Patienten mit Keimen möglichst zu verhindern. Dazu werden die Manipulatoren mittels aus Kunststoff gefertigter Sterilfolien verpackt. Dies ist für die Instrumente jedoch nicht möglich, so dass diese meist direkt sterilisiert werden. Dabei kommen Instrumente zum Einsatz, die nach ihrer Verwendung erneut sterilisiert oder nach einmaliger Nutzung entsorgt werden.

[0009] Im Stand der Technik hat sich daher etabliert, Manipulatoren von chirurgischen Robotersystemen mit einer Instrumentenantriebseinheit auszustatten, welche mit Sterilfolie verpackt wird. Um nun die Instrumente mit dieser betreiben zu können, werden unter anderem Steriladapter eingesetzt, die mittels Übertragungskörpern ein Drehmoment von den Antrieben der Instrumentenantriebseinheit auf die Abtriebe des Instruments übertragen. Diese Komponenten werden in der Regel formschlüssig miteinander gekoppelt, was wiederum ein Ausrichten der Übertragungskörper zu den Antrieben und schließlich zu den Abtrieben des Instruments erfordert.

[0010] Eine Lösung für dieses Problem ist aus der EP 3 119 328 B1 bekannt, welche einen Steriladapter offenbart, der mehrere, drehbar gelagerte Übertragungskörper aufweist. Um mit den Antrieben der Instrumentenantriebseinheit in Verbindung zu kommen, weisen die Übertragungskörper zum Eingriff in die Antriebe ausgebildete Vorsprünge auf. Ferner umfassen die Übertragungskörper jeweils eine Aussparung, die mit einem Verriegelungsmechanismus in Eingriff kommt, der die Übertragungskörper in ihrer Ausrichtung fixiert. Ein Koppeln des Steriladapters mit der Instrumentenantriebseinheit bewirkt dann, dass die Übertragungskörper angehoben werden, so dass sie entweder an dem Verriegelungsmechanismus von unten anliegen oder die Verriegelungselemente sofort in die Aussparungen greifen. In beiden Fällen drehen anschließend die Antriebe, wobei im ersten Fall die Übertragungskörper durch Reibung mitgenommen werden, bis sie in den Verriegelungsmechanismus greifen können und blockieren. Die Antriebe drehen so lange, bis der jeweilige Übertragungskörper zum ihm zugeordneten Antrieb ausgerichtet ist, also bis die Vorsprünge und die jeweiligen Aussparungen übereinanderliegen, und der jeweilige Übertragungskörper mit dem ihm zugeordneten Antrieb in Formschluss fällt, so dass ein Drehmoment übertragen wird.

[0011] Die EP 3 099 265 B1 offenbart eine Schnittstelle für ein chirurgisches System zwischen einer Instrumentenantriebseinheit und einem chirurgischen Instrument.

Sowohl auf Seiten des Instruments als auch auf Seiten der Instrumentenantriebseinheit sind Übertragungsstrukturen, durch die eine Kraft zum Aktuieren, also zum robotergestützten Auslenken eines Endeffektors des Instruments übertragen wird, als schräge Flächen ausgebildet. Die Übertragungsstrukturen auf Seiten des Instruments werden dabei an der Instrumentenantriebseinheit ausgerichtet, indem die schrägen Flächen übereinander gleiten, während das Instrument mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden wird. Der Nachteil dieser Schnittstelle ist, dass sie keine Möglichkeit vorsieht, eine sterile Barriere zwischen Instrument und Instrumentenantriebseinheit einzubringen. Außerdem kann es vorkommen, dass die Übertragungsstrukturen derart aufeinander stehen, dass es zu einer Blockierung kommt.

Beschreibung der Erfindung

[0012] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Sterileinheit für ein chirurgisch robotisches System bereitzustellen, die ermöglicht, die Übertragungskörper antriebs- und abtriebsseitig leichter verbinden zu können.

[0013] Die Aufgabe wird durch für einen eingangs erläuterten Manipulator dadurch gelöst, dass die eine der ersten und zweiten Koppelstrukturen durch eine erste keilförmige Ausnehmung und die andere der ersten und der zweiten Koppelstrukturen durch einen der ersten keilförmigen Ausnehmung entsprechenden ersten Keil gebildet ist. Auf diese Weise wird das Ausrichten der Übertragungskörper deutlich erleichtert, da der erste Keil an zwei Seiten der durch die erste keilförmige Ausnehmung gebildeten Koppelstruktur entlanggeführt wird bzw. alternativ da die durch die erste keilförmige Ausnehmung gebildete Koppelstruktur über den ersten Keil gleitet. Die die Ausrichtung bewirkenden Kräfte wirken vor allem am Rand der auszurichtenden Koppelstruktur, so dass der Krafteintrag verbessert und damit das Verbinden der Sterileinheit mit der Instrumentenantriebseinheit allgemein erleichtert wird.

[0014] In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Übertragungskörper oder der Antriebskörper zylinderförmig. Auf diese Weise kann ein Übertragungskörper leichter innerhalb der Basis gedreht und zu dem zugehörigen Antriebskörper ausgerichtet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der erste Keil nicht mehr über eine durch die erste keilförmige Ausnehmung gebildete Fläche gleiten muss, sondern über die durch diese gebildeten Kanten an dem entsprechenden Antriebs- oder Übertragungskörper. Auf diese Weise können der erste Keil wie auch die erste keilförmige Ausnehmung besser zueinander ausgerichtet werden.

[0015] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste Keil an einer Keilspitze einen Zapfen auf, während an der ersten keilförmigen Ausnehmung eine zu dem Zapfen komplementäre Nut vorhanden ist. Die Aufgabe des Übertragungskörpers ist die Weitergabe eines Drehmoments, welches es von dem Antrieb aufnimmt. Dieses Drehmoment wirkt in senkrechter Richtung zur Drehachse des Übertragungskörpers, so dass der Zapfen und die zugehörige Nut eine verbesserte Übertragung des Drehmoments erlauben. Die Nut muss dabei nicht zwingend der Form des Zapfens entsprechen, solange sie den Zapfen vollständig aufnimmt und das Drehmoment bestmöglich weitergegeben werden kann.

[0016] Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Zapfen als Quader ausgebildet ist, der an zwei von dem ersten Keil abgewandten langen Kanten gefast oder abgerundet ist. Die gefasten Kanten erleichtern das Gleiten des Zapfens über die an der ersten keilförmigen Ausnehmung befindlichen Kanten.

[0017] Das Übereinandergleiten des ersten Keils und der Kanten an der keilförmigen Ausnehmung kann weitergehend vorteilhaft derart ausgestaltet werden, dass an der ersten keilförmigen Ausnehmung mehrere Gleitflächen ausgebildet sind. Bei den Gleitflächen handelt es um Fasen, die an den Kanten des Übertragungs- oder des Antriebskörpers im Bereich der keilförmigen Ausnehmung vorgesehen werden. Idealerweise erstrecken sich die Fasen entlang der gesamten keilförmigen Ausnehmung.

[0018] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Manipulator außerdem ein chirurgisches Instrument, welches mindestens ein dem mindestens einen Übertragungskörper zugeordneten Abtrieb aufweist. Die Sterileinheit weist dabei zusätzlich einen zweiten Befestigungsmechanismus, mit dem das Instrument mit der Sterileinheit verbunden wird, auf. Die Sterileinheit wird so zwischen der Instrumentenantriebseinheit und dem Instrument platziert und die Übertragungskörper erlauben die Weitergabe eines Drehmoments von den Antrieben auf die zugehörigen Abtriebe des Instruments. Die Sterileinheit ist dabei selbst Teil einer Sterilbarriere, die den manipulatorseitigen Bereich von dem Operationsbereich steril abschirmt. Die Anzahl der Antriebe, Übertragungskörper und Abtriebe kann je nach Anwendung angepasst werden. So wird in der Regel die Anzahl der Antriebe zum Zwecke der Austauschbarkeit mit der Anzahl der Übertragungskörper übereinstimmen, es sind aber auch Anpassungen möglich, sofern ein Instrument eine von der Anzahl der Antriebe oder der Übertragungskörper verschiedene Anzahl an Freiheitsgraden eines Endeffektors hat. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist dabei abhängig von der Beweglichkeit und den Funktionen des am Instrument befindlichen Endeffektors: Ein Endoskop kann beispielsweise einen einzigen Freiheitsgrad aufweisen, während ein Klammerinstrument in fünf Freiheitsgraden beweglich sein kann.

[0019] Der mindestens eine Übertragungskörper umfasst außerdem vorteilhaft eine dritte Koppelstruktur und der mindestens eine Abtriebskörper eine zur dritten Koppelstruktur komplementäre vierte Koppelstruktur. Die dritte Koppelstruktur und die vierte Koppelstruktur bilden zusammen einen zweiten Ausrichtungsmechanismus, so dass der mindestens eine Abtriebskörper entsprechend der ihm entsprechenden dritten Koppelstruktur ausgerichtet wird, wenn das Instrument an der Sterileinheit befestigt wird, während die Sterileinheit bereits mit der Instrumentenantriebseinheit verbunden ist. Jeder Abtrieb kann den am Instrument befindlichen Endeffektor in einem Freiheitsgrad bewegen.

[0020] Bei einer solchen Ausgestaltung ist es besonders vorteilhaft, wenn die eine der dritten oder vierten Koppelstrukturen durch eine an dem Übertragungskörper oder an dem Abtriebskörper vorhandene, zweite keilförmige Ausnehmung und die andere der dritten oder der vierten Koppelstrukturen durch einen der zweiten keilförmigen Ausnehmung entsprechenden zweiten Keil gebildet ist, da die Ausrichtung der Abtriebskörper durch eine verbesserte Übertragung des Drehmoments analog der oben beschriebenen Ausführung ermöglicht wird.

[0021] Ferner ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung derart beschaffen, dass die erste und die dritte Koppelstruktur als erste und zweite keilförmige Ausnehmungen sowie zueinander um 90° versetzt an dem Übertragungskörper ausgebildet sind. Diese Ausführung ist besonders kompakt. Hier ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Keil jeweils mittig eine Aussparung aufweisen. Dies ermöglicht, die erste und die zweite keilförmige Ausnehmung so an dem Übertragungskörper anzuordnen, dass sie sich überschneiden. Eine so entstehende Öffnung muss dann mit Material ausgefüllt werden, um die sterile Abtrennung zu erhalten. Durch die Aussparungen am ersten und am zweiten Keil wird es ermöglicht, die Übertragungskörper kompakter zu gestalten.

[0022] Die Aufgabe wird ferner bei einer eingangs beschriebene Sterileinheit dadurch gelöst, dass die zweite Koppelstruktur durch eine erste keilförmige Ausnehmung oder durch einen ersten Keil gebildet ist. Ein Ausrichten des Übertragungskörpers wird so im Vergleich zum bekannten Stand der Technik deutlich vereinfacht.

[0023] Es ist dabei von Vorteil, die dritte Koppelstruktur als zweite Ausrichtungsstruktur auszubilden, welche den mindestens einen Übertragungskörper relativ zu der vierten Koppelstruktur ausrichtet, wenn die Sterileinheit mit dem Instrument verbunden wird und dabei besonders vorteilhaft die dritte Koppelstruktur durch eine zweite keilförmige Ausnehmung oder durch einen zweiten Keil gebildet ist. Damit wird ermöglicht, den mindestens einen Übertragungskörper auch zum zugehörigen Abtriebskörper auszurichten oder, wenn der Übertragungskörper zum Beispiel durch Kontakt mit dem zugehörigen Antrieb blockiert wird, den entsprechenden Abtriebskörper der Abtriebe des Instruments wie oben beschrieben an dem Übertragungskörper auszurichten.

[0024] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0025] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Es zeigen:

[0026] Fig. 1 einen Manipulator mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

[0027] Fig. 2 eine Antriebseinheit, eine Sterileinheit und ein chirurgische Instrument in einer Explosionsdarstellung,

[0028] Fig. 3 A die Sterileinheit aus Fig. 2 in einer ersten Ansicht,

[0029] Fig. 3B die Sterileinheit aus Fig. 2 in einer zweiten Ansicht,

[0030] Fig. 4 das chirurgische Instrument aus Fig. 2,

[0031] Fig. 5A, 5B zwei Varianten der ersten und zweiten Koppelstruktur,

[0032] Fig. 6 eine Kombination aus Antrieb, Übertragungskörper und Abtrieb. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0033] Fig.1 zeigt einen robotischen Manipulator 50 mit einer Instrumentenantriebseinheit 20 und ein Instrument 30. Derartige Manipulatoren 50 umfassen eine Vielzahl von Gelenken, die eine freie Positionierung des Instruments 30 im Raum ermöglichen. Dabei können sie eigenständig als Hilfe für den Chirurgen, z.B. als Endoskophalterungen, oder im Rahmen eines chirurgischen Telemanipulators eingesetzt werden. Da der Bereich um einen zu operierenden Patienten immer steril sein muss, um Infektionen zu vermeiden, werden schwer zu sterilisierende Teile des Systems, also der Manipulator 50 und die Instrumentenantriebseinheit 20, durch eine Sterilbarriere 60 vom sterilen Bereich abgetrennt. Um trotzdem das Instrument 30, welches hier als Endoskop ausgebildet ist, aktuieren zu können, ist die Sterileinheit 10 wie oben beschrieben als Adapter ausgebildet.

[0034] Fig. 2 stellt dar, wie das Instrument 30, eine Sterileinheit 10 und die Instrumentenantriebseinheit 20 zueinander angeordnet werden. Die Sterileinheit 10 weist eine Basis 11 und mehrere Übertragungskörper 12 auf, die drehbar um eine Drehachse gelagert sind. Die Sterileinheit 10 wird zwischen Instrument 30 und Instrumentenantriebseinheit 20 angeordnet.

[0035] Das chirurgische Instrument 30 setzt sich ferner aus einem Instrumentengehäuse 31 und einen Instrumentenschaft 32 zusammen. An einem distalen Ende des Instrumentenschafts 32 ist hier ein Endeffektor 35 in Form eines Greifers angeordnet. Allgemein können sämtliche Typen von Endeffektoren 35 eingesetzt werden, so zum Beispiel Scheren, Klammernahtinstrumente oder Dissektoren. Alternativ kann auch, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Endoskop eingesetzt werden. Die Anzahl der Freiheitsgrade ist dabei abhängig vom Typ des Instruments 30, wobei neben der Bewegung von Endeffektorgelenken auch eine mechanische Auslösung von zusätzlichen Funktionen, beispielsweise dem Öffnen und Schließen von Maulteilen eines Greifers oder dem Aktivieren einer Klinge, als individuelle Freiheitsgrade umfasst sind. In der Regel liegt die Anzahl der Freiheitsgrade zwischen einem einzelnen für zum Beispiel ein Endoskop oder fünf für ein Klammernahtinstrument, prinzipiell ist sie jedoch beliebig und kann an den konkreten Anwendungsfall angepasst werden.

[0036] Die Instrumentenantriebseinheit 20 umfasst ein Antriebsgehäuse 22, in dem fünf Antriebe 21 untergebracht sind, welche jeweils einen Antriebskörper mit einer zweiten Koppelstruktur und einen hier nicht sichtbaren Motor aufweisen, wobei es sich in der Regel um Elektromotoren handelt, die ein Drehmoment erzeugen. Die zweite Koppelstruktur ist dabei außerhalb des Antriebsgehäuses 22 angeordnet, wobei eine genauere Beschreibung ihrer Struktur weiter unten erfolgt. Das vom Motor erzeugte Drehmoment wird durch die jeweiligen Antriebskörper mit jeweils der zweiten Koppelstruktur auf die Übertragungskörper 12 übertragen und von diesen an hier verdeckte Abtriebe des Instruments 30 weitergegeben, um den Endeffektor 35 zu bewegen. Die Instrumentenantriebseinheit 20 umfasst neben den Antrieben 21 und dem Antriebsgehäuse 22 ein oder mehrere erste Befestigungselemente 23, welche die Sterileinheit 10 an der Instrumentenantriebseinheit 20 befestigen. Dazu ist an der Sterileinheit 10 wiederum ein komplementärer, in dieser Abbildung verdeckter, erster Befestigungsmechanismus vorhanden. Auf der dem Instrument 30 zugewandten Seite der Sterileinheit 10 befindet sich ein zweiter Befestigungsmechanismus 14, welcher wiederum ermöglicht, das chirurgische Instrument 30 an der Sterileinheit 10 zu befestigen. Diese Verbindung kann mittels eines Auslösemechanismus 33 gelöst werden.

[0037] In den Fig. 3A und 3B ist die Sterileinheit 10 genauer dargestellt. Außer den Übertragungskörpern 12 und der Basis 11 sind an der Sterileinheit 10 ein erster Befestigungsmechanismus 13 und ein zweiter Befestigungsmechanismus 14 angebracht. Auf der dem Instrument 30 zugewandten Seite der Sterileinheit 10, die in Fig. 3A eingesehen werden kann, befindet sich der zweite Befestigungsmechanismus 14, welcher ermöglicht, das chirurgische Instrument 30 an der Sterileinheit 10 zu befestigen. An der der Instrumentenantriebseinheit 20 zugeordneten Seite der Sterileinheit 10, die in Fig. 3B dargestellt ist, befindet sich der erste Befestigungsmechanismus 13, welcher ein Befestigen der Sterileinheit 10 an der Instrumentenantriebseinheit 20 ermöglicht. Beide Befestigungsmechanismen 13, 14 sind Teil einer Schnappverbindung, allgemein kann der erste und der zweite Befestigungsmechanismus 13, 14 jedoch beliebig fachmännisch gestaltet werden, sofern die Sterileinheit 10 mit dem Instrument 30 und der Instrumentenantriebseinheit 20 durch Kraft- oder Formschluss lösbar oder unlösbar verbunden werden kann.

[0038] Die Übertragungskörper 12 werden in jeweils eine Durchgangsöffnung der Basis 11 eingebracht, wobei es verschiedene Möglichkeiten zur konkreten Ausgestaltung gibt. So kann die Basis 11 zweiteilig gestaltet werden, so dass die Übertragungskörper 12 zwischen den beiden Teilen der Basis 11 aufgenommen werden. Alternativ sind, wie in Fig. 3A und 3B gezeigt, die Übertragungskörper 12 selbst mit einer Möglichkeit zur Befestigung ausgestattet. Dabei können sie selbst aus zwei Körpern zusammengesetzt sein, welche die Basis 11 zwischen sich einklemmen, oder aber mit Befestigungsmitteln ausgestattet sein, die sie an der Basis 11 um eine Drehachse drehbar gelagert halten. Dafür geeignet sind Schnapphaken, Kugelgelenkverbindungen oder ähnliches.

[0039] Nicht dargestellt aber ebenso möglich sind weitere, anders geformte Übertragungskörper 12 oder ein elektrischer Kontakt zum Leiten von Stromsignalen durch die Sterileinheit 10. Ferner ist an der der Instrumentenantriebseinheit 20 zugewandten Seite der Basis 11 der Sterileinheit 10 vorzugsweise eine Befestigungsfläche 15 vorhanden. Hier wird mittels Kleben oder Schweißen eine Sterilfolie angebracht, welche zusammen mit der Sterileinheit 10 eine Sterilbarriere 60 formt. Eine weitere fachübliche Möglichkeit, die Sterilfolie einzubringen, besteht darin, die Basis 11 zweiteilig zu gestalten, so dass die Sterilfolie zwischen die zwei Teile geklemmt wird.

[0040] Fig. 4 zeigt das chirurgische Instrument 30 von der unteren Seite gesehen. Neben dem Instrumentengehäuse 31 und dem Instrumentenschaft 32 sind hier ebenfalls die Abtriebe 34 gezeigt. Diese dienen der Aktuierung des hier nicht gezeigten Endeffektors 35. Das dargestellte Instrument 30 besitzt fünf dieser Abtriebe 34, die Anzahl kann jedoch entsprechend dem verwendeten Instrumententyp variieren. Jeder Abtrieb 34 umfasst einen Abtriebskörper mit einer vierten Koppelstruktur, der zumindest teilweise von außen ersichtlich ist, und einen in dem Instrumentengehäuse 31 befindlichen Übertragungsmechanismus, der fest mit dem Abtriebskörper verbunden ist und ein an dem Abtriebskörper wirkendes Drehmoment zum Endeffektor 35 leitet.

[0041] Um das Instrument 30 mit der Sterileinheit 10 zu verbinden sind ein oder mehrere zweite Befestigungselemente 36 vorhanden, die in den zweiten Befestigungsmechanismus 14 greifen, so dass das Instrument 30 an der Sterileinheit 10 gehalten wird. Mittels des Auslösemechanismus 33 können die zweiten Befestigungselement 36 bewegt werden und so die Verbindung zwischen Instrument 30 und Sterileinheit 10 lösen. Die Gestaltung der zweiten Befestigungselemente 36 und des zweiten Befestigungsmechanismus 14 ist jedoch im Allgemeinen frei wählbar. [0042] Die Fig. 5A und 5B zeigen am Beispiel des Antriebskörpers 25 und des Übertragungskörpers 12, wie die Koppelstrukturen ausgebildet sind und wie sie wirken. Das Prinzip lässt sich problemlos auf die Koppelstrukturen zwischen dem Übertragungskörper 12 und dem Abtriebskörper des Instruments 30 übertragen, auch wenn im Folgenden die Beschreibung anhand der Koppelstrukturen des Übertragungskörpers 12 und des Antriebskörpers 25 erfolgt.

[0043] Der Übertragungskörper 12 weist in Fig. 5A einen Keil 43 als erste Koppelstruktur auf, an dessen Spitze sich ein Zapfen 44 befindet. Der Zapfen 44 ist als Quader ausgebildet, dessen dem Antrieb 21 zugewandten Kanten abgerundet sind. Auf der dem Instrument 30 zugewandten Seite ist hier eine offene Struktur dargestellt, welche in den Abtriebskörper greifen und ein Drehmoment übertragen kann. Der zugehörige Antriebskörper 25 umfasst eine zweite Koppelstruktur, die als eine zum Keil 43 komplementäre keilförmige Ausnehmung 42 und eine zum Zapfen 44 komplementäre Nut 45 aufweist.

[0044] Es ist in Fig. 5A ferner zu sehen, dass die Nut 45 und der Zapfen 44 nicht formschlüssig ineinandergreifen müssen. Für eine Drehmomentübertragung ist es vielmehr ausreichend, wenn parallel zur Drehachse 48 des Übertragungskörpers 12 ausgerichtete Flächen an Nut 45 und Zapfen 44 vorhanden sind. Die abgerundeten Kanten des Zapfens 44 erlauben ein besseres Gleiten über die Kanten des Antriebskörpers 25 an der keilförmigen Ausnehmung 42.

[0045] Im Folgenden soll der Vorgang des Verbindens des Übertragungskörpers 12 und des Antriebskörpers 25 näher erläutert werden. Sind der Zapfen 44 und die Nut 45 nicht zueinander ausgerichtet, führt das beim Zusammenführen des Übertragungskörpers 12 mit dem Antriebskörper 25 dazu, dass der Keil 43 bzw. der Zapfen 44 mit den Kanten des Antriebskörpers 25 an der keilförmigen Ausnehmung 42 in Kontakt treten. Da der Übertragungskörper 12 frei um die Drehachse 48 gelagert ist, der jeweils zugehörige Motor des Antriebs 21 jedoch ein größeres Trägheitsmoment aufweist oder gar aktiv gebremst wird, wird der Übertragungskörper 12 entlang der Kanten des Antriebskörpers 25 geführt, ohne dass dieser selbst wesentlich ausgelenkt wird. Dabei kommt es durch die gewölbte Form an der keilförmigen Ausnehmung 42 dazu, dass sich der Übertragungskörper 12 zu Drehen beginnt, bis die erste und die zweite Koppelstruktur, also hier der Keil 43 und die keilförmige Ausnehmung 42 formschlüssig aneinander liegen. Nun kann ein von dem Antrieb 21 erzeugtes Drehmoment auf den Übertragungskörper 12 übertragen werden. Da das Drehmoment senkrecht zur Drehachse 48 wirkt, wird die Übertragung wie oben beschrieben durch Nut 45 und Zapfen 44 verbessert.

[0046] Die Fig. 5B zeigt den inversen Fall, wo die zweite Koppelstruktur des Antriebskörpers 25 als Keil 43 und die erste Koppelstruktur des Übertragungskörpers 12 durch die keilförmige Ausnehmung 42 ausgebildet ist. Hier ist der Ablauf, den Übertragungskörper 12 an dem Antriebskörper 25 auszurichten, im Prinzip identisch, jedoch passt sich der Übertragungskörper 12 mit der keilförmigen Ausnehmung 42 an den Keil 43 an. Bei dieser Ausführungsform sind an dem Übertragungskörper 12 im Bereich der Kanten an der keilförmigen Ausnehmung 42 zusätzliche Gleitflächen 46 vorhanden, welche die Ausrichtung weiter verbessern, indem sie den Keil 43 besser führen. Ferner wird durch die Gleitflächen 46 ein Abrieb reduziert, da der Keil 43 mit einer Fläche und nicht mit einer scharfen Kante in Berührung kommt.

[0047] Fig. 6 zeigt nun den Verbund aus Antriebskörper 25, Übertragungskörper 12 und Abtriebskörper 37 in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung. Der Übertragungskörper 12 weist eine erste keilförmige Ausnehmung 42a als erste Koppelstruktur und eine zweite keilförmige Ausnehmung 42b als dritte Koppelstruktur auf, wobei die keilförmigen Ausnehmungen 42a, 42b zueinander um 90° in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse 48 versetzt sind. Es sind sowohl Nuten 45a, 45b als auch Gleitflächen 46 vorhanden. Die zweite Koppelstruktur des Antriebskörpers 25 und die vierte Koppelstruktur des Abtriebskörpers 37 sind jeweils als erster bzw. zweiter Keil 43a, 43b mit jeweils einem Zapfen 44a, 44b ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die dem Übertragungskörper 12 zugewandten Kanten jedes Zapfens 44a, 44b gefast. Schematisch angedeutet ist ferner ein Motor 24, welcher mit dem Antriebskörper 25 verbunden ist und auf diesen ein Drehmoment überträgt.

[0048] Die Nuten 45a, 45b der ersten und der dritten Koppelstruktur liegen in einer Ebene, so dass es in der Mitte des Übertragungskörpers 12 zu einer Überschneidung kommt. Um hier keinen Durchbruch der Sterilbarriere 60 zu schaffen, die das gesamt System ungeeignet für den Einsatz in der Chirurgie machen würde, ist diese Überschneidung mit Material ausgefüllt. Dabei kommt es zu einer Erhöhung innerhalb beider Nuten 45a, 45b. Um dieser Erhöhung Rechnung zu tragen, sind an beiden Zapfen 44a, 44b entsprechende Aussparungen 47a, 47b vorhanden. Dadurch kann der Übertragungskörper 12 und damit auch die gesamte Sterileinheit 10 besonders kompakt ausgeführt werden.

[0049] Das Verbinden des Übertragungskörpers 12 mit dem Antriebskörper 25 erfolgt analog wie es bereits mit Bezug auf Fig. 5A und 5B beschrieben wurde. Um das Instrument 30 zu verbinden, wird das System aus Antriebskörper 25 und Übertragungskörper 12 in der Regel in einer Position festgesetzt, die der Nullposition des Instruments 30, bei der der Endeffektor 35 nicht ausgelenkt ist, entspricht. Dadurch kann die vierte Koppelstruktur des Abtriebsskörpers 37 an der dritten Koppelstruktur des Übertragungskörpers 12 ausgerichtet werden, wenn das Instrument 30 mit der Sterileinheit 10 verbunden wird. Das auf den Abtriebskörper 37 wirkende Drehmoment wird dabei direkt auf den Endeffektor 35 des Instruments 30 übertragen, welcher auf diesem Weg in seine Nullposition gebracht wird, sollte die Stellung des Endeffektors 35 von dieser abweichen. Hierbei handelt es sich in der Regel lediglich um geringe Auslenkungen, welche zum Beispiel durch einen Transport oder ein versehentliches Berühren hervorgerufen worden sind und welche vor Aufnahme des Betriebs sonst vom Gesamtsystem korrigiert werden müssen.

Bezuqszeichenliste

10 Sterileinheit

11 Basis

12 Übertragungskörper

13 erster Befestigungsmechanismus

14 zweiter Befestigungsmechanismus

15 Befestigungsfläche

20 Instrumentenantriebseinheit

21 Antrieb

22 Antriebsgehäuse

23 erstes Befestigungselement

24 Motor Antriebskörper

30 chirurgisches Instrument

31 Instrumentengehäuse

32 Instrumentenschaft

33 Auslösemechanismus

34 Abtrieb

35 Endeffektor

36 zweites Befestigungselement

37 Abtriebskörper

42 keilförmige Ausnehmung

42a erste keilförmiger Ausnehmung

42b zweite keilförmige Ausnehmung

43 Keil

43a erster Keil

43b zweiter Keil

44, 44a, 44b Zapfen

45, 45a, 45b Nut

46 Gleitfläche

47a, 47b Aussparung

48 Drehachse

50 Manipulator

60 Sterilbarriere