Die Erfindung betrifft ein Lenkgetriebe eines chirurgischen Instruments zur Abwinkelung einer Werkzeugspitze mittels eines räumlich ausrichtbaren Taumel-Lenkrings, sowie ein chirurgisches Instrument, das ein solches Lenkgetriebe aufweist.

Aus dem Stand der Technik sind chirurgische Instrumente bekannt, die manuell oder von einem Roboter geführt werden können, und die Werkzeuge aufweisen, deren Werkzeug spitze mittels mehrerer ineinandergreifender Schwenkglieder verschwenkt werden kann. Diese Schwenkglieder sind mit einer Vielzahl Lenkdrähte oder -seile verbunden, um eine feinfühlige Steuerung der Werkzeugspitze zu erreichen. Mit vielen dünnen Lenkdrähten gegenüber wenigen dickeren Lenkdrähten kann eine gleichmäßigere Kraftverteilung in alle Abwinkelungsrichtungen erzielt werden. Aus US 5,454,827 B2 ist bekannt, solche Lenkdrähte mit einer proximal seitig in einer Be tätigungseinheit angeordneten räumlich verstellbaren Taumelscheibe zu koppeln, die über eine Stange mit einem manuell betätigbaren Steuerhebel verbunden ist, sodass eine Bewe gung der räumlich verstellbaren Taumelscheibe eine entsprechende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder und somit ein Verschwenken der Werkzeugspitze verur sacht.

Ferner ist bekannt, in einem chirurgischen Instrument mit einem kompakten Lenkgetriebe die Stellwinkel von zwei Antrieben direkt auf die Taumelscheibe zu übertragen, um diese zur Steuerung der Werkzeugspitze auszurichten. Dazu werden an der Taumelscheibe Lenkdrähte befestigt, sodass sich die Werkzeugspitze durch Ausrichtung der Taumelschei be stufenlos und flüssig steuern lässt. Dazu weist das bekannte Lenkgetriebe zwei um 180 ° zueinander versetzte Antriebskegelräder auf, die auf einer gemeinsamen Drehachse angeordnet sind, die senkrecht zu einer Instrumentenlängsachse verläuft, mit jeweils einem zugeordneten Motor auf. Die Taumelscheibe ist zwischen den Antriebskegelrädern ange ordnet und in einem Lenkring gelagert, der drehfest mit einem dritten Kegelrad verbunden ist, das mit den beiden Antriebskegelrädern in Eingriff steht und um eine Drehachse dreh bar ist, die senkrecht zu der Instrumentenlängsachse und senkrecht zu der gemeinsamen Drehachse der Antriebskegelräder verläuft. Die Verzahnungskette wird durch ein viertes Kegelrad ergänzt, das auf der Drehachse des dritten Kegelrads um 180 ° versetzt zum drit ten Kegelrad angeordnet ist und mit den beiden Antriebskegelrädern in Eingriff steht, wo bei der Lenkring frei drehbar im vierten Kegelrad gelagert ist. Die auf diese Weise ge schlossene Verzahnungskette sichert den Eingriff aller Kegelräder miteinander und ermög licht eine gleichmäßig umlaufende Kraftverteilung.

Die Ausbildung des Antriebs für die Lenkdrähte mit der räumlich verstellbaren Taumel scheibe, an der die Lenkdrähte gelagert sind, hat den Vorteil, dass dies eine räumlich kom pakte Bauweise ermöglicht und nur ein Bauteil bewegt werden muss, um alle Lenkdrähte ansprechen zu können.

In der US 7,699,855 B2 ist ein chirurgisches Instrument offenbart, das eine Schnittstelle aufweist, um das Instrument mit einem Roboter-Arm verbinden zu können. Dabei sind alle Antriebe, die das Instrument steuern, in dem Roboter-Arm angeordnet. Die Übertragung der Drehwinkel von Antrieben zum Instrument erfolgt über Kupplungsscheiben in einer gemeinsamen Trenn-Ebene.

Die WO 2014/004242 beschreibt ebenfalls eine solche Schnittstelle, wobei die Antriebe in dem Roboter-Arm verbaut sind.

Die vorstehende Konstruktion ist verbunden mit einem komplexen Aufbau und einer indi rekten Ansteuerung. Die Antriebe sind nicht in dem chirurgischen Instrument direkt ange ordnet, womit die Ansteuerung der Taumelscheibe nicht linear erfolgt.

Auch US 10,105,128 B2 offenbart eine Ansteuerung einer solchen Werkzeugspitze; dort erfolgt dies über eine Mechanik, die Zahnscheiben-Segmente und Gelenkstangen umfasst, um die Bewegung der Antriebe auf die Taumelscheibe zu übertragen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Führung des Lenkrings bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Lenkgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die weitere Aufgabe der Bereitstellung eines chirurgischen Instruments mit einer alternati ven Führung des Lenkrings wird durch das chirurgische Instrument mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 gelöst.

Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen des Lenkgetriebes und des chirurgi schen Instruments sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Das erfmdungsgemäße Lenkgetriebe ist für die Handhabung eines chirurgischen Instru ments ausgebildet, das einen Schaft aufweist, an dessen distalem Ende eine Abwinke lungsmechanik zur Betätigung eines Werkzeugs vorliegt. Das erfindungsgemäße Lenkge triebe kann am proximalen Ende des Schafts, der eine Längsachse B hat, angeordnet wer den. Gemäß einer ersten Ausführungsform weist das erfmdungsgemäße Lenkgetriebe ein Schaftelement mit ebenfalls einer Längsachse auf, das bei einer Montageanordnung, in der das Lenkgetriebe und das chirurgische Instrument aneinander montiert sind, den Schaft fortsetzt; entsprechend setzen auch die beiden Längsachsen einander fort.

Dabei weist das Lenkgetriebe erfmdungsgemäß einen Taumel -Lenkring auf, der operativ mit der distalen Abwinkelungsmechanik zur Steuerung der Abwinkelung derselben gekop- pelt werden kann. Der Taumel -Lenkring hat eine zentral-axiale Durchgangsöffnung für ei ne Lagervorrichtung, die in axialer Längsrichtung auf dem Schaftelement des Lenkgetrie bes festgelegt ist und mit dem Schaftelement um die Längsachse B rotierbar ist.

Das Lenkgetriebe weist erfindungsgemäß drei motorisierte Antriebe auf und stellt eine operative Kopplung der drei Antriebe mit dem Taumel -Lenkring zur Übertragung der Stellwinkel der drei Antriebe auf den Taumel-Lenkring bereit. Dabei kann der Taumel- Lenkring über die Stellwinkel zweier der drei Antriebe räumlich in Bezug auf zwei senk recht zueinander und zu der Längsachse verlaufende Schwenkachsen ausgerichtet werden und kann über den Stellwinkel des dritten der drei Antriebe um die Längsachse rotiert wer den.

Hierin ist die Längsachse der Schaftwelle identisch mit der Längsachse des Schafts des chirurgischen Instruments, in das das erfindungsgemäße Lenkgetriebe eingesetzt werden kann. Das Schaftelement, das an das proximale Ende des Schafts des chirurgischen Instru ments angeordnet werden kann und diesen Schaft fortsetzen kann, ermöglicht einen mög lichst kurzen axialen Bauraum und damit ein raumsparendes, kompaktes Lenkgetriebe.

Vorteilhaft kann der Taumel -Lenkring mittels der Antriebsmotoren direkt angesteuert wer den. Es sind keine weiteren Umlenkmechanismen oder Getriebeübersetzungen notwendig, so dass die kürzest mögliche Übertragungskette ermöglicht wird. Eine solche direkte Kraftübertragung, die ein lineares Übertragungsverhalten zeigt, ermöglicht eine einfache softwaretechnische Steuerung, so dass eine präzise und zuverlässige Steuerung des zu steuernden Bauteils erreicht wird.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes ist die mit dem Schaftelement um die Längsachse rotierbare Lagervorrichtung des Taumel-Lenkrings eine kardanische Lagervorrichtung, die eine in der zentral-axialen Durchgangsöffnung an geordnete Kreuzgelenkscheibe mit zumindest vier um jeweils 90 ° zueinander versetzten radialen Durchgangsbohrungen aufweist, wobei in jeder radialen Durchgangsbohrung ein Lagerstift angeordnet ist. Zwei in den Durchgangsbohrungen koaxial, d. h. um 180 ° zuei nander versetzt angeordnete erste Lagerstifte, die ein erstes Lagerstiftepaar bilden, verbin den den Taumel -Lenkring mit der Kreuzgelenkscheibe. Die zwei weiteren in den Durch gangsbohrungen koaxial, d. h. um 180 ° zueinander versetzt angeordneten zweiten Lager stifte, die ein zweites Lagerstiftepaar bilden, verbinden die Kreuzgelenkscheibe mit dem Schaftelement, wobei das erste Lagerstiftepaar um 90 ° versetzt zu dem zweiten Lagerstif tepaar vorliegt. Somit ist die Kreuzgelenkscheibe mittels der Lagerstiftepaare verschwenk- bar auf dem Schaftelement angeordnet und lagert den Taumel-Lenkring, so dass er um die Schwenkachsen verkippt und mit dem Schaftelement um die Längsachse B rotiert werden kann. Der Taumel -Lenkring ist damit auf dem Schaftelement, das beidenends drehbar ge lagert ist, lateral im Raum fixiert, kann aber in alle drei Raumrichtungen verkippt bzw. ge dreht werden, wodurch die Werkzeugspitze gezielt gesteuert werden kann.

In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes weist der Taumel-Lenkring eine kugelscheibenförmige Außenmantelfläche als Wirkfläche auf. Fer ner hat das Lenkgetriebe zwei längsaxial verschiebbare Getriebewellen mit jeweils einem Kontaktwalzenabschnitt, wobei die Getriebewellen jeweils eine zu der Längsachse des Schaftelements parallele Drehachse haben, die mit der Längsachse einen Mittelpunktswin kel von 90 ° aufspannen. Dabei kontaktiert der jeweilige Kontaktwalzenabschnitt tangenti al die Wirkfläche des Taumel -Lenkrings an einem Kontaktpunkt, wobei die beiden Schwenkachsen jeweils durch eine Gerade definiert werden, die durch den Mittelpunkt der kugel scheibenförmigen Außenmantelfläche und durch den jeweiligen Kontaktpunkt des jeweiligen Kontaktwalzenabschnitt mit der Wirkfläche verläuft. Der Kontaktwalzenab schnitt wirkt als Kraftübertrager ausgehend von der Bewegung der Getriebewelle auf den Wirkabschnitt des Taumel-Lenkrings.

"Kugelscheibenförmig" meint hierin eine torusartige, teilkugelförmige oder auch toroidiale Außenmantelfläche, die durch eine Rotationsfläche definiert ist, die durch Rotation eines nach außen gewölbten Kreisbogens um die Längsachse gebildet ist, wobei der Kreismittel punkt des umlaufenden Kreisbogens auf der Längsachse liegt und damit jeder Kontakt punkt im Idealfall äquidistant zum Kreismittelpunkt ist.

"Wirkabschnitt" ist hierbei der Bereich des Lenkrings, der mit dem Kontaktwalzenab schnitt eine kraftübertragende Wirkverbindung eingehen kann, also direkt in Kontakt mit dem Kraftübertrager ist, bspw. durch eine Reibschluss-Wirkverbindung mittels Reibele mente, oder in Eingriff steht, bspw. durch eine Verzahnung oder andere geeignete kraft übertragende Wirkverbindungen. So kann alternativ die Kraftübertragung anstatt über Reibschluss über eine gegenseitige, ineinandergreifende Verzahnung als Wirkverbindung erfolgen. "Kontaktwalzenabschnitt" meint hierbei jedes Bauteil, das die von Motoren initiierte Be wegung, egal ob rotatorisch oder linear, direkt überträgt, d. h. auf den Wirkabschnitt des Lenkrings im Sinne einer Kraftübertragung weitergeben kann. Alternativ kann die Kraft übertragung anstatt über Reibschluss über eine ineinandergreifende Verzahnung oder eine andere geeignete Wirkverbindung erfolgen

In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes kann das Lenkgetriebe auch vier Getriebewellen aufweisen, die jeweils um 90 ° versetzt um den Taumel-Lenkring angeordnet sind und alle gleichläufig rotatorisch von dem dritten Motor angetrieben werden. In diesem Fall müssten für die Rotation des Taumel-Lenkrings alle Getriebewellen gleichläufig rotieren und für eine Verkippung jeweils paarig angeordnete bzw. gegenüberliegende Getriebewellen gegenläufig rotieren. Hiermit lässt sich eine weite re stabile Bewegung des Getriebes und damit der Ansteuerung des Taumel -Lenkrings er reichen, da doppelt so viele Kontaktwalzenabschnitte mit einer höheren Traktion einen hö heren Kontaktdruck und damit mehr Kraft auf den Taumel-Lenkring aufbringen können.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes sieht vor, dass jede Getriebewelle einen Antriebsabschnitt hat, der einen umfänglich rundverzahnten Zahn stangenabschnitt aufweist, der einen axialen Verschiebeweg jeder Getriebewelle definiert und mit einem Ritzel (Antriebsritzel) kämmt, das auf einer Antriebswelle des jeweiligen Motors sitzt, wobei die Antriebswellen Antriebssachsen definieren, die senkrecht zu der Längsachse und den Drehachsen der Getriebewellen verlaufen. Eine durch die Ansteue rung eines der ersten beiden Motoren initiierte Bewegung einer Getriebewelle bedingt ein Eingreifen des Antriebsritzels in die Geradverzahnung des Antriebsabschnitts, wodurch die Getriebewelle innerhalb des Lenkgetriebes linear verschoben wird, je nachdem in welche Richtung die Antriebswelle das Ritzel dreht, so z. B. in distale Richtung vor- oder zurück geschoben wird. Demzufolge wird auch der Kontaktwalzenabschnitt in Bezug auf ein dis tales Ende des Lenkgetriebes nach vorne oder zurück geschoben. Durch den bestehenden Reibschluss zwischen Kontaktwalzenabschnitt und Mantelfläche des Taumel -Lenkrings, also dessen Wirkabschnitts, wird durch gezielte Kraftübertragung, der Taumel-Lenkring an dieser Stelle verkippt und zwar um seine jeweilige Kippachse. "Antriebsabschnitt" meint hierbei jedes Bauteil, das die von Motoren initiierte Bewegung, egal ob rotatorisch oder linear, direkt aufnimmt und in eine Bewegung der Getriebewellen umsetzt.

Die beiden Getriebewellen werden in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsge mäßen Lenkgetriebes durch den dritten Motor gleichläufig zur Rotation um die jeweilige Drehachse angetrieben. Dabei weist bevorzugt jede Getriebewelle an einem freien Ende des Antriebsabschnitts ein Zahnrad auf, das mit einem gemeinsamen Antriebszahnrad kämmt, das über eine zur Längsachse und den Drehachsen parallele Antriebswelle von dem dritten Motor angetrieben wird. Die Getriebewellen werden daher gemeinsam von dem dritten Motor angetrieben, wodurch der Taumel-Lenkring rotieren kann. Die Getrie bewellen ermöglichen durch gleichlaufende Kontaktwalzenabschnitte die Rotation des Taumel-Lenkrings und bilden, wenn die Kontaktwalzenabschnitte als Walzen ausgebildet sind, eine Art Rollenmühle, deren Trommel dem Taumel-Lenkring entspricht.

In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes wird eine Kraftübertragung zwischen den Kontaktwalzenabschnitten der Getriebewellen und dem Wirkabschnitt des Taumel-Lenkrings durch Reibschluss bereitgestellt. Einer oder beide der Reibungspartner, bestehend aus dem Wirkabschnitt des Taumel -Lenkrings und dem jewei ligen Kontaktwalzenabschnitt, weisen eine Ummantelung aus einem reibungserhöhenden Material auf. Alternativ bestehen sie vollständig aus dem reibungserhöhenden Material. So kann ferner der Taumel -Lenkring ein solches Material aufweisen oder nur die Kontaktwal zenabschnitte oder beide Bauteile. Der Reibschluss ermöglicht eine konstruktiv einfache Kraftübertragung, durch ein entsprechend ausgewähltes Material, das eine bestimmte Rei bungskraft aufbringt. Nach einer einfachen Variante können diese Kontaktwalzenabschnit te Ummantelungen sein, bspw. aufgezogene Schlauchabschnitte aus einem Elastomer, wie bspw. Gummi.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes weist das Lenkgetriebe ein Lagergehäuse mit einer Basisplatte auf, die unterhalb der zwei Ge triebewellen und parallel zu diesen angeordnet ist. Das Lagergehäuse hat dabei eine erste Seitenplatte, die an dem Ende der Kontaktabschnitte der Getriebewellen an der Basisplatte befestigt ist und zwei Durchtrittsbohrungen zur Lagerung der Getriebewellen hat. Außer dem weist das Lagergehäuse eine zweite Seitenplatte mit zwei Durchtrittsbohrungen auf, durch die sich der zwischen den Zahnungsabschnitten und den endständigen Zahnrädern liegende Antriebsabschnitt erstreckt und die an dem von der ersten Seitenplatte abgewand ten Ende der Basisplatte an dieser befestigt ist. Die Länge des Abschnitts der Getriebewelle zwischen dem Zahnungsabschnitt und dem endständigen Zahnrad entspricht zumindest der Länge des Verschiebewegs der Getriebewelle, sodass weder das Zahnrad noch der Zah nungsabschnitt bei der axialen Bewegung der Getriebewelle an der zweiten Seitenplatte anschlagen. Durch das Lagergehäuse wird eine sichere Lagerung der beweglichen Bauteile des Lenkgetriebes ermöglicht. Auch das Schaftelement ist in diesen beiden Bauteilen mit tels zweier Kugellager rotierbar gelagert.

Nach noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lenkgetriebes weist der Taumel-Lenkring eine erste Stirnfläche auf, die eine erste trichterförmige Ausnehmung hat. In einem Grund der ersten trichterförmigen Ausnehmung liegen Durchtrittsbohrungen zur Durchführung von Lenkdrähten vor. Die Lenkdrähte sind bevorzugt an dem Taumel- Lenkring mittels einer Klemmverbindung klemmend gelagert, damit in einem Fall der Be schädigung die Lenkdrähte einfach ausgetauscht werden können. Diese Klemmverbindung kann bspw. durch eine Klemmscheibe, die in die zweite trichterförmige Ausnehmung an geordnet werden kann, bereitgestellt werden. Die Lenkdrähte können auch mit dem Tau- mel-Lenkring verklebt, verschweißt oder verlötet sein, um eine stabile Befestigung der Lenkdrähte zu erreichen. Dadurch, dass die Lenkdrähte direkt mit dem Taumel-Lenkring verbunden werden können, sind keine weiteren zusätzlichen Bauteile notwendig, wie eine getrennte Anordnung Taumelscheibe in einem Lenkring, wie es im Stand der Technik bis her der Fall ist.

Ferner erstreckt sich die zentral -axiale Durchgangsöffnung des Taumel-Lenkrings durch den Trichtergrund der ersten trichterförmigen Ausnehmung hindurch. Ferner weist der Taumel-Lenkring eine zweite Stirnfläche auf, die eine zweite trichterförmige Ausnehmung hat. Die zweite trichterförmige Ausnehmung hat einen kleineren Durchmesser als die erste trichterförmige Ausnehmung. Hierbei erstreckt sich die zentral-axiale Durchgangsöffnung weiter durch den Trichtergrund der zweiten trichterförmigen Ausnehmung hindurch, so dass eine durchgängige lineare Durchgangöffnung um den geometrischen Mittelpunkt des Taumel-Lenkrings durch diesen hindurch vorliegt, in der die kardanische Lagervorrichtung zur Lagerung des Taumel -Lenkrings auf dem Schaftelement eingesetzt werden kann.

Durch die trichterförmigen Ausnehmungen kann der Taumel -Lenkring flexibel im Raum verkippt werden, ohne den Verlauf der Lenkdrähte zu stören, diese können der Bewegung des Taumel-Lenkrings ohne weiteres folgen.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments, das ei nen Schaft, eine am proximalen Ende des Schaftes angeordnete Betätigungseinheit und ein am distalen Ende des Schaftes angeordnetes Werkzeug mit einer mittels einer distalen Ab winkelungsmechanik abwinkelbaren Werkzeugspitze aufweist, bezieht sich darauf, dass die abwinkelbare Werkzeugspitze durch ein erfindungsgemäßes Lenkgetriebe räumlich ausgerichtet werden kann.

Durch das erfindungsgemäße Lenkgetriebe kann das chirurgische Instrument konstruktiv einfach und platzsparend aufgebaut werden, so dass eine einfache Verbindung zu einem Roboter-Arm ermöglicht werden kann, bei der die Bewegung der Antriebe direkt auf die Werkzeugspitze übertragen werden kann. Folge ist eine exakt steuerbare Verwendung des chirurgischen Instruments.

Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen chirurgischen Instruments ist das Betätigungselement axial verschiebbar in dem Schaft gelagert und steht proximal seitig mit der Betätigungseinheit in Wirkverbindung. Die distale Abwinkelungsmechanik der abwinkelbaren Werkzeugspitze besteht aus an dem distalen Ende des Schaftes ange ordneten Schwenkgliedem, die über die in Längsrichtung des Schaftes verlaufenden Lenk drähte mit dem Lenkgetriebe verbunden sind. Vorteilhaft an dieser Konstruktion des chi rurgischen Instruments gegenüber bekannten Konstruktionen ist, dass nicht nur die Ver wendung einer geringen Anzahl von Lenkdrähten, nämlich von nur vier Lenkdrähten, und eine ausschließlich manuelle Betätigbarkeit der als Antrieb für die Lenkdrähte dienenden räumlich verstellbaren Scheibe möglich ist, sondern dass eine Vielzahl an Lenkdrähten frei gewählt werden und dadurch eine feinfühlige und reproduzierbare Verstellung der distal seitigen Schwenkglieder möglich ist.

Das erfindungsgemäße chirurgische Instrument hat den Vorteil, dass viele dünne Lenk drähte zur Ansteuerung der verschwenkbaren Werkzeugspitze verwendet werden können und diese Ansteuerung aufgrund des motorisierten Antriebs für die räumlich verstellbare Scheibe, an der die Lenkdrähte proximal sei tig gelagert sind, feinfühlig, exakt und reprodu zierbar erfolgt. Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Aus führungsformen des Lenkgetriebes und des chirurgischen Instruments verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleiten den Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Seitenansicht eines chirurgischen Instru ments,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfmdungsgemäßen Lenkgetriebes mit ei nem Taumel -Lenkring,

Fig. 3 eine weitere perspektivische teilgeschnittene Ansicht eines erfmdungsgemäßen Lenkgetriebes mit einem Taumel -Lenkring,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das erfmdungsgemäße Lenkgetriebe,

Fig. 5 eine Seitenschnittansicht entlang Längsachse B durch das erfmdungsgemäße Lenkgetriebe,

Fig. 6 eine Vorderansicht des erfmdungsgemäßen Lenkgetriebes,

Fig. 7 eine Vorderansicht des Taumel -Lenkrings mit den Krafübertragern der Getrie bewellen, und

Fig. 8 eine Schnittansicht des Taumel -Lenkrings.

Fig. 1 zeigt schematisch ein chirurgisches Instrument 1 mit einem hohlen Schaft 2, einer am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 angeordneten, nur schematisch dargestellten Betäti gungseinheit 4 und einer am distalen Ende 5 des Schaftes 2 angeordneten Werkzeugspitze 6 mit einem Werkzeug 7, das über ein axial verschiebbar im Schaft 2 gelagertes Betäti gungselement 8 betätigbar ist, das proximal seitig mit der Betätigungseinheit 4 in Wirkver- bindung steht. Bei der Betätigungseinheit 4 kann es sich um eine manuell betätigbare Handhabe oder aber um eine für den robotischen Einsatz ausgelegte, also auch ohne manu elles Zutun betätigbare Baueinheit handeln. Bei dem Werkzeug 7 der Werkzeugspitze 6 kann es sich beispielsweise um ein mit Maulteilen versehenes Werkzeug, wie in Fig. 1 dargestellt, oder aber alternativ um ein Endoskop, einen Applikator oder dergleichen han deln (figurativ nicht gezeigt). Die Werkzeugspitze 6 ist über einen Gelenkmechanismus 9 relativ zur Längsachse 10 des Schaftes 2 ver schwenkbar, wobei der Gelenkmechanismus 9 aus am distalen Ende des Schaftes 5 angeordneten Schwenkgliedern 11 besteht, die über in Längsrichtung des Schaftes 2 verlaufende Lenkdrähte 12 so mit einem am proximalen En de 3 des Schaftes 2 angeordneten Antrieb in Form eines Lenkgetriebes 13 verbunden sind, dass eine Bewegung des proximal sei tigen Antriebs 13 eine entsprechende relative Bewe gung der distalseitigen Schwenkglieder 11 und somit ein Verschwenken der Werkzeug spitze 6 verursacht. Auch wenn voranstehend und nachfolgend nur der Begriff Lenkdräh te 12 verwendet wird, können funktional auch Lenkseile verwendet werden, weshalb der verwendete Begriff Lenkdrähte 12 synonym auch als Lenkseil zu lesen und zu verstehen ist.

Das axial ver schiebbar im Schaft 2 gelagerte Betätigungselement 8 zum Betätigen der Werkzeugspitze 6 des Werkzeugs 7 ist bei den dargestellten Ausführungsformen als Zug- /Schubstange ausgebildet. Das Lenkgetriebe 13 für die Lenkdrähte 12 ist motorisiertes Lenkgetriebe 13, das einen räumlich verstellbare Taumel-Lenkring 14 aufweist, an der die Lenkdrähte 12 so gelagert sind, dass eine vorzugsweise über das motorisierte Lenkgetrie be 13 bewirkte Verlagerung des Taumel-Lenkrings 14 über die Lenkdrähte 12 ein Ver schwenken der Werkzeugspitze 6 bewirkt.

Bei dem chirurgischen Instrument 1 gemäß Fig. 1 ist der Schaft 2 über ein koaxial zur Längsachse B des Schaftes 2 angeordnetes Schaftelement 21, das als um die Längsachse B des Schaftes 2 rotierbare Schaftwelle 21 am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 angeordnet ist, mit dem motorisierten Lenkgetriebe 13 verbunden. Innerhalb des Schafts 2 und dem sich daran anschließenden Schaftelement 21 ist axial ver schiebbar das Betätigungselement 8 zur Betätigung des Instruments 7 gelagert.

Die am proximalen Ende 3 des Schaftes 2 aus dem Schaft 2 austretenden Lenkdrähte 12 werden einem auf dem Schaftelement 21 gelagerten Taumel-Lenkring 14 zugeführt und dort festgelegt. Dazu weist der Taumel -Lenkring 14 für jeden Lenkdraht 12 eine axialpa rallele Durchgangsbohrung 30 auf, wobei die Lenkdrähte 12 innerhalb der Durchgangs bohrungen 30 befestigt sind.

In den Fig. 2 bis 6 ist das Lenkgetriebe 13 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform im Detail gezeigt, wobei das Kernstück der räumlich verstellbarer Taumel -Lenkring 14 ist, an dem die Lenkdrähte 12 so befestigt sind, dass eine Verlagerung des Taumel-Lenk rings 14 über die an dem Taumel-Lenkring 14 gelagerten Lenkdrähte 12 ein Verschwenken der Werkzeugspitze 6 bewirkt. Die Lenkdrähte 12 zum Verschwenken der distalseitigen Schwenkglieder 11 bzw. der Werkzeugspitze 6 können mittels der Konstruktion über den Taumel-Lenkring 14 exakt, feinfühlig in kleinsten Schritten und auch reproduzierbar anzu steuern. Darüber hinaus ist die Anzahl der zu verwendenden Lenkdrähte 12 für einen mo torisierten Antrieb 13 recht frei wählbar, im dargestellten Beispiel, z. B. Fig. 6, sieht der Taumel-Lenkring 14 zehn Durchgangsbohrungen 30 für die Lenkdrähte 12 vor.

Das Lenkgetriebe 13 weist, wie in Fig. 2 und 3 zu sehen ist, drei Antriebe mit Motoren 17, 17‘, 17" mit Antriebsachsen C, C‘, C" auf, wobei die Antriebsachsen C, C des ersten Mo tors 17 und des zweiten Motors 17' parallel zu einander und in einem rechten Winkel zu der Längsachse B verlaufen. Die Antriebsachse C" des dritten Motors 17" verläuft parallel zu der Längsachse B. Die Längsachse B ist die gemeinsame Achse in Längsrichtung des chirurgischen Instruments 1 nach Fig. 1 sowie des Lenkgetriebes 13. Darin liegt auf der Längsachse B der Schaft 2 des chirurgischen Instruments 1 und ebenso ein sich an den Schaft 2 anschließendes Schaftelement 21, auf dem der Taumel -Lenkring 14 angeordnet ist.

Die ersten beiden Motoren 17, 17' haben je eine Antriebswelle 17a, 17b, auf denen je ein Ritzel 19, 19' sitzt. Die Ritzel 19, 19' stehen mit je mit einer Getriebewelle 15, 15' in Ein griff, wobei jede Getriebewelle 15, 15' einen Kontaktwalzenabschnitt K und einen An triebsabschnitt A aufweist. Die Getriebewellen 15, 15‘ haben jeweils eine zu der Längs achse B parallele Drehachse D, D‘, die mit der Längsachse B einen Mittelpunktswinkel von 90 ° aufspannen, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Der Antriebsabschnitt A jeder Getriebewelle 15, 15‘ weist einen umfänglich rundverzahn ten Zahnstangenabschnitt 18, 18‘ auf, mit dem jedes Ritzel 19, 19' kämmt. Die Verzahnung ist gerade, so dass, wenn einer oder beide der Motoren 17, 17' ihre Antriebswellen 17a, 17b rotieren, die Ritzel 19, 19' ebenso rotieren, wobei auf Grund des ständigen Eingriffs in den jeweiligen Zahnstangenabschnitte 18, 18' der Getriebewellen 15, 15' die Getriebewellen 15, 15' linear verschoben werden, in distaler oder proximaler Richtung, je nach Drehrich tung der Antriebswellen 17a, 17b. Der Zahnstangenabschnitt 18, 18‘ hat eine Länge, die einem axialen Verschiebeweg der Getriebewelle 15, 15‘ entspricht.

Der jeweilige Kontaktwalzenabschnitt K der Getriebewellen 15, 15' sitzt in einem distalen Bereich der Getriebewellen 15, 15' und kontaktiert tangential eine Mantelfläche des Tau- mel-Lenkrings 14 an einem Kontaktpunkt E, E‘ auf einer Wirkfläche W, wie insbesondere in Fig. 7 zu sehen ist. Die Wirkfläche W entspricht der kompletten Mantelfläche des Tau- mel-Lenkrings 14. Die geometrische Form des Taumel -Lenkrings 14 ist eine symmetrische Kugelscheibe, deren geometrischer Mittelpunkt auf der Längsachse B liegt. Zusammen mit den Drehachsen D, D' der Getriebewellen 15, 15' bildet der Mittelpunkt ein gleichschenk liges Dreieck, dessen Schenkel jeweils durch eine Gerade definiert werden, die senkrecht zu der Längsachse B und zu der jeweilige Drehachse D, D‘ durch den Mittelpunkt der Ku gelscheibe und den Kontaktpunkt E, E‘ an der Wirkfläche W des Taumel -Lenkrings 14 verläuft und jeweils eine kardanische Schwenkachse F, F‘ definiert, die am Mittelpunkt ei nen rechten Winkel einschließen. Um diese Schwenkachsen F, F' kann der Taumel- Lenkring 14 in alle drei Raumrichtungen verkippt werden.

Um die lineare Bewegung der Getriebewellen 15, 15' auf den Taumel -Lenkring 14 zu über tragen, sind in dem Kontaktwalzenabschnitt K Kraftübertrager 16, 16' vorgesehen, die als umlaufende Gummierung über Reibschluss die Kraftübertragung bewerkstelligen. Ein Ma terial mit hoher Reibungszahl erhöht die Traktion und damit die auf die Wirkfläche W übertragbare Kraft, sowohl für Verkippung, als auch Rotation.

Die beiden Getriebewellen 15, 15‘ werden durch den dritten Motor 17“ gleichläufig zur Rotation um die jeweilige Drehachse D, D‘ angetrieben. Dazu weist jede Getriebewelle 15, 15' an ihrem freien, proximalen Ende des Antriebsabschnitts A ein Zahnrad 25, 25 ‘ auf, das mit einem gemeinsamen Antriebszahnrad 23 kämmt. Das gemeinsame Antriebszahn rad 23 wird über eine zu der Längsachse B und den Drehachsen D, D‘ parallelen An triebswelle 23 ‘, die die dritte Antriebsachse C“ definiert, (vgl. Fig. 5) von dem dritten Mo tor 17“ angetrieben. Eine axiale Länge des Antriebszahnrads 23 ist an den axialen Verschiebeweg jeder Ge triebewelle 15, 15‘ angepasst, sodass bei der linearen Vor- und Zurückbewegung der Ge triebewellen 15, 15' die Zahnräder 25, 25 ‘ in Eingriff mit dem gemeinsamen Antriebszahn rad 23 bleiben. Die Zahnräder 25, 25' sind mit den Getriebewellen 15, 15' über geeignete Befestigungsmitte, hier, wie in Fig. 4 zu sehen, Gewindestifte 39, die in radiale Bohrungen in einem ungezahnten Abschnitt der Zahnräder 25, 25 ‘ eingebracht sind, verbunden, so dass eine schlupflose Rotation der Getriebewellen 15, 15' möglich ist.

Der Taumel -Lenkring 14 mit der Form einer symmetrischen Kugelscheibe weist zwei Stirnflächen auf, wie in Fig. 2 bis 6 und insbesondere Fig. 8 zu sehen ist. Eine erste Stirn fläche 28 ist in distale Richtung ausgerichtet und hat eine erste trichterförmige Ausneh mung 28'. In einen Grund der ersten trichterförmigen Ausnehmung 28' sind die Durch- trittsb ohrungen 30 zur Durchführung der Lenkdrähte 12 (in Fig. 3, 5 bis 8 gezeigt) einge bracht, sowie eine zentral-axiale Durchgangsöffnung 14' des Taumel -Lenkrings 14, die sich von der ersten Stirnfläche 28 zu einer zweiten Stirnfläche 29 auch durch deren Tricht ergrund erstreckt, so dass der Taumel-Lenkring 14 auf dem Schaftelement 21 gelagert werden kann. Die zweite Stirnfläche 29 des Taumel -Lenkrings 14 weist eine zweite trich terförmige Ausnehmung 29' auf. Diese zweite trichterförmige Ausnehmung 29' hat einen kleineren Durchmesser als die erste trichterförmige Ausnehmung 28' und erlaubt ein Ver kippen auf dem Schaftelement 21.

Der Taumel -Lenkring 14 ist über eine mit der Schaftwelle 21 um die Längsachse B rotier bare kardanische Lagervorrichtung auf dem Schaftelement 21 angeordnet. Die Lagervor richtung weist eine Kreuzgelenkscheibe 10 auf, die in der zentral-axialen Durchgangsöff nung 14' des Taumel-Lenkrings 14 und auf der Schaftwelle 21 angeordnet ist. Die Kreuz gelenkscheibe 10, die in Fig. 2, 3 und insbesondere 5 zu sehen ist, weist vier um jeweils 90 ° zueinander versetzten radialen Durchgangsbohrungen 32 auf, von denen in Fig. 5 zwei koaxiale Durchgangsbohrungen 32 zu sehen sind, in denen jeweils ein Lagerstift 34 ange ordnet ist. Auch in den beiden weiteren, um 90 ° dazu versetzten radialen Durchgangsboh rungen der Kreuzgelenkscheibe 10 ist jeweils ein Lagerstift 33 angeordnet, von denen in Fig. 3 einer zu sehen ist, der sich in eine Durchgangsbohrung 31 in dem Taumel-Lenkring 14 erstreckt, die mit der entsprechenden Durchgangsbohrung in der Kreuzgelenkscheibe 10 fluchtet. So bilden jeweils zwei um 180 ° zueinander versetzt angeordnete Lagerstifte 33, 34 ein erstes und ein zweites Lagerstiftepaar, wobei das erste Lagerstiftepaar, von dem in Fig. 3 ein erster Lagerstift 33 in der radialen Durchgangsbohrung 31 des Taumel- Lenkrings 14 angeordnet und in Fig. 6 beide Lagerstifte 33 zu sehen sind, den Taumel- Lenkring 14 mit der Kreuzgelenkscheibe 10 verbindet. Die zwei weiteren um 180 ° zuei nander versetzt angeordneten, d. h. koaxialen zweiten Lagerstifte 34, die das zweite Lager stiftepaar bilden, verbinden die Kreuzgelenkscheibe 10 mit dem Schaftelement 21, wobei das erste Lagerstiftepaar aus ersten Lagerstiften 33 um 90 ° versetzt zu dem zweiten Lager stiftepaar aus zweiten Lagerstiften 34 vorliegt. Somit ist die Kreuzgelenkscheibe 10 mittels der zweiten Lagerstifte 34 verschwenkbar auf dem Schaftelement 21 angeordnet und lagert über die Lagerstifte 33 den Taumel-Lenkring 14, so dass dieser um die Schwenkachsen F, F' verkippt werden kann. Damit erfolgt auch die Übertragung der durch das Lenkgetriebe

13 betätigbaren Rotationsbewegung des Taumel -Lenkrings 14 um die Längsachse B auf das Schaftelement 21 und damit den Schaft 2 über die kardanische Lagervorrichtung mit der Kreuzgelenkscheibe 10 und den beiden Lagerstiftpaaren.

Die sich bewegenden Bauteile des Lenkgetriebe 13, wie vordergründig Taumel -Lenkring

14 und Getriebewellen 15, 15' sind in einem Lagergehäuse 20 eingebettet, das eine Basis platte 22 aufweist, die unterhalb der zwei Getriebewellen 15,15‘ und parallel zu diesen an geordnet ist, wie Fig. 2, 3 und 4 zeigen. In distaler Richtung schließt an die Basisplatte 22 eine erste Seitenplatte 24 an, die an dem Ende der Kontaktabschnitte K, K‘ der Getriebe wellen 15, 15‘ vorliegt und zwei Durchtrittsbohrungen 26 (vgl. Fig. 6) zur drehbaren Lage rung der Getriebewellen 15,15‘ hat. Zur Lagerung der Getriebewellen 15,15‘ sind vor zugsweise Wälzlager, beispielsweise Kugellager, gegebenenfalls auch Gleitlager vorgese hen, die in die Durchtrittsbohrungen 26 eingearbeitet sind. In proximaler Richtung weist das Lagergehäuse 20 eine zweite Seitenplatte 24 ‘ mit zwei Durchtrittsbohrungen 27 auf, durch die sich der Antriebsabschnitt A zwischen den Zahnungsabschnitten 18, 18' und den endständigen Zahnrädern 25, 25 ‘ erstreckt. Die zweite Seitenplatte 24 ‘ ist an dem von der ersten Seitenplatte 24 abgewandten Ende der Basisplatte 22 an dieser befestigt. Ferner weist die zweite Seitenplatte 24 ‘ eine Durchtrittsbohrung 26‘ zur Lagerung der Antriebs welle 23 ‘ des Antriebszahnrads 23 auf, wie in Fig. 5 zu sehen. Dort ist auch die beidseitige Lagerung des Schaftelements 21 dargestellt: Zur proximal sei ti gen Lagerung des Schaf telements 21 weist die zweite Seitenplatte 24 ‘ eine weitere Durchtrittsbohrung 27‘ mit ei nem Lagerring 38 auf. Zur distal sei tigen Lagerung des Schaftelements 21 im Bereich des proximalen Endes 3 des Schafts 2 weist das Gehäuse 20 eine dritte Seitenplatte 24“ mit einer Durchtrittsbohrung 27“ auf, in der ebenfalls ein Wälzlager 35 angeordnet ist.

Ferner trägt die zweite Seitenplatte 24 ‘ Befestigungsmittel 37, mit denen der dritte Motor 17“ an dem Lagergehäuse 20 befestigt ist. Die Länge der Befestigungsmittel 37 entspricht zumindest der Länge des Zahnrades 23, so dass die Befestigungsmittel 37 den Verschie beweg der Getriebewellen 15, 15' stabil halten. Über elektrische Verbindungen 36 können alle drei Motoren 17, 17', 17" mit einer Stromquelle (extern oder in dem chirurgischen In strument 1 vorliegend) verbunden werden.

Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln be trachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Die vorliegende Er findung stellt ein Lenkgetriebe 13 für ein chirurgisches Instrument 1 mit einem Schaft 2, an dessen distalem Ende 5 eine Abwinkelungsmechanik 9 zur Betätigung eines Werk zeugs 6 vorliegt, und ein chirurgisches Instrument 1 mit einem solchen Lenkgetriebe be reit. Das Lenkgetriebe 13 hat ein Schaftelement 21 mit einer Längsachse B, das bei einer Montageanordnung des Lenkgetriebes 13 mit dem chirurgischen Instrument 1 den Schaft 2 fortsetzt. Es weist einen Taumel -Lenkring 14 auf, der operativ mit der distalen Abwinke lungsmechanik 9 koppelbar ist und eine zentral-axiale Durchgangsöffnung 14' für eine in axialer Längsrichtung auf dem Schaftelement 21 des Lenkgetriebes 13 festgelegte Lager vorrichtung aufweist, die mit dem Schaftelement 21 um die Längsachse B rotierbar ist. Drei motorisierte Antriebe liegen vor, die operativ mit dem Taumel -Lenkring 14 zur Über tragung der Stellwinkel der drei Antriebe auf den Taumel -Lenkring 14 gekoppelt sind, wo bei der Taumel-Lenkring 14 über die Stellwinkel zweier der drei Antriebe räumlich in Be zug auf zwei senkrecht zueinander und zu der Längsachse B verlaufende Schwenkach sen F, F‘ ausrichtbar ist und über den Stellwinkel des dritten der drei Antriebe um die Längsachse B rotierbar ist. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Chirurgisches Instrument

2 Schaft

3 Proximales Ende (Schaft)

4 Betätigungseinheit

5 Distales Ende (Schaft)

6 Werkzeugspitze

7 Werkzeug

8 Betätigungselement

9 Gel enkmechani smu s

10 Kardani sehe Lagervorri chtung/Kreuzgel enkscheib e 11 Schwenkglied 12 Lenkdraht

13 Lenkgetriebe

14 Taumel -Lenkring 14' zentrale Durchgangsöffnung des Taumel-Lenkrings für Schaft 2

15, 15’ Getriebewellen

16, 16’ Kraftübertrager

17, 17’, 17" Motor 17a, 17b Antriebswelle

18, 18’ Z ahnstangenab schnitt

19, 19’ Ritzel

20 Lagergehäuse

21 Schaftelement

22 Gehäusebasis

23, 23 ‘ Antriebszahnrad, Antriebswelle

24, 24’, 24“ Erste/zweite/dritte Seitenplatte

25, 25’ Zahnrad

26 Durchgangsöffnungen erste Seitenplatte

26‘, 27, 27’ Durchgangsöffnungen zweite Seitenplatte 27“ Durchgangsöffnung dritte Seitenplatte

28 Erste Stirnfläche 28' Erste trichterförmige Ausnehmung

29 Zweite Stirnfläche

29' Zweite trichterförmige Ausnehmung

30 Durchgangsbohrung Lenkdrähte

31, 32 Durchgangsbohrungen in Taumel -Lenkring, in Kreuzgelenkscheibe

33, 34 Lagerstifte

35 Lagerring

36 Elektrische Verbindungen

37 Befestigungsmittel

38 Lagerring

39 Gewindestift

A Antrieb sab schnitt

B Längsachse

C, C, C" Antriebsachsen erster/zweiter/dritter Antrieb

D, D' Drehachse Antriebswalzen

E, E‘ Kontaktpunkt Kraftübertrager-Wirkfläche

F, F' Schwenkachsen des Taumel -Lenkrings

K Kontaktab schnitt

W Wirkfläche