Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Positionierung und Bewegung eines chirurgischen Instrumentes
gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1 oder 3 und dabei speziell auf eine Vorrichtung
u.a. zur Verwendung bei der sogenannten minimalinvasiven Chirurgie,
bei der der Operationsraum nicht großflächig geöffnet wird, sondern die Operation über minimale Öffnungen
durch in den Operationsraum eingeführte Instrumente durchgeführt wird.The invention relates to a
Device for positioning and moving a surgical instrument
according to the generic term
Claim 1 or 3 and specifically on a device
et al for use in so-called minimally invasive surgery,
where the operating room is not opened over a large area, but the operation via minimal openings
is performed by instruments inserted into the operating room.
Zur Überwachung des Operationsfeldes
oder -raumes bei einer minimalinvasiven Operation, beispielsweise
im Bauchraum eines Patienten, ist es u.a. notwendig, dem operierenden
Arzt eine exakte Information über
die Position des für
die Operation verwendeten chirurgischen Instrumentes zur Verfügung zu
stellen, beispielsweise in Form eines Videobildes an einem Bildschirm.
Hierfür
ist es üblich,
zusätzlich
zum eigentlichen chirurgischen Arbeitsinstrument eine weitere Sonde
oder ein weiteres Instrument, das Teil einer Videokamera ist und
auch mit einer Beleuchtungseinrichtung versehen ist, ebenfalls von
außen
her in den Operationsraum einzuführen.
Die Bewegung dieser Sonde wird dann von Hand durch einen assistierenden
Arzt so durchgeführt,
daß der
interessierende Operationsbereich auf dem Bildschirm optimal dargestellt
wird.For monitoring the operating field
or space in a minimally invasive operation, for example
in a patient's abdominal cavity, necessary to the operating
Doctor exact information about
the position of the for
The surgical instrument used for the surgery is also available
ask, for example in the form of a video image on a screen.
Therefor
it is usual,
additionally
another probe for the actual surgical working instrument
or another instrument that is part of a video camera and
is also provided with a lighting device, also from
Outside
to introduce her into the operating room.
The movement of this probe is then controlled manually by an assistant
Doctor done so
that the
operation area of interest is optimally displayed on the screen
becomes.
Um einen zusätzlichen assistierenden Arzt
einzusparen, wurden bereits roboterartige Vorrichtungen zum motorischen
Positionieren und Bewegen von chirurgischen Instrumenten in einem
Operationsraum vorgeschlagen, insbesondere auch zum Positionieren
und Bewegen eines Endoskops bei Gallenblasenoperationen ( EP 0 653 922 B1 ).
Nachteilig bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art ist, daß ein und
dieselbe Kinematik die Zustellbewegung, mit der das an der Vorrichtung
gehaltene Instrument bzw. dessen aktiver Instrumentenbereich an
den Operationsraum herangeführt
wird, und die eigentliche Arbeitsbewegung durchführt, mit der das Instrument
bzw. der in den Operationsraum eingeführte Bereich dieses Instruments
in der für
die Durchführung
der Operation notwendigen Weise bewegt wird.In order to save an additional assistant doctor, robotic devices for motorized positioning and movement of surgical instruments in an operating room have already been proposed, in particular also for positioning and moving an endoscope during gallbladder operations ( EP 0 653 922 B1 ). A disadvantage of the known devices of this type is that one and the same kinematics performs the infeed movement with which the instrument held on the device or its active instrument area is brought to the operating room and the actual working movement with which the instrument or in the area of this instrument introduced into the operating room is moved in the manner necessary for carrying out the operation.
Um eine sichere und zuverlässige Positionierung
des Instrumentes, insbesondere auch eine schwingungsfreie Positionierung
im Operationsraum zu erreichen, ist eine hohe Steifigkeit für die Kinematik
und insbesondere für
deren Gelenke, Arme oder Glieder erforderlich. Dies bedeutet, daß die u.a.
die Gelenke und Glieder der Kinematik relativ massiv ausgebildet
sind, so daß bei
der jeweiligen Bewegung relativ große Massen beschleunigt und
abgebremst werden müssen.To ensure safe and reliable positioning
of the instrument, especially vibration-free positioning
Reaching in the operating room is a high degree of rigidity for the kinematics
and especially for
their joints, arms or limbs required. This means that the u.a.
the joints and limbs of the kinematics are relatively solid
are so that at
the respective movement accelerates relatively large masses and
have to be slowed down.
Nach einer der Erfindung zugrundeliegenden
Erkenntnis ist dies weniger nachteilig bei der Zustellbewegung,
da diese in der Regel jeweils nur einmal am Beginn und am Ende einer
Operation erfolgt. Nachteilig sind die großen Masse aber bei der Arbeitsbewegung,
die der jeweiligen augenblicklichen Situation folgend sehr schnell
und auch präzise
durchgeführt
werden muß.According to one underlying the invention
Knowledge this is less disadvantageous in the delivery movement,
since these usually only occur once at the beginning and at the end of one
Surgery is done. The disadvantage is the large mass in the work movement,
that very quickly following the current situation
and also precise
carried out
must become.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung aufzuzeigen, die die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermeidet.
Zur Lösung
dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung entsprechend dem Patentanspruch
1 oder 3 ausgebildet.The object of the invention is a
Show device that avoids the disadvantages of known devices.
To the solution
this object is a device according to the claim
1 or 3 trained.
Bei der Erfindung bilden die Zustellkinematik
und die Arbeitskinematik eine „Kinematik-Kette", bei die Zustellkinematik
zwischen einem Fix- oder Lagerpunkt und der Arbeitskinematik bzw.
einem Übergang
zu der Arbeitskinematik und die Arbeitskinematik zwischen der Zustellkinematik
bzw. dem genannten Übergang
und dem Instrument oder dessen Halter wirken.In the invention form the delivery kinematics
and the working kinematics a "kinematics chain", in the delivery kinematics
between a fixed or storage point and the work kinematics or
a transition
to the work kinematics and the work kinematics between the delivery kinematics
or the transition mentioned
and the instrument or its holder.
„Kinematik" und dabei speziell „Arbeitskinematik" bzw. „Zustellkinematik" bedeuten im Sinne
der Erfindung jeweils eine mechanische Konstruktion, die die notwendigen
Bewegungen ermöglicht,
und zwar zumindest bei der Arbeitskinematik motorisch gesteuert
durch ein Computerprogramm bzw. einen entsprechenden Ansteueralgorithmus.“Kinematics” and specifically “work kinematics” or “delivery kinematics” mean in the sense
of the invention each have a mechanical construction that the necessary
Movements allows
at least in the case of motor kinematics
by a computer program or a corresponding control algorithm.
„Durchdringungsachse" bedeutet im Sinne
der Erfindung die Achse, die das Instrument oder der Instrumententräger an dem
Invarianten Punkt aufweist, an dem das Instrument durch Punktieren
in den Operationsraum eingeführt
ist, wobei diese Durchdringungsachse zwar nicht zwingend, aber vielfach
achsgleich mit der Instrumentenachse ist."Penetration axis" means in the sense
the invention, the axis that the instrument or the instrument carrier on the
Has an invariant point at which the instrument is punctured
introduced into the operating room
is, although this axis of penetration is not mandatory, but in many cases
is coaxial with the instrument axis.
„Instrumentenachse" im Sinne der Erfindung
bedeutet die Achse, die durch den invarianten Punkt sowie durch
den in den Patientenkörper
oder Operationsraum eingeführten
Instrumentenbereich definiert ist.“Instrument axis” in the sense of the invention
means the axis through the invariant point as well as through
the in the patient's body
or operating room
Instrument area is defined.
„Instrumentenbereich" bedeutet im Sinne
der Erfindung den aktiven Bereich oder Kopf des Instrumentes, beispielsweise
die Öffnung
der Optik eines als Kamera oder Teil einer Kamera ausgebildeten
Instrumentes, die Lichtquelle eines als Beleuchtungseinrichtung
ausgebildeten Instrumentes, die Optik eines Endoskops usw."Instrument area" means in the sense
the invention the active area or head of the instrument, for example
the opening
the optics of a camera or part of a camera
Instrument, the light source as a lighting device
trained instrument, the optics of an endoscope etc.
Weiterhin werden mit der Erfindung
die von der Arbeitsgruppe MITI (minimal invasive Therapie und Intervention)
an der TU München
in einem internen Papier aufgestellten Erfordernisse hinsichtlich
der Bewegung des Instrumentes voll erfüllt.Furthermore, the invention of the MITI (minimally invasive therapy and Intervention) at the Technical University of Munich in an internal paper fully meets the requirements regarding the movement of the instrument.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand
der Figuren an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained below
of the figures on exemplary embodiments
explained in more detail. Show it:
1 in
sehr vereinfachter schematischer Darstellung die Kinematik einer
roboterartigen Vorrichtung zur Positionierung und Bewegung eines
chirurgischen Instrumentes gemäß Stand
der Technik; 1 in a very simplified schematic representation, the kinematics of a robot-like device for positioning and moving a surgical instrument according to the prior art;
2 in
vereinfachter Darstellung eine roboterartige Vorrichtung zur Positionierung
und Bewegung eines chirurgischen Instrumentes bzw. deren Kinematik
entsprechend der Erfindung; 2 in a simplified representation a robot-like device for positioning and moving a surgical instrument or its kinematics according to the invention;
3 in
schematischer Darstellung die Ausbildung der Arbeitskinematik für den Endeffektor
oder das Instrument bei der Ausführung
der 2; 3 a schematic representation of the training of the work kinematics for the end effector or the instrument in the execution of 2 ;
4 bis 10 in Darstellungen ähnlich den 2 und 3 weitere mögliche Ausführungen der Erfindung; 4 to 10 in representations similar to 2 and 3 further possible embodiments of the invention;
11 in
vereinfachter Darstellung zwei axial relativ zueinander verstellbare
Elemente der Kinematik der erfindungsgeämßen Vorrichtung; 11 in a simplified representation two axially adjustable elements of the kinematics of the inventive device;
12 einen
Schnitt durch die beiden verstellbaren Elemente sowie durch eine
zwischen diesen Elementen angeordnete Führung; 12 a section through the two adjustable elements and a guide arranged between these elements;
13 und 14 zwei Führungselemente der Führung der 12. 13 and 14 two leadership elements of leadership of the 12 ,
In den Figuren ist 1 ein Patient,
in dessen Körper 2,
beispielsweise Bauchraum, im Rahmen einer minimalinvasiven Operation
durch Punktieren an einem Invarianten Punkt 3 ein sondenartiges
medizinisches Instrument 4 eingeführt ist, so daß sich das
Instrumentenende bzw. der Instrumentenbereich 5 in einem
Operationsraum im Körper
des Patienten 2 befindet. Das Instrument 4 kann
die unterschiedlichste Funktion haben. Beispielsweise ist dieses
Instrument 4 Teil einer Lichtfaseroptik einer Videokamera
mit Beleuchtung, die zur Überwachung
der Operation dient, die mit einem weiteren ebenfalls durch Punktieren
in den Operationsraum eingeführten
chirurgischen Instrumentes durchgeführt wird. Zur Erfassung des
interessierenden Operationsbereichs werden das Instrument 4 bzw.
das Ende 5 ohne Änderung
oder ohne wesentliche Änderung
des Punktes 3 im Körper 2 des
Patienten 1 bewegt, und zwar durch Schwenken um den Punkt 3 bzw.
um Achsen, die durch diesen Punkt 3 radial zur Durchdringungsachse
verlaufen, und/oder durch Drehen um die Instrumentenachse und/oder
durch radiales Verschieben in der Instrumentenachse.In the figures, 1 is a patient in his body 2 , for example the abdominal cavity, as part of a minimally invasive operation by puncturing at an invariant point 3 a probe-like medical instrument 4 is introduced so that the instrument end or the instrument area 5 in an operating room in the patient's body 2 located. The instrument 4 can have a wide variety of functions. For example, this is an instrument 4 Part of an optical fiber optic of a video camera with lighting, which is used to monitor the operation, which is carried out with a further surgical instrument, likewise introduced by puncturing into the operating room. The instrument is used to record the area of interest 4 or the end 5 without change or without significant change of the point 3 in the body 2 of the patient 1 moved by swiveling around the point 3 or about axes that pass through this point 3 run radially to the penetration axis, and / or by rotating about the instrument axis and / or by radial displacement in the instrument axis.
Um zu vermeiden, daß bei einer
Operation allein für
die Bewegung eines Hilfsinstrumentes ein zusätzlicher Arzt erforderlich
ist, wurden bereits Roboteranordnungen oder Vorrichtungen vorgeschlagen,
die generell die in der 1 dargestellte
Kinematik aufweisen, d. h. das sondenartige Instrument 4 ist
an einer mehrgliedrigen Mechanik oder Kinematik 6 gehalten.
Die umfaßt
z.B. die beiden Glieder oder Arme 7 und 8, die
an einem Gelenk 9 gelenkig miteinander sowie an weiteren
Gelenken 10 bzw. 11 mit dem Instrument 4 sowie
mit einem Lager 12 verbunden sind. Letzteres weist eine
vorgegebene Position in Bezug auf einen Operationstisch 13 auf,
auf dem der Patient 1 liegend angeordnet ist.In order to avoid that an additional doctor is required for an operation solely for the movement of an auxiliary instrument, robot arrangements or devices have generally been proposed which generally correspond to those in FIG 1 have kinematics shown, ie the probe-like instrument 4 is a multi-part mechanism or kinematics 6 held. This includes, for example, the two limbs or arms 7 and 8th that on a joint 9 articulated with each other and at other joints 10 respectively. 11 with the instrument 4 as well as with a warehouse 12 are connected. The latter has a predetermined position in relation to an operating table 13 on which the patient 1 is arranged horizontally.
Durch entsprechende Ausbildung der
Gelenke 9 – 12 und
durch entsprechende, nicht dargestellte Aktoren oder Antriebe sind
die unterschiedlichsten, durch die Pfeile a – e wiedergegebenen Bewegungen (Schwenk-
und/oder Drehbewegungen) der Arme 7 und 8 relativ
zueinander sowie relativ zu dem Lager 12 möglich. Damit
sind dann auch die unterschiedlichsten Bewegungen des sondenartigen
Instrumentes 4, insbesondere auch Schwenk- und Drehbewegungen,
und in der Weise möglich,
daß sich
der Instrumentenkopf 5 im Körper des Patienten 2 in
der gewünschten
Weise bewegt, und zwar ohne Verlagerung des Invarianten Punktes 3.By appropriate training of the joints 9 - 12 and by means of corresponding actuators or drives, not shown, are the most varied movements (swivel and / or rotary movements) of the arms represented by the arrows a - e 7 and 8th relative to each other and relative to the camp 12 possible. This means that the most varied movements of the probe-like instrument 4 , in particular also pivoting and rotating movements, and possible in such a way that the instrument head 5 in the patient's body 2 moved in the desired manner, and without moving the invariant point 3 ,
Zusätzlich zu dieser eigentlichen
Arbeitsbewegung ist am Beginn einer Operation, d. h. beim Einbringen
des Instrumentes 4 in den Körper 2 auch eine Zustellungsbewegung
notwendig. Diese Bewegung erfolgt ebenfalls durch die die Arme 7 und 8 relativ
zu dem Lager 12 bzw. relativ zueinander und das Instrument 4 relativ
zum Arm 8 der bewegenden Stellglieder.In addition to this actual work movement is at the beginning of an operation, ie when inserting the instrument 4 in the body 2 an infeed movement is also necessary. This movement also takes place through the arms 7 and 8th relative to the camp 12 or relative to each other and the instrument 4 relative to the arm 8th of the moving actuators.
Alle bei dieser bekannten Roboteranordnung
bzw. Kinematik vorgesehenen Stellglieder dienen also sowohl der
Zustellbewegung, als auch der Arbeitsbewegung. Dies bedeutet nicht
nur, daß für dieselben
Stellglieder jeweils ein unterschiedlicher Steuerungsalgorithmus
für Zustellbewegung
und die Arbeitsbewegung erforderlich ist, sondern diese Art der
Kinematik hat auch das Problem, daß insbesondere bei der Arbeitsbewegung
relativ hohe Massen bewegt werden müssen.All with this known robot arrangement
or kinematics provided actuators thus serve both
Delivery movement, as well as the work movement. This doesn't mean
only that for the same
Actuators each have a different control algorithm
for delivery movement
and the labor movement is required, but this type of
Kinematics also has the problem that especially in the work movement
relatively high masses have to be moved.
Die 2 und 3 zeigen eine Robotervorrichtung
oder Mechanik 20, die wiederum mehrgliedrig ausgebildet
ist, und zwar mit den beiden, den Armen 7 und 8 entsprechenden
Armen 21 und 22 sowie einem zusätzlichen
Arm 23. Die Arme 21 und 22 sind über das
dem Gelenk 9 entsprechende Gelenk 24 miteinander verbunden.
Weiterhin ist der Arm 21 mit seinem anderen Ende über das
dem Gelenk 11 entsprechende Gelenk 25 mit dem
dem Lager 12 entsprechenden Lager 2b verbunden.The 2 and 3 show a robot device or mechanics 20 , which in turn is multi-part, with the two, the poor 7 and 8th corresponding poor 21 and 22 and an additional arm 23 , The poor 21 and 22 are about that the joint 9 corresponding joint 24 connected with each other. Furthermore, the arm 21 with its other end over that of the joint 11 corresponding joint 25 with that of the camp 12 corresponding warehouse 2 B connected.
Das freie Ende des Armes 22 ist über ein
Gelenk 27 mit dem zusätzlichen
Arm 23 verbunden. Den Gelenken 24, 25 und 27 sind
wiederum Betätigungselemente
oder Antriebe zugeordnet, die die Schwenk- und Drehbewegungen entsprechend
den Pfeilen a – e
um diese Gelenke ermöglichen,
und zwar gesteuert durch eine Steuereinrichtung oder deren Programm.
Im Gegensatz zu der Mechanik 6 dienen diese Betätigungselemente
lediglich der Zustellbewegung, nicht aber der Arbeitsbewegung.The free end of the arm 22 is about a joint 27 with the extra arm 23 connected. The joints 24 . 25 and 27 are in turn assigned actuators or drives that the swivel and Allow rotary movements according to arrows a - e around these joints, controlled by a control device or its program. In contrast to the mechanics 6 these actuators only serve the infeed movement, but not the work movement.
Für
die Arbeitsbewegung ist am freien Ende des Armes 23 eine
die Arbeitskinematik beinhaltende oder bildende Steuereinrichtung 28 vorgesehen,
mit der das Instrument 4 nur für die Arbeitsbewegung bewegt
wird, und zwar wiederum derart, daß der in den Körper 2 des
Patienten 1 eingeführte
Instrumentenkopf 5 dort die erforderlichen Bewegungen durch
Schwenken um den Invarianten Punkt 3 und ohne Änderung
der Lage dieses Punktes um beliebige, radial zur Achse des Instrumentes 4 verlaufenden
Achsen sowie durch axiales Verschieben des Instrumentes 4 ausführt. Die
Arbeitsbewegung erfolgt dabei ausgehend von einer Null- oder Ausgangsstellung,
die das Instrument 4 für
die Zustellbewegung bzw. während
des Einführens
in den Körper 2 einnimmt.For the work movement is at the free end of the arm 23 a control device containing or forming the work kinematics 28 provided with which the instrument 4 is moved only for the work movement, and again in such a way that the in the body 2 of the patient 1 introduced instrument head 5 there the required movements by swiveling around the invariant point 3 and without changing the position of this point around any radial to the axis of the instrument 4 extending axes and by axially moving the instrument 4 performs. The working movement takes place from a zero or starting position, which is the instrument 4 for the infeed movement or during insertion into the body 2 occupies.
Realisiert ist die Kinematik der
Steuereinrichtung 28 dadurch, daß das sondenartige Instrument 4 an seinem
dem Instrumentenkopf 5 entfernt liegenden Ende in zwei,
von dem Punkt 3 beabstandeten, parallelen Ebenen Q1 und
Q2 geführt
ist, und zwar derart, daß der
Schnittpunkt Q1 bzw. Q2, an welchem die Achse des Instrumentes 4 die
jeweilige Ebene E1 bzw. E2 schneidet, in jeder Ebene verschoben
werden kann, und zwar in Abhängigkeit
von der gewünschten
Bewegung des Instrumentenkopfes 5. Gleichzeitig kann das
sondenartige Instrument 4 in der Steuereinrichtung 28 um
seine Achse gedreht und auch axial verschoben werden. Die Ebenen
E1 und E2 sind jeweils als X-Y-Ebenen angegeben, so daß die Schnittpunkte
Q1 und Q2 durch die Koordinaten x1 und y1 bzw. x2 und y2 definiert
sind.The kinematics of the control device are implemented 28 in that the probe-like instrument 4 on his the instrument head 5 distant end in two, from the point 3 spaced, parallel planes Q1 and Q2 is guided, in such a way that the intersection Q1 or Q2, at which the axis of the instrument 4 the respective plane E1 or E2 intersects, can be shifted in each plane, depending on the desired movement of the instrument head 5 , At the same time, the probe-like instrument 4 in the control device 28 rotated about its axis and also axially displaced. The planes E1 and E2 are each specified as XY planes, so that the intersection points Q1 and Q2 are defined by the coordinates x1 and y1 or x2 and y2.
Realisierbar ist die Steuereinrichtung 28 beispielsweise
entsprechend der 3 dadurch,
daß in
jeder Ebene E1 und E2 eine Schlittenanordnung 29.1 bzw. 29.2 vorgesehen
ist, die aus einem inneren Schlitten 30 besteht, an dem
das sondenartige Instrument 4 in einer Verschiebehülse 33 mit
Kugelgelenk oder kardanischer Lagerung um beliebige, in der Ebene
E1 bzw. E2 liegende Achsen schwenkbar sowie axial verschiebbar und
drehbar gelagert ist und der in Richtung der Y-Achse in einem äußeren Schlitten 31 verschiebbar
ist, welcher seinerseits in einer Führung 32 in der X-Achse verschiebbar
ist. Die Führungen 32 sowie
die zugehörigen Betätigungselemente
zum gesteuerten Bewegen der Schlitten 30 und 31 sowie
zum axialen Verschieben des Instrumentes 4 und zum Drehen
dieses Instrumentes 4 um seine Längsachse sind auf einem Träger 23' vorgesehen,
der Bestandteil des Arms 23 ist.The control device can be implemented 28 for example according to the 3 in that a slide arrangement in each plane E1 and E2 29.1 respectively. 29.2 is provided, which consists of an inner slide 30 exists on which the probe-like instrument 4 in a sliding sleeve 33 with ball joint or cardanic bearing is pivotable about any axis lying in the plane E1 or E2 as well as axially displaceable and rotatable and in the direction of the Y axis in an outer slide 31 is displaceable, which in turn is in a guide 32 is displaceable in the X axis. The guides 32 and the associated actuators for controlled movement of the sled 30 and 31 as well as for the axial displacement of the instrument 4 and for turning this instrument 4 are on a support around its longitudinal axis 23 ' provided the part of the arm 23 is.
Der Vorteil der in der 2 und 3 dargestellten Robotereinrichtung 19 ist,
daß bei
dieser Einrichtung eine strikte Trennung zwischen der Zustellkinematik
und der Arbeitskinematik besteht, so daß eine wesentlich genauere
Bewegung des Instrumentes 4 bzw. des Instrumentenkopfes 5 möglich ist
und für
diese Bewegung durch die Arbeitskinematik bzw. Steuereinrichtung 28 auch
nur kleine Massen bewegt werden müssen. Nur für das Zustellen des Instrumentes 4 und
die Positionierung der Steuereinrichtung 28 in Bezug auf
den Patienten 1 ist die Zustellkinematik 20 erforderlich.The advantage of being in the 2 and 3 shown robot device 19 is that with this device there is a strict separation between the delivery kinematics and the work kinematics, so that a much more precise movement of the instrument 4 or the instrument head 5 is possible and for this movement by the work kinematics or control device 28 even small masses have to be moved. For the delivery of the instrument only 4 and the positioning of the control device 28 in relation to the patient 1 is the delivery kinematics 20 required.
Die 4 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
der Erfindung eine Vorrichtung 19a, die sich von der Vorrichtung 19 im
wesentlichen nur durch eine unterschiedliche Ausbildung der Arbeitskinematik
bzw. der Steuereinrichtung 28a unterscheidet.The 4 shows a device as a further possible embodiment of the invention 19a that differ from the device 19 essentially only through different training of the work kinematics or the control device 28a different.
Um die Bewegung des Instrumentes 4 bzw.
des Kopfes 5 im Körper 2 des
Patienten 1 durch Schwenken um den invarianten Punkt 3 sowie
durch axiales Verschieben oder Drehen um die Achse des Instrumentes 4 zu
erreichen, ist letzteres an seinem dem Kopf 5 entfernt
liegenden Ende außerhalb
des Körpers 2 auf
einem Kreisbogen 34 geführt,
dessen Mittelpunkt der invariante Punkt oder annähernd der invariante Punkt 3 ist.
Die kreisbogenförmige
Führung 34 ist
ihrerseits an einem Träger 35 um
eine Gelenkachse 36 schwenkbar, die ebenfalls durch den
Punkt 3 oder annähernd
durch den Punkt 3 geht. Der Träger 35 ist an dem
freien Ende des Armes 23 vorgesehen oder Bestandteil dieses
Armes.To the movement of the instrument 4 or the head 5 in the body 2 of the patient 1 by swiveling around the invariant point 3 as well as by axially shifting or rotating around the axis of the instrument 4 to achieve the latter is on his head 5 distal end outside of the body 2 on an arc 34 led, the center of which is the invariant point or approximately the invariant point 3 is. The circular arch guide 34 is in turn on a carrier 35 about a hinge axis 36 swiveling, also through the point 3 or approximately by the point 3 goes. The carrier 35 is at the free end of the arm 23 provided or part of this arm.
Die 5 zeigt
als Vorrichtung 19b eine konstruktive Ausführung der
Vorrichtung der 4 mehr
im Detail. Bei dieser Ausführung
ist anstelle einer mehrgliedrigen oder mehrarmigen Zustellkinematik 20 eine
Zustellanordnung oder Kinematik 20b vorgesehen, die im
wesentlichen aus einem säulenartigen
Grundkörper 37 besteht,
der um seine vertikale Achse drehbar (Pfeil f) an einem nicht dargestellten
Lager gelagert ist und an dem axial verschiebbar ein dem Arm 22 entsprechender
Arm 22b vorgesehen ist, an dessen freien Ende über ein
dem Gelenk 27 entsprechendes Gelenk 27b, ein dem
Arm 23 entsprechender Arm 23b angelenkt ist, und zwar
für eine
Schwenkbewegung um eine Achse senkrecht zur Längsachse des Grundkörpers 37.
An dem Arm 23b ist mittels eines dem Gelenk 36 entsprechenden
Gelenks 36b die der Führung 34 entsprechende kreisbogenförmige Führung 34b angelenkt.The 5 shows as a device 19b a constructive implementation of the device of 4 more in detail. In this version, instead of multi-unit or multi-arm delivery kinematics 20 a delivery arrangement or kinematics 20b provided, which essentially consists of a columnar base body 37 there, which is rotatable about its vertical axis (arrow f) is mounted on a bearing, not shown, and on the axially displaceable an arm 22 corresponding arm 22b is provided, at its free end via a joint 27 corresponding joint 27b , one arm 23 corresponding arm 23b is articulated, namely for a pivoting movement about an axis perpendicular to the longitudinal axis of the base body 37 , On the arm 23b is by means of a joint 36 corresponding joint 36b that of leadership 34 Corresponding circular guide 34b hinged.
Durch die Drehbewegung des Grundkörpers 37 sowie
durch die Verstellbewegung des Armes 22b in Richtung der
Längsachse
des Grundkörpers 37 sowie
auch in einer hierzu senkrecht verlaufenden Richtung (radiale Verstellung)
kann bei der Zustellung in einem Zustellraum jede beliebige Position
angefahren werden. Mit Hilfe des Gelenks 23b kann die kreisbogenförmige Führung 34b,
an der das Instrument 4 mittels eines Schlittens 38 geführt ist,
in ihrer Lage optimal eingestellt werden. An dem nur schematisch
angedeuteten Schlitten 38 sind wiederum Mittel vorgesehen,
um das Instrument 4 axial zu bewegen sowie um seine Achse zu
drehen.By rotating the base body 37 as well as through the adjustment movement of the arm 22b in the direction of the longitudinal axis of the base body 37 as well as in a direction perpendicular to this (radial adjustment), any position can be approached during delivery in a delivery room. With the help of the joint 23b can the arcuate guide 34b on which the instrument 4 by means of a sled 38 is guided to be optimally adjusted in their position. On the sled, which is only indicated schematically 38 means are again provided for the instrument 4 to move axially and to rotate about its axis.
Bei der Vorrichtung 19b erfolgt
die Zustellbewegung durch Einstellen der Führung 34b mittels
des Gelenks 23b, durch Einstellen des Armes 22b in
Achsrichtung des Grundkörpers 37 sowie
radial hierzu sowie durch Drehen des Grundkörpers 37 um seine
Längsachse
derart, daß die
Achse des an der Führung 34b mittels
eines Schlittens 38 gehaltenen Instrumentes 4 bei
in der Ausgangsstellung befindlichen Instrument 4 den Invarianten
Punkt 3 am Patienten 1 schneidet. Im Anschluß daran
erfolgt das Einführen
des Instrumentes in den Körper 2 des
Patienten am Invarianten Punkt 3 und durch Bewegen des
Schlittens 38 entlang der Führung 34b, durch Schwenken
der Führung 34b um
die Achse des Gelenks 36b und durch axiales Bewegen des
Instrumentes 4 die Bewegung für den Kopf 5 im Inneren
des Patienten. Die Zustellbewegung kann bei dieser Ausführung auch
manuell erfolgen.With the device 19b the infeed movement takes place by adjusting the guide 34b by means of the joint 23b , by adjusting the arm 22b in the axial direction of the base body 37 as well as radial to this and by rotating the base body 37 about its longitudinal axis such that the axis of the on the guide 34b by means of a sled 38 held instrument 4 with the instrument in the starting position 4 the invariant point 3 on the patient 1 cuts. The instrument is then inserted into the body 2 of the patient at the invariant point 3 and by moving the sled 38 along the guide 34b , by swiveling the guide 34b around the axis of the joint 36b and by moving the instrument axially 4 the movement for the head 5 inside the patient. In this version, the infeed movement can also be carried out manually.
Bei der Vorrichtung 19b erfolgt
also die Bewegung des Instrumentes 4 in der Weise, daß dieses
Instrument bei der Bewegung in einer Bewegungsebene geführt ist,
die durch die Längsachse
des Instrumentes 4 und durch eine durch den invarianten
Punkt 3 verlaufende Schwenkachse definiert ist. Letztere
ist bei der dargestellten Ausführungsform
eine horizontale Achse und verläuft
quer zur Patientenlängsachse.
Innerhalb dieser Ebene wird das Instrument 4 um den invarianten
Punkt 3, dessen Lage z.B. konstant oder nahezu konstant
ist, geschwenkt. Weiterhin wird bei dieser Ausführung die genannte Bewegungsebene
um die Schwenkachse geschwenkt, so daß unter Berücksichtigung der zusätzlichen
axialen Bewegung des Instrumentes 4 sowie einer Drehbewegung
dieses Instrumentes um seine Achse das in den Patientenkörper durch
den invarianten Punkt 3 eingeführte Instrumentenende dort
innerhalb eines Operationsraumes jede beliebige Stellung einnehmen
kann.With the device 19b So the movement of the instrument takes place 4 in such a way that this instrument is guided during movement in a plane of movement through the longitudinal axis of the instrument 4 and by one through the invariant point 3 extending pivot axis is defined. In the embodiment shown, the latter is a horizontal axis and extends transversely to the patient's longitudinal axis. Within this level the instrument 4 around the invariant point 3 whose position is constant or nearly constant, for example, is pivoted. Furthermore, in this embodiment, the mentioned plane of movement is pivoted about the pivot axis, so that taking into account the additional axial movement of the instrument 4 and a rotary movement of this instrument about its axis into the patient's body through the invariant point 3 inserted instrument end can assume any position within an operating room.
Die Vorteile der Vorrichtungen 19a und 19b bestehen
darin, daß die
Arbeitskinematik für
die Bewegung des Instrumentes 4 generell nur drei Freiheitsgrade
benötigt,
die unabhängig
voneinander gesteuert werden müssen.
Der Instrumentenkopf 5 wird beim Bewegen des Schlittens 38 auf
der Führung 34 bzw. 34b und beim
Schwenken dieser Führung
im wesentlichen auf einer kreisförmig
gekrümmten
Bahn bewegt. Abweichungen hiervon sind durch eine gesteuerte Bewegung
des Instrumentes 4 in seiner Längsachse möglich. Für die Steuerung der Arbeitsbewegung
ist ein relativ einfacher Algorithmus möglich.The advantages of the devices 19a and 19b consist of the working kinematics for the movement of the instrument 4 generally only three degrees of freedom are required, which must be controlled independently. The instrument head 5 when moving the sled 38 on the lead 34 respectively. 34b and when pivoting this guide moves essentially on a circularly curved path. Deviations from this are due to a controlled movement of the instrument 4 possible in its longitudinal axis. A relatively simple algorithm is possible for controlling the work movement.
Die 6 zeigt
in schematischer Darstellung als weitere mögliche Ausführungsform eine Vorrichtung 19c,
die sich von der Vorrichtung 19 im wesentlichen dadurch
unterscheidet, daß anstelle
der Steuereinrichtung 28 eine Steuereinrichtung 28c vorgesehen
ist. Die Kinematik für
die Arbeitsbewegung ist dadurch realisiert, daß das Instrument 4 in
einer von dem Punkt 3 beabstandeten und außerhalb
des Körpers 2 des
Patienten 1 definierten Ebene E in den beiden, diese Ebene
bestimmenden Achsrichtungen X und Y bewegbar ist und zugleich am
Schnittpunkt Q1 der Instrumentenachse mit der Ebene E um beliebige,
in dieser Ebene liegende Achsen schwenkbar ist. Außerdem ist
das Instrument 4 axial verschiebbar sowie um seine Längsachse drehbar.The 6 shows a schematic representation of a device as a further possible embodiment 19c that differ from the device 19 differs essentially in that instead of the control device 28 a control device 28c is provided. The kinematics for the working movement is realized in that the instrument 4 in one of the point 3 spaced and outside the body 2 of the patient 1 defined plane E is movable in the two axis directions X and Y determining this plane and at the same time at the intersection Q1 of the instrument axis with the plane E is pivotable about any axis lying in this plane. In addition, the instrument 4 axially displaceable and rotatable about its longitudinal axis.
Die Steuerung erfolgt wiederum in
Abhängigkeit
von einem Steuerprogramm oder Algorithmus so, daß sich der Instrumentenkopf 5 im
Körper 2 des
Patienten 1 in der gewünschten
Weise bewegt, und zwar durch Schwenken um radial zur Achse des Instrumentes 4 oder
zur Durchdringungsachse verlaufende Achsen, die auch durch den Punkt 3 gehen,
so daß dieser
Punkt bei der Bewegung des Instrumentes 4 beibehalten wird.The control is in turn dependent on a control program or algorithm so that the instrument head 5 in the body 2 of the patient 1 moved in the desired manner, by pivoting radially to the axis of the instrument 4 or axes running to the penetration axis, which also pass through the point 3 go so this point when moving the instrument 4 is maintained.
Die 7 zeigt
in vereinfachter Darstellung eine mögliche Realisierung der Steuereinheit 28c.
Dort ist wiederum eine der Schlittenanordnung 29.1 bzw. 29.2 entsprechende
Schlittenanordnung 29c vorgesehen, die aus dem inneren
Schlitten 30c besteht, an welchem das Instrument 4 an
seinem dem Kopf 5 entfernt liegenden Ende mittels einer
Verschiebehülse
mit Kugelgelenk um beliebige Achsen in der Ebene E schwenkbar ist,
und zwar gesteuert durch den Ansteueralgorithmus durch ein nicht
dargestelltes, am Schlitten 30c vorgesehenes Stellglied.
Der Schlitten 30c ist in der Ebene E und zwar in der Y-Achse
in einem äußeren Schlitten 31c geführt, der
seinerseits in der Führung 32c geführt ist,
und zwar in der X-Achse. Für
die Bewegungen der Schlitten 30c und 31c sind
ebenfalls Stellglieder oder Antriebe vorgesehen, die unabhängig voneinander
gesteuert werden.The 7 shows a simplified representation of a possible implementation of the control unit 28c , There is again one of the sled assemblies 29.1 respectively. 29.2 corresponding slide arrangement 29c provided that from the inner sled 30c on which the instrument 4 on his head 5 distal end can be pivoted about any axis in the plane E by means of a sliding sleeve with a ball joint, and is controlled by the control algorithm by a not shown on the slide 30c provided actuator. The sled 30c is in the plane E and in the Y axis in an outer slide 31c led, who in turn is in the lead 32c is guided, namely in the X-axis. For the movements of the sled 30c and 31c actuators or drives are also provided, which are controlled independently of one another.
Bei den Vorrichtungen 19a und 19b,
die wegen der Positionierung Führung 34 bzw.
34b für
die Arbeitsbewegung des Instrumentes 4 nur drei zu steuernde
Freiheitsgrade benötigen,
ist es allerdings erfordert, daß die
jeweilige Führung 34 bzw. 34b sowie
auch die Schwenkachse des Gelenks 36 bzw. 36b in
Bezug auf den Punkt 3 möglichst exakt
ausgerichtet sind. Die Vorrichtungen 19 und 19c haben
den Vorteil, daß der
Abstand, den die Steuereinrichtung 28 bzw. 28c bzw.
die dortigen Steuerebenen E und E2 von dem Punkt 3 aufweisen, beliebig
sein kann, dieser Abstand aber bei der Steuerung der Instrumentenbewegung
berücksichtigt
werden muß.With the devices 19a and 19b that because of positioning leadership 34 or 34b for the working movement of the instrument 4 need only three degrees of freedom to be controlled, it is however required that the respective guidance 34 respectively. 34b as well as the pivot axis of the joint 36 respectively. 36b in terms of the point 3 are aligned as precisely as possible. The devices 19 and 19c have the advantage that the distance that the control device 28 respectively. 28c or the control levels E and E2 there from the point 3 have, can be arbitrary, but this distance must be taken into account when controlling the movement of the instrument.
Die 8 zeigt
in schematischer Darstellung als weitere mögliche Ausführungsform eine Vorrichtung 19d,
die ähnlich
der Vorrichtung 19b der 5 ausgebildet
ist. Die Vorrichtung 19d besteht wiederum aus der Zustellkinematik 20d und
der Arbeitskinematik 28d.The 8th shows a schematic representation of a device as a further possible embodiment 19d that are similar to the device 19b the 5 is trained. The device 19d again consists of the delivery kinematics 20d and the work kinematics 28d ,
Die Zustellkinematik umfaßt die bei
der dargestellten Ausführungsform
in vertikaler Richtung orientierte Tragsäule 40, die um ihre
vertikale Längsachse
drehbar (Pfeil α)
an einem nicht weiter dargestellten Vorrichtungsgestell vorgesehen
ist und an der in der in axialer Richtung ein Gelenkträger 41 verstellbar
geführt
ist (Dppelpfeil H1). Der Gelenkträger 41 weist ein Gelenk 42 auf,
und zwar mit einer Gelenkachse, die senkrecht zur Achse der Tragsäule 40 und
damit senkrecht zur Verstellachse des Gelenkträgers 41 liegt. Über das
Gelenk 42 ist ein Trag- oder Führungsstück 43 gelenkig mit
dem Gelenkträger 41 verbunden
(Pfeil α').The infeed kinematics include the support column oriented in the vertical direction in the embodiment shown 40 , which is rotatable about its vertical longitudinal axis (arrow α) on a device frame, not shown, and on which in the axial direction a hinge bracket 41 is adjustable (double arrow H1). The hinge bracket 41 has a joint 42 with a hinge axis that is perpendicular to the axis of the support column 40 and thus perpendicular to the adjustment axis of the hinge bracket 41 lies. About the joint 42 is a support or guide piece 43 articulated with the joint support 41 connected (arrow α ').
Am Tragstück 43 ist in Tragstücklängsrichtung
(Doppelpfeil H2) ein von diesem Tragstück radial wegstehender Tragarm 44 vorgesehen.
Der Tragarm 44 ist mit einem Ende an dem Tragstück 43 geführt und
trägt an
dem anderen Ende einen Kopf 45, in welchem das Instrument 4 um
seine Längsachse
drehbar und in Richtung seiner Längsachse
verschiebbar vorgesehen ist. Der Kopf 45 ist seinerseits
um eine Achse radial zur Achse des Tragarmes 44 drehbar
am Tragarm befestigt (Pfeil δ),
wobei diese Dreh- oder Schwenkachse senkrecht zu einer Ebene liegt,
die von der Längsachse
des Tragarmes 44 und der Längsachse des Instruments 4 definiert
ist. Weiterhin ist der Tragarm 44 in Längsrichtung verstellbar (Doppelpfeil
V) und besteht hierfür
beispielsweise aus zwei teleskopartig ineinander geführten Teilen.On the support piece 43 is a support arm protruding radially from this support piece in the longitudinal direction of the support piece (double arrow H2) 44 intended. The support arm 44 is with one end on the support piece 43 led and carries a head at the other end 45 in which the instrument 4 is provided rotatable about its longitudinal axis and displaceable in the direction of its longitudinal axis. The head 45 is in turn about an axis radial to the axis of the support arm 44 rotatably attached to the support arm (arrow δ), this axis of rotation or swivel axis is perpendicular to a plane which is from the longitudinal axis of the support arm 44 and the longitudinal axis of the instrument 4 is defined. Furthermore, the support arm 44 adjustable in the longitudinal direction (double arrow V) and consists, for example, of two telescoping parts.
Die Verstellbewegungen α, H1 und
V sind Teil der Zustellkinematik. Die übrigen Bewegungen sind Teil der
Arbeitskinematik. Zumindest für
die Bewegungen der Arbeitskinematik sind wiederum motorische Antriebe vorgesehen.
Um beim Bewegen des in den Patientenkörper eingeführten Instrumentes 4 den
invarianten Punkt 3 möglichst
ortsfest zu belassen, erfolgt die Einstellung durch die Zustellkinematik
derart, daß die
Achse des Gelenks 42 den invarianten Punkt schneidet und
sich vor dem Einführen
des Instrumentes 4 in den Patientenkörper die Spitze des Instrumentes
durch entsprechende Einstellung der Länge des Tragarmes 44 (Verstellung
V) über
dem invarianten Punkt 3 befindet.The adjustment movements α, H1 and V are part of the infeed kinematics. The other movements are part of the work kinematics. Motor drives are again provided, at least for the movements of the working kinematics. To move the instrument inserted into the patient's body 4 the invariant point 3 To leave it as stationary as possible, the adjustment is made by the infeed kinematics in such a way that the axis of the joint 42 intersects the invariant point and before inserting the instrument 4 the tip of the instrument into the patient's body by adjusting the length of the support arm accordingly 44 (Adjustment V) above the invariant point 3 located.
Die Arbeitskinematik wird dann so
gesteuert, daß das
Instrument 4 durch Schwenken des Tragstückes 43 mit dem Tragarm 44 und
dem Kopf 45 um die Achse des Gelenks 42 ebenfalls
um die Achse des Gelenks 42 und damit um den invarianten
Punkt in einer die Längsachse
dieses Instrumentes sowie beispielsweise die Längsachse des Patienten einschließenden Ebene
geschwenkt wird. Durch entsprechende Ansteuerung der Antriebe für die Bewegungen
H2, V und δ kann
das Instrument 4 dann auch in einer von der Instrumentenlängsachse
und der Längsachse
des Tragarmes 44 definierten Ebene durch Schwenken um den
invarianten Punkt 3 bewegt werden. Die Antriebe werden
hierbei also derart gesteuert, daß sich der Kopf 45,
an dem das Instrument 4 gehalten ist, für diese zweite Bewegung wiederum
auf einer Kreisbahn um den invarianten Punkt bewegt, die (Kreisbahn)
in der von der Längsachse
des Instrumentes 4 und der Schwenkachse des Gelenks 42 definierten
Ebene liegt, die um diese Gelenkachse schwenkbar ist.The working kinematics are then controlled so that the instrument 4 by swiveling the support piece 43 with the support arm 44 and the head 45 around the axis of the joint 42 also around the axis of the joint 42 and is thus pivoted about the invariant point in a plane including the longitudinal axis of this instrument and, for example, the longitudinal axis of the patient. By appropriately controlling the drives for the movements H2, V and δ, the instrument can 4 then also in one of the instrument's longitudinal axis and the longitudinal axis of the support arm 44 defined plane by swiveling around the invariant point 3 be moved. The drives are so controlled that the head 45 on which the instrument 4 is held for this second movement in turn on a circular path around the invariant point, which (circular path) in the from the longitudinal axis of the instrument 4 and the pivot axis of the joint 42 defined plane, which is pivotable about this hinge axis.
Die Kinematik der Vorrichtung 19d entspricht
also vom Bewegungsablauf her gesehen im wesentlichen der Kinematik
der Vorrichtung 19b, allerdings mit dem Unterschied, daß für die Bewegung
des Instrumentes 4 in der quer zur Patientenlängsachse
verlaufenden schwenkbaren Bewegungsebene keine kreisbogenförmige Führung für das Instrument 4 bzw.
für den
das Instrument tragenden Kopf 45 körperlich vorgesehen ist, sondern
diese kreisbogenförmige
Führung
durch eine entsprechende Steuerung der Arbeitskinematik nachgebildet
ist.The kinematics of the device 19d seen from the sequence of movements essentially corresponds to the kinematics of the device 19b , but with the difference that for the movement of the instrument 4 in the swiveling plane of movement running transversely to the longitudinal axis of the patient, there is no circular guide for the instrument 4 or for the head carrying the instrument 45 is physically provided, but this circular arc-shaped guide is simulated by a corresponding control of the work kinematics.
Die Vorrichtung 19d ermöglicht auch
eine Verlagerung des Invarianten Punktes 3 in Patientenquerrichtung,
und zwar durch entsprechende Ansteuerung der Antriebe D und V. Sofern
auch eine Verlagerung des invarianten Punktes in Patientenlängsrichtung
notwendig ist, z.B für
Operationen am Rücken,
ist eine Zustellbewegung auch in dieser Achse zusätzlich notwendig.The device 19d also enables a shift of the invariant point 3 in the transverse direction of the patient, specifically by actuating the drives D and V. If it is also necessary to shift the invariant point in the longitudinal direction of the patient, for example for operations on the back, a feed movement in this axis is also necessary.
Bei der Vorrichtung 19d ist
die Tragsäule 40 weiterhin
an einem Schlitten 40.1 vorgesehen, der an einer Führung 40.2 in
Patientenlängsrichtung,
d. h. in Längsrichtung
des Tisches 52 zur Lagerung des Patienten verstellbar vorgesehen
ist. Der Schlitten 40.1, die zugehörige Führung 40.2 sowie die
Tragsäule 40 und
die zugehörigen
Antriebe zum Drehen der Tragsäule
(Winkel α)
sowie für
die Höhenverstellung
des Gelänkträgers 41 relativ
zur Tragsäule 40 (Doppelpfeil
H1) sind unter der Ebene des Tisches 52 vorgesehen.With the device 19d is the support column 40 still on a sled 40.1 provided on a guide 40.2 in the patient's longitudinal direction, ie in the longitudinal direction of the table 52 is adjustable for positioning the patient. The sled 40.1 , the related tour 40.2 as well as the support column 40 and the associated drives for rotating the support column (angle α) and for adjusting the height of the railing bracket 41 relative to the support column 40 (Double arrow H1) are below the level of the table 52 intended.
Die Vorteile der Vorrichtung 19d bzw.
der dortigen Kinematik lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Geringe Abhängigkeit der Bewegungsachsen
voneinander. Beim Verfahren in einer Achse sind maximal zwei Antriebe
gleichzeitig aktiv. Beim Verfahren in Patientenquerrichtung sind
nur die Antriebe für
die Bewegungen DV und bei der Höhenverstellung
nur die Antriebe für
die Bewegung H2 und V aktiv.
- 2. Keine Gewichtsbelastung des Antriebs für die Verstellung V bei diesem
Verstellen in vertikaler Richtung;
- 3. Konstante Gewichtsbelastung des Antriebs für die Verstellung
H2.
The advantages of the device 19d or the kinematics there can be summarized as follows: - 1. Slight dependence of the axes of motion on each other. When moving in one axis, a maximum of two drives are active at the same time. When moving in the patient's transverse direction, only the drives for the DV movements are active and only the drives for the H2 and V movements are active when adjusting the height.
- 2. No weight loading of the drive for the adjustment V with this adjustment in the vertical direction;
- 3. Constant weight load of the drive for the H2 adjustment.
Bei der Kinematik der Vorrichtung 19d sind
folgende Wege möglich:
In the kinematics of the device 19d the following ways are possible:
Die 9 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
eine Vorrichtung 19e, die sich von den vorbeschriebenen
Vorrichtungen dadurch unterscheidet, daß die in dieser Figur allgemein
mit 46 bezeichnete Kinematik sowohl die Zustellkinematik als auch
die Arbeitskinematik bildet. Auch bei dieser Ausbildungsform sind aber
die Kinematik bzw. deren Antriebe so gesteuert, daß das Instrument 4 nach
dem Zustellen und Einführen in
den Patientenkörper
zusätzlich
zu einer axialen Bewegung und einer Drehbewegung um die Instrumentenachse
wiederum eine Schwenkbewegung um den Invarianten Punkt 3 in
einer Bewegungsebene ausführen kann,
die durch die Längsachse
des Instrumentes 4 sowie eine den invarianten Punkt schneidende
Schwenkachse definiert ist. Diese Schwenk- oder Bewegungsebene kann
um die beispielsweise senkrecht zur Patientenlängsachse verlaufende Schwenkachse
geschwenkt werden.The 9 shows a device as a further possible embodiment 19e , which differs from the devices described above in that the kinematics, generally designated 46 in this figure, forms both the infeed kinematics and the working kinematics. In this form of training, however, the kinematics or their drives are controlled so that the instrument 4 after delivery and insertion into the patient's body, in addition to an axial movement and a rotary movement around the instrument axis, in turn a pivoting movement around the invariante point 3 can perform in a plane of movement through the longitudinal axis of the instrument 4 and a pivot axis intersecting the invariant point is defined. This swivel or movement plane can be swiveled about the swivel axis running, for example, perpendicular to the longitudinal axis of the patient.
Um dies zu ermöglichen, besteht die Kinematik 46 aus
einer Tragsäule 47,
die entsprechend der Tragsäule 40 um
ihre bei der dargestellten Ausführungsform
vertikale Längsachse
drehbar an einem Vorrichtungsgestell vorgesehen ist (Winkel α). An dem
oberen Ende der Tragsäule 47 ist
schwenkbar das eine Ende eines Tragarmes 48 vorgesehen,
und zwar schwenkbar um eine Achse radial zur Längsachse der Tragsäule 47 (Pfeil β). Im anderen
Ende des Tragarmes 48 ist um ein Gelenk ein weiterer Tragarm 49 mit
einem Ende angelenkt (Pfeil γ).
Die Achse des Gelenks zwischen der Tragsäule 47 und dem Tragarm 48 liegt
parallel zu einer Ebene, die durch die einen Winkel miteinander
einschließenden
Tragarme 48 und 49 bzw. deren Längserstreckung definiert
ist, und die Gelenkachse zwischen den Tragarmen 48 und 49 ist
senkrecht zu dieser Ebene orientiert. Am freien Ende des Tragarmes 49 ist über ein
Gelenk (Pfeil ε)
ein Tragkopf 50 für
das Instrument 4 schwenkbar vorgesehen (Pfeil ε), und zwar
um eine Gelenkachse parallel zur Gelenkachse des Gelenks zwischen
den Tragarmen 48 und 49. Das Instrument 4 ist
an dem Kopf 50 um eine weitere Gelenkachse schwenkbar (Pfeil γ), die wiederum
parallel zu der von den Tragarmen 48 und 49 definierten
Ebene liegt.To make this possible, there is the kinematics 46 from a support column 47 that correspond to the support column 40 about its vertical longitudinal axis, which is vertical in the embodiment shown, is provided on a device frame (angle α). At the top of the support column 47 is pivotable one end of a support arm 48 provided, namely pivotable about an axis radially to the longitudinal axis of the support column 47 (Arrow β). In the other end of the support arm 48 is another support arm around a joint 49 hinged at one end (arrow γ). The axis of the joint between the support column 47 and the support arm 48 lies parallel to a plane through the support arms enclosing an angle 48 and 49 or their longitudinal extent is defined, and the hinge axis between the support arms 48 and 49 is oriented perpendicular to this plane. At the free end of the support arm 49 is a support head via a joint (arrow ε) 50 for the instrument 4 provided pivotably (arrow ε), namely about a hinge axis parallel to the hinge axis of the joint between the support arms 48 and 49 , The instrument 4 is on the head 50 can be pivoted about a further joint axis (arrow γ), which in turn is parallel to that of the support arms 48 and 49 defined level.
Insbesondere für die Erzielung der notwendigen
Arbeitsbewegungen erlauben die Gelenke die in der nachstehenden
Tabelle angegebenen Winkelwege.In particular for achieving the necessary
Working movements allow the joints in the following
Table given angular paths.
Die Vorteile der Vorrichtung 19e bestehen
u. a. darin, daß alle
Bewegungen variabel sind und somit auch der invariante Punkt 3 sowohl
in Patientenlängsrichtung
als auch in Patientenquerrichtung bewegbar ist. Komplizierte Voreinstellungen
der Kinematik entfallen. Für
die einzelnen Gelenke oder Bewegungen sind nur Drehbewegungen notwendig.The advantages of the device 19e consist, among other things, that all movements are variable and thus also the invariant point 3 is movable both in the longitudinal direction of the patient and in the transverse direction of the patient. Complicated pre-settings of the kinematics are eliminated. Only rotary movements are necessary for the individual joints or movements.
Die 10 zeigt
als weitere mögliche
Ausführungsform
eine Vorrichtung 19f, die eine Kombination der Vorrichtungen 19d und 19e darstellt.
Bei der Vorrichtung 19f ist wiederum die um ihre Längsachse
drehbare (Pfeil α)
Tragsäule 43 vorgesehen,
und zwar zusammen mit dem axial verstellbaren Gelenkträger 41,
an welchem über
das Gelenk 42 ein bei dieser Ausführungsform gekürztes Tragstück 43 vorgesehen
ist. Am Tragstück 43 ist
der Tragarm 48 angelenkt (Pfeil β), der wiederum Teil der aus
diesem Tragarm, dem Tragarm 49 und dem Gelenkkopf 50 bestehenden
Teil der Kinematik ist.The 10 shows a device as a further possible embodiment 19f which is a combination of devices 19d and 19e represents. With the device 19f is in turn the (column α) support column rotatable about its longitudinal axis 43 provided, together with the axially adjustable hinge bracket 41 on which about the joint 42 a shortened support piece in this embodiment 43 is provided. On the support piece 43 is the support arm 48 articulated (arrow β), which in turn is part of the support arm, the support arm 49 and the joint head 50 existing part of the kinematics.
Auch bei dieser Ausführung legt
das Gelenk 42 bzw. dessen Achse den invarianten Punkt 3 fest
bzw. im Verwendungsfall verläuft
die Achse des Gelenks 42 durch diesen Punkt. Durch entsprechende
Steuerung der Gelenke erfolgt die Bewegung des Instruments 4 wiederum
in der vorstehend beispielsweise im Zusammenhang mit der Vorrichtung 19d beschriebenen
Weise, sofern eine Verlagerung des invarianten Punktes nicht erwünscht ist.The joint also lays in this version 42 or its axis the invariant point 3 the axis of the joint runs firmly or in use 42 through this point. The movement of the instrument takes place through appropriate control of the joints 4 again in the above, for example in connection with the device 19d described way, if a shift of the invariant point is not desired.
Sämtlichen
Ausführungen
ist gemeinsam, daß an
den Gelenken und Verstellelementen der Kinematik Sensoren bzw. Geber
vorgesehen sind, die die jeweilige Stellung des Gelenks oder des
Verstellelementes erfassen und als Istwert an eine die Kinematik
steuernde Steuereinrichtung liefern.All versions have in common that sensors or sensors are provided on the joints and adjusting elements of the kinematics, which he the respective position of the joint or the adjusting element grasp and deliver as actual value to a control device controlling the kinematics.
Für
die Kalibrierung der jeweiligen Kinematik wird beispielsweise mit
der Instrumentenspitze der Punkt, durch den das Instrument in den
Patientenkörper
eingeführt
werden soll (invarianter Punkt 3), z.B. manuell angefahren,
wobei das Instrument hierbei mit seiner Achse senkrecht zur Oberfläche des
Patienten angeordnet ist. Die diesem invarianten Punkt entsprechenden
Daten der Kinematik, d.h. der Gelenke und der Verstellelemente werden
dann beispielsweise als Ausgangswert für die Arbeitsbewegung gespeichert.For the calibration of the respective kinematics, for example, the point through which the instrument is to be inserted into the patient's body (invariant point 3 ), eg started manually, the instrument being arranged with its axis perpendicular to the surface of the patient. The data relating to the kinematics, ie the joints and the adjusting elements, corresponding to this invariant point are then stored, for example, as an initial value for the working movement.
Die 11 zeigt
in sehr vereinfachter Darstellung zwei mit 53 und 54 bezeichnete
Elemente einer Kinematik zur Verwendung bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die beiden Elemente 53 und 54 sind durch einen
nicht dargestellten Antrieb, beispielsweise durch einen Zylinder
in Achsrichtung relativ zueinander verstellbar, wie dies in der 11 mit dem Doppelpfeil H3
angegeben ist. Die Elemente 53 und 54 sind teleskopartig
ineinandergeführte
Rohrprofiele mit angepasstem, von der Kreisform abweichendem Außen- bzw.
Innenquerschnitt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Elemente 53 und 54 handelsübliche,
auf dem Markt erhältliche
Rohrprofile aus Metall, beispielsweise Stahl mit einem rechteckförmigen Innen-
bzw. Außenquerschnitt.
Um ein möglichst
spielfreies axiales Verschieben der Elemente 53 und 54 relativ
zueinander zu erreichen, sind im Inneren des Elementes 54 zwischen
diesem Element und der Außenfläche des
Elemementes 53 Führungselemente 55 bzw.55.1 vorgesehen,
und zwar zwei Führungselemente 55 an
den beiden Schmalseiten des rechteckförmigen Rohrprofils des Elementes 54 und
zwei Führungselemente 55.1 an
den beiden größeren Querschnittsseiten
des rechteckförmigen
Profils des Elementes 54.The 11 shows two in a very simplified representation 53 and 54 designated elements of kinematics for use in a device according to the invention. The two elements 53 and 54 are adjustable relative to each other by a drive, not shown, for example by a cylinder in the axial direction, as in the 11 is indicated by the double arrow H3. The Elements 53 and 54 are telescoping tubular profiles with adapted outer and inner cross-sections that deviate from the circular shape. In the illustrated embodiment, the elements are 53 and 54 Commercially available tubular profiles made of metal, for example steel with a rectangular inside or outside cross section. In order to move the elements axially without play 53 and 54 to be reached relative to each other are inside the element 54 between this element and the outer surface of the element 53 guide elements 55 respectively. 55.1 provided, namely two guide elements 55 on the two narrow sides of the rectangular tubular profile of the element 54 and two guide elements 55.1 on the two larger cross-sectional sides of the rectangular profile of the element 54 ,
Jedes Führungselement 55 besteht
aus einer Platte 56, die einen rechteckförmigen Zuschnitt
aufweist und die mit ihrer Längserstreckung
parallel zu der Längsachse
der beiden Elemente 53 und 54 orientiert ist. Die
Platte 56 ist mit zwei parallelen nutenförmigen Ausnehmungen 57 versehen.
In jede Ausnehmung 57 ist ein streifenförmiger Gleitbelag 58 aus
einem geeigneten Material eingeklebt, und zwar derart, dass jeder
Gleitbelag mit seiner Längserstreckung
parallel zur Längsachse
der Elemente 53 und 54 liegt und mit einer Gleitfläche gegen
die Außenfläche des
inneren Elementes 53 anliegt.Every guide element 55 consists of a plate 56 , which has a rectangular cut and which is parallel to the longitudinal axis of the two elements with its longitudinal extent 53 and 54 is oriented. The plate 56 is with two parallel groove-shaped recesses 57 Mistake. In every recess 57 is a strip-shaped sliding surface 58 glued in from a suitable material, in such a way that each sliding surface with its longitudinal extent parallel to the longitudinal axis of the elements 53 and 54 lies and with a sliding surface against the outer surface of the inner element 53 is applied.
Die Platte 56 ist mit vier Öffnungen 59 versehen,
und zwar mit jeweils zwei Öffnungen 59 im
Bereich jeder Nute 57. Die Platte 56 liegt mit
ihrer in Ausnehmungen 57 abgewandten Seite gegen die Innenfläche des Profils
des Elementes 54 an. Am Element 54 sind den Öffnungen 59 entsprechend
vier Gewindebohrungen 60 vorgesehen, in denen jeweils ein
Schraubenkörper 61 aufgenommen
ist, und zwar derart, dass jeweils eine Verlängerung 62 in eine Öffnung 59 eingreift
und durch Verstellen des Schraubenkörpers 61 das jeweilige
Führungselement
55 im Bezug auf die Außenfläche des
Elements 53 optimal positioniert werden kann.The plate 56 is with four openings 59 provided, with two openings each 59 in the area of each groove 57 , The plate 56 lies in recesses with her 57 opposite side against the inner surface of the profile of the element 54 on. On the element 54 are the openings 59 corresponding to four threaded holes 60 provided, in each of which a screw body 61 is included, in such a way that an extension 62 into an opening 59 engages and by adjusting the screw body 61 the respective guide element 55 with respect to the outer surface of the element 53 can be optimally positioned.
In gleicher Weise sind auch die beiden
Führungselemente 55.1 ausgebildet,
d. h. sie bestehen aus jeweils einer Platte 56.1 mit den
beiden Nuten 57.1 und den in den Nuten aufgenommenen Gleitbelägen 58.1. Weiterhin
beasitzen die Platten 56.1 die vier Öffnungen 55.1 in die
die Gewindebohrungen 60.1 angeordneten Schrauben 61.1 mit
einer Verlängerung 62.1 eingreifen
und dadurch das Fürungselement 55.1 gegen
ein achsiales Verschieben sichert.The two guide elements are the same 55.1 trained, ie they each consist of a plate 56.1 with the two grooves 57.1 and the sliding linings received in the grooves 58.1 , The plates are still in use 56.1 the four openings 55.1 into the threaded holes 60.1 arranged screws 61.1 with an extension 62.1 intervene and thereby the guide element 55.1 secures against axial displacement.
Die in den 11 – 14 dargestellte Ausführung der
Elemente 53 und 54, insbesondere auch die beschriebene
Führung
zwischen diesen Elementen zeichnet sich durch eine besonders hohe
Steißigkeit
aus.The in the 11 - 14 shown execution of the elements 53 and 54 , in particular the described guide between these elements is characterized by a particularly high degree of stiffness.
Die Erfindung wurde voranstellend
an verschiedenen Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen
sowie Abwandlungen möglich
sind, ohne daß dadurch
der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke verlassen wird. So wurde
vorstehend der einfacheren Beschreibung wegen davon ausgegangen,
daß das
Instrument 4 ein sondenartiges Instrument ist, welches
unmittelbar an der jeweiligen Steuereinheit 28, 28a, 28b bzw. 28c vorgesehen
ist. Selbstverständlich
sind auch Ausführungen
denkbar, bei denen die jeweilige Steuereinheit einen Endeffektor
oder Instrumententräger
für das
Instrument 4 aufweist, welches dann lösbar und damit auch austauschbar
an diesem Endeffektor bzw. Instrumententräger vorgesehen ist.The invention has been described above using various exemplary embodiments. It goes without saying that numerous changes and modifications are possible without departing from the idea on which the invention is based. For the sake of simpler description, it was assumed above that the instrument 4 is a probe-like instrument, which is directly on the respective control unit 28 . 28a . 28b respectively. 28c is provided. Of course, versions are also conceivable in which the respective control unit has an end effector or instrument carrier for the instrument 4 has, which is then releasably and thus interchangeably provided on this end effector or instrument carrier.
Vorstehend wurde weiterhin davon
ausgegangen, daß die
Zustellkinematik 20, 20a, 20c von gelenkig miteinander
verbundenen Armen gebildet ist. Wie bereits die 5 bzw. die dortige Zustellkinematik 20b zeigt, sind
auch andere Konstruktionen denkbar, insbesondere auch solche, bei
denen anstelle von gelenkig miteinander verbundenen Armen andere
relativ zueinander bewegbare Halte- oder Tragelemente vorgesehen
sind.Above it was further assumed that the delivery kinematics 20 . 20a . 20c is formed by articulated arms. Like that 5 or the delivery kinematics there 20b shows, other constructions are also conceivable, in particular also those in which, instead of articulated arms, other holding or supporting elements which are movable relative to one another are provided.
Als Stellglieder für die jeweilige
Arbeitskinematik 28, 28a, 28b und 28c eignen
sich beispielsweise elektrische oder hydraulische Stellglieder,
beispielsweise elektrische Schrittmotoren mit Inkrementalgebern usw..As actuators for the respective work kinematics 28 . 28a . 28b and 28c electric or hydraulic actuators, for example electric stepper motors with incremental encoders etc. are suitable.
Der von den Elementen 53 und 54 gebildete
Teil der Kinematik zeichnet sich durch eine besonders hohe Steißigkeit
aus, die sich aus der Verwendung der Rohrprofile ergibt. Weiterhin
kann das Spiel der Führung
zwischen den beiden Elementen 53 und 54 sehr klein
gehalten werden, und zwar durch die Möglichkeit der radialen Verstellung
der Platten 56 und 56.1. Ein weiterer Vorteil
besteht auch darin, dass das Stellelement, beispielsweise der Zylinder
von den Elementen 53 und 54 gebildeten Raum aufgenommen
werden kann.The one from the elements 53 and 54 formed part of the kinematics is characterized by a particularly high degree of stiffness, which results from the use of the tubular profiles. Furthermore, the game of leadership between the two elements 53 and 54 be kept very small, namely by the possibility of radial adjustment of the plates 56 and 56.1 , Another advantage is that the actuator, for example the cylinder of the elements 53 and 54 formed space can be recorded.
-
11
-
Patientpatient
-
22
-
Patientenkörperpatient's body
-
33
-
invarianter
Punktinvariant
Point
-
44
-
Instrument
oder Instrumentenhalterinstrument
or instrument holder
-
55
-
Instrumentenkopfinstrument head
-
66
-
Vorrichtungcontraption
-
7,
87,
8th
-
Armpoor
-
9,
10, 119
10, 11
-
Gelenkjoint
-
1212
-
Lagercamp
-
1313
-
Auflage
für den
Patienten 1 bzw. Operationstischedition
for the
Patient 1 or operating table
-
19,
19a, 19b, 19c19
19a, 19b, 19c
-
Vorrichtungcontraption
-
19d,
19e, 19f19d,
19e, 19f
-
Vorrichtungcontraption
-
20,
20b, 20d20
20b, 20d
-
ZustellkinematikZustellkinematik
-
21,
22, 2321
22, 23
-
Armpoor
-
22b,
23b22b,
23b
-
Armpoor
-
24,
25, 27, 27b24
25, 27, 27b
-
Gelenkjoint
-
28,
28a, 28b, 28c, 28d28
28a, 28b, 28c, 28d
-
Steuereinrichtung
für die
Arbeitskinematikcontrol device
for the
working kinematics
-
2727
-
Gelenkjoint
-
29.1,
29.2, 29c29.1,
29.2, 29c
-
Schlittenanordnungcarriage assembly
-
30,
31, 30c, 31c30
31, 30c, 31c
-
Schlittencarriage
-
32,
32c32
32c
-
Führungguide
-
33,
33c33
33c
-
Verschiebehülsen mit
kardanischer oderSliding sleeves with
gimbal or
-
-
KugelgelenklagerungBall joint mounting
-
34,
34b34
34b
-
kreisbogenförmige Führungcircular arc-shaped guide
-
3535
-
Tragrahmensupporting frame
-
3636
-
Gelenkjoint
-
3737
-
Grundkörper oder
TragsäuleBasic body or
support column
-
3838
-
Führungsschlittenguide carriage
-
4040
-
Tragsäulesupport column
-
40.140.1
-
Schlittencarriage
-
40.240.2
-
Führungguide
-
4141
-
Gelenkträgerjoint carrier
-
4242
-
Gelenkjoint
-
4343
-
Tragstücksupporting piece
-
4444
-
TragarmBeam
-
4545
-
Kopfhead
-
4646
-
Kinematikkinematics
-
4747
-
Tragsäulesupport column
-
48,
4948
49
-
TragarmBeam
-
5050
-
Kopfhead
-
5151
-
Kinematikkinematics
-
5252
-
Tischtable
-
53,
5453
54
-
Element
der Kinematikelement
the kinematics
-
55,
55.155,
55.1
-
Führungselementguide element
-
56,
56.156
56.1
-
Platteplate
-
57,
57.157
57.1
-
nutenförmige Ausnehmunggroove-shaped recess
-
58,
58.158
58.1
-
Gleitbelagsliding lining
-
59,
59.159,
59.1
-
Öffnungopening
-
60,
60.160
60.1
-
Gewindebohrungthreaded hole
-
61,
61.161,
61.1
-
Schraubescrew
-
62,
62.162
62.1
-
Verlängerungrenewal
