DE102004054866B3

DE102004054866B3 - Vorrichtung zum Anschließen von konventionellen oder laparoskopischen Instrumenten an einen Roboter

Info

Publication number: DE102004054866B3
Application number: DE102004054866A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hagn
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2024-11-13
Also published as: US9456876B2; US20060195070A1

Abstract

Zum Anschließen von konventionellen oder laparoskopischen Instrumenten an einen bei medizinischen Applikationen einsetzbaren Roboter ist mit einem am Roboterarm (5) angebrachten, abgewinkelten ersten Segment (1) über ein Knickgelenk (THETA¶1¶) ein zweites kreiszylindrisches Segment (2) mit durchgehender Mittenbohrung (22) verbunden. An einer Endfläche des zweiten Segements (2) ist über ein Rollgelenk (THETA) ein drittes Segment in Form eines Flansches (3) mit zu der durchgehenden Mittenbohrung (22) im zweiten Segment (2) koaxialer Bohrung (32) vorgesehen. DOLLAR A Um die Bohrung (32) des Flansches (3) sind versorgungs- und informationstechnische Anschlussmöglichkeiten (31) sowie ein Verriegelungsmechanismus (33) zum An- und Abkoppeln von Endeffektoren vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Anschließen von konventionellen oder laparoskopischen Instrumenten an einen Arm eines bei medizinischen Applikationen einsetzbaren Roboters mit einem Verriegelungsmechanismus zum An- und Abkoppeln von Endeffektoren.

Eine derartige Vorrichtung ist aus WO 2004/014244 A2 bekannt. In WO 99/01261 A1 ist ein rekonfigurierbares modulares Gelenk beschrieben, das als Basis zum Bauen und Konfigurieren von Roboter- und Automatiksystemen verwendet werden kann. Aus US 2003/0195664 A1 ist u.a. ein chirurgischer Roboter mit einer verbesserten Griffbetätigung zum Handhaben von Geweben und kleinen Gegenständen bekannt. Aus US 5 078 140 A ist eine Einrichtung zur computergesteuerten stereotaktischen Chirurgie bekannt.

Bei medizinischen Applikationen kommen hochspezialisierte Roboter zum Einsatz. Solche Roboter führen im allgemeinen entweder konventionelle Instrumente oder laparoskopische Instrumente, wobei die Instrumente der zweiten Gruppe im allgemeinen eine stabförmige Form haben, welche es zulässt, dass laparoskopische Instrumente durch kleine Eröffnungen in den Körper eines Patienten eingeführt werden können.

Bei laparoskopischen Instrumenten befindet sich während eines Eingriffs der stabförmige Teil eines solchen Instruments teilweise bzw. großteils im Körper des Patienten. Aus Sicherheitsgründen ist ein Entfernen des Instruments aus dem Körper des Patienten durch die kleine Öffnung nur entlang der Achse des stabförmigen Teils und in Richtung weg vom Patienten möglich. Verläuft die Längsachse des Instru ments koaxial zu der Roboterachse und fällt mit dieser zusammen, kann die Roboterachse als Hohlwelleneinheit ausgebildet sein, damit das Instrument konform entfernt werden kann.

Es ist derzeit nur ein von der Fa. Computer Motion unter der Bezeichnung „Roboter:Aesop" vertriebener Roboter bekannt, an welchen sich laparoskopische Instrumente anschließen lassen.

Der derzeitige Stand der Technik lässt jedoch die Notwendigkeit, sowohl laparoskopische als auch konventionelle Instrumente anzuschließen, außer acht, da die beiden Instrumentengruppen bislang zwei verschiedenen Robotermärkten innerhalb der Medizinrobotik zugewiesen wurden. Obendrein ist bisher ein elektrischer Anschluss der zu führenden Instrumente an den Roboterarm bislang nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen bei medizinischen Applikationen einsetzbaren Roboter bzw. dessen letztes Glied so zu rekonfigurieren, dass sowohl konventionelle als auch laparoskopische Instrumente angeschlossen werden können.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zum mechanischen und elektrischen Anschließen von konventionellen oder laparoskopischen Instrumenten an einen Arm eines bei medizinischen Applikationen einsetzbaren Roboters durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist mit einem am freien Ende des Roboterarms angebrachten, abgewinkelten ersten Segment über ein um 180° drehbares Knickgelenk ein zweites kreiszylindrisches Segment mit durchgehender Mittenbohrung verbunden und an einer Endfläche des zweiten Segments ist über ein Rollgelenk ein drittes Segment in Form eines Flansches mit zu der durchgehenden Mittenbohrung im zweiten Segment koaxialer Bohrung mit versorgungs- und informationstechnischen Anschlussmöglichkeiten von Endeffektoren vorgesehen.

Das gemäß der Erfindung rekonfigurierte Robotergelenk erlaubt somit sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Anschluss solcher stabförmiger laparoskopischer Instrumente, wie auch konventioneller Instrumente. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit bei medizinischen Applikationen ein universell einsetzbarer Roboter geschaffen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines rekonfigurierten Roboterflansches;
2 eine schematische Darstellung eines an den Roboterflansch anschließbaren laparoskopischen Instruments;
3 eine schematische Darstellung eines an den Roboterflansch anschließbaren konventionellen Instruments
4 und 5 eine schematische Darstellung des Gelenkwinkelbereichs für laparoskopische bzw. konventionelle Instrumente, und
6 eine schematische Darstellung einer Anschlussmöglichkeit für beide Instrumententypen.
In 1 ist eine Konfiguration der letzten Achse eines insbesondere bei medizinischen Applikationen einsetzbaren Roboters dargestellt. Damit sowohl laparoskopische als auch nicht-laparoskopische, d.h. herkömmliche Instrumente an einen für medizinische Applikationen vorgesehenen Roboter angeschlossen werden, ist an dem freien Ende eines Roboterarms 5 ein abgewinkeltes erstes Segment 1 angebracht, welches über ein Knickgelenk Θ₁ mit einem zweiten, vorzugsweise kreiszylindrischen Segment 2 verbunden ist.
An einer Endfläche 21 des zweiten Segments 2 ist über ein Rollgelenk Θ ein drittes Segment in Form eines Roboterflansches 3 angebracht, in welchem eine Bohrung 32 vorgesehen ist, die koaxial zu einer durchgehenden Mittenbohrung 22 im zweiten Segment 2 fortgeführt ist.
An dem Roboterflansch 3 sind um die Bohrung 32 schematisch angedeutete versorgungs- und informationstechnische Anschlussmöglichkeiten 31 für die jeweils anflanschbaren Instrumente sowie ein Verriegelungsmechanismus 32 ausgebildet, mit dessen Hilfe Endeffektoren an- und abgekoppelt werden können.
Der Verriegelungsmechanismus kann zusätzlich auch elektronisch steuerbar ausgeführt sein. Darüber hinaus ist der Verriegelungsmechanismus 32 so ausgelegt, dass er auch als mechanischer Schutz vor falscher Montage von anzuschließenden Endeffektoren dienen kann.
Laparoskopische Instrumente für die robotergestützte minimal invasive Chirurgie sind im allgemeinen verhältnismäßig lang und stabförmig. An einem, dem distalen Ende laparoskopischer Instrumente befinden sich minia turisierte Effektoren/Sensoren, beispielsweise in Form eines Zangenmauls, einer Schere, einer CCD-Kamera, u.ä., während am anderen, dem proximalen Ende solcher Instrumente die zum Betrieb der Effektoren notwendigen Komponenten vorgesehen sind.
Da das proximale Ende eines solchen Instruments außerhalb des Patientenkörpers verbleibt, weist es im allgemeinen ein deutlich größeres Bauvolumen auf. Wie eingangs bereits ausgeführt, müssen u.a. aus sicherheitstechnischen Gründen laparoskopische Instrumente für die robotergestützte minimal invasive Chirurgie entlang ihrer Längsachse jederzeit aus dem Körper eines Patienten entfernt werden können, ohne dass dabei Patient und/oder Roboter bewegt werden müssen.
In 2 ist die Montage eines laparoskopischen Instruments 4 gezeigt, welches mit seinem stabförmigen Schaft 41 durch das Gelenk Θ durchgesteckt wird. Der Anschluss des laparoskopischen Instruments 4 erfolgt über ein zu den versorgungs- und informationstechnischen Anschlussmöglichkeiten 31 sowie dem Verriegelungsmechanismus 32 adäquates, in 2 nicht näher dargestelltes Gegenstück an der Unterseite 42 des Instruments.
Zum Anschließen eines nicht-laparoskopischen konventionellen Instruments 6 mit einem beispielsweise in dieses eingesetzten Bohrer 7 ist die Vorzugsrichtung des Gelenks Θ₁ um 180° gedreht. Das konventionelle Instrument 6 ist an die stirnseitige Endfläche des zweiten Segments 2 angeflanscht und somit nicht durch das Gelenk Θ hin durchgesteckt.
Wie in den 4 und 5 dargestellt ist, ergibt sich für den Einsatz von laparoskopischen Instrumenten 4 für das Knickgelenk Θ₁ ein Winkel α1 und für den Einsatz konventioneller Instrumente 6 ein Winkel α2. Der erforderliche Gelenkwinkelbereich für das Knickgelenk Θ₁ beträgt somit 180° plus α_max (mit α_max = max {α1, α2}).
Sollen die Winkel αi vergrößert werden, ist in 6 eine Variante der vorstehend beschriebenen Konfiguration wiedergegeben, bei welcher zwei Flansche 3 und 3' an dem zweiten Segment 2 vorgesehen sind. Bei der Ausführungsform in 6 fällt der Konfigurationswinkel 180° weg, da beide Instrumententypen ohne eine Rekonfiguration des Gelenks Θ₁ angeflanscht werden können. In 6 ist die Möglichkeit des Anschließens entweder eines laparoskopischen Instruments 4 oder stattdessen eines herkömmlichen nicht-laparoskopischen Instruments 6 schematisch angedeutet.

1: erstes Segment
2: zweites Segment
21: Endfläche
22: Mittenbohrung
3, 3': drittes Segment/Flansch
31: Anschlussmöglichkeiten
32: koaxiale Bohrung
33: Verriegelungsmechanismus
5: Roboterarm
Θ: Rollgelenk
Θ₁: Knickgelenk

Claims

Vorrichtung zum Anschließen von konventionellen oder laparoskopischen Instrumenten an einen Arm (5) eines bei medizinischen Applikationen einsetzbaren Roboters mit einem Verriegelungsmechanismus (33) zum An- und Abkoppeln von Endeffektoren, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem am freien Ende des Roboterarms (5) angebrachten, abgewinkelten ersten Segment (1) über ein um 180° drehbares Knickgelenk (Θ₁) ein zweites kreiszylindrisches Segment (2) mit einer durchgehenden Mittenbohrung (22) verbunden ist und dass an einer Endfläche des zweiten Segments (2) über ein Rollgelenk (Θ) ein drittes Segment in Form eines Flansches (3) mit zu der durchgehenden Mittenbohrung (22) im zweiten Segment (2) koaxialer Bohrung (32) mit versorgungs- und informationstechnischen Anschlussmöglichkeiten (31) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass um die koaxiale Bohrung (32) des Flansches (3) herum die versorgungsund informationstechnischen Anschlussmöglichkeiten (31) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Endflächen des zweiten Segments (2) je ein Flansch (3, 3') mit den versorgungs- und informationstechnischen Anschlussmöglichkeiten (31) sowie dem Verriegelungsmechanismus (33) vorgesehen ist.