DE69734482T2

DE69734482T2 - Endoskopische chirurgische Robot-Instrumente

Info

Publication number: DE69734482T2
Application number: DE69734482T
Authority: DE
Inventors: Kevin Smith; Juergen Andrew Koretnbach; Charles R. Slater; Antony I. Mazzeo; Theodore C. Slack; Thomas O. Bales
Original assignee: Symbiosis Corp
Current assignee: Boston Scientific Miami Corp
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2017-02-04
Also published as: US6296635B1; EP0880337B1; CA2244163A1; DE69731521D1; US5624398A; JP2000505318A; EP1516577A1; US5954692A; EP1321106B1; EP1321106A1; DE69734482D1; AU707103B2; EP0880337A4; WO1997028734A1; EP0880337A1; DE69731521T2; US5833656A; AU1855997A

Description

I. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
A. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf endoskopisch-chirurgische Werkzeuge und Verfahren. Ein endoskopischer Roboterarm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in WO-A-93/13916 offenbart.
B. Stand der Technik
Die endoskopische Chirurgie wird heutzutage in der ganzen Welt praktiziert, wobei ihre Akzeptanz schnell zunimmt. Im Allgemeinen beinhaltet die endoskopische Chirurgie einen oder mehrere Einschnitte, die durch Trokare herbeigeführt werden, wobei Trokarröhren an Ort und Stelle belassen werden, so dass endoskopisch-chirurgische Werkzeuge durch die Röhren eingeführt werden können. Durch eine Trokarröhre wird häufig eine Kamera oder eine Vergrößerungslinse eingeführt, während durch die andere Trokarröhre ein Schneide-, Dissektionswerkzeug oder anderes chirurgisches Instrument zu Zwecken der Manipulation und/oder der Zerschneidung des inneren Organs eingeführt wird. Manchmal ist es wünschenswert, mehrere Trokarröhren zugleich an Ort und Stelle zu haben, um mehrere chirurgische Instrumente aufzunehmen. In dieser Weise kann ein Organ oder Gewebe mit einem chirurgischen Instrument ergriffen werden und mit einem anderen chirurgischen Instrument gleichzeitig zerschnitten werden; alles unter der Sicht des Chirurgen über die Kamera.
Es ist geschätzt worden, dass 1996 mehr als zwei Millionen zusätzliche endoskopisch-chirurgische Eingriffe pro Jahr ausgeführt werden, die 1990 in offener Chirurgie vorgenommen wurden (MedPRO Month, 1:12, S. 178). Die Vorteile der endoskopischen Chirurgie liegen insofern, dass sie weniger invasiv und weniger traumatisch ist und die Genesung im Allgemeinen schneller erfolgt, klar auf der Hand. Im Ergebnis werden jedes Jahr viele neue Werkzeuge und Vorrichtungen zur Verwendung in der Endochirurgie eingeführt. Beispielsweise ist nun bekannt, wie ein motorisch betriebenes mikrochirurgisches Werkzeug für intravaskuläre Chirurgie, wie etwa jenes, das in dem US-Patent Nr. 5.059.203 an Husted offenbart ist, zu verwenden ist. Husted lehrt ein drehbares Miniaturarbeitsrad mit einer Schneidklinge, die einteilig mit einer Antriebsnabe und einer Antriebsachse ausgebildet und zur Drehung am Ende eines Verkleidungselements angebracht ist. Das Verkleidungselement ist ein Multi-Lumen-Rohr. Um die Antriebsnabe ist eine einzige Monofil-Treiberleitung geschlungen, die durch getrennte Hohlräume des Multi-Lumen-Rohrs zu einer Antriebsleistungsquelle führt. Die Antriebsnabe besitzt außerdem einen kappenförmigen Querschnitt, der verhindert, dass die Monofil-Treiberleitung von der Nabe abspringt. Auf das Ablaufende der Monofil-Treiberleitung nahe bei der Antriebsnabe wird eine Zuglast aufgebracht. Das sich drehende Rad kann ein Schneidrad oder ein Abschleifrad sein und wird primär zum Öffnen von verschlossenen Blutgefäßen verwendet.
Endoskopisch-chirurgische Werkzeuge mit gelenkig angebrachten Endwirkmitteln (Endeffektoren) sind nun ebenfalls bekannt. Das US-Patent Nr. 4.880.015 an Nierman offenbart eine Biopsiepinzette zur Verwendung in einem flexiblen Faseroptik-Bronchoskop. Niermans Pinzette besitzt beim Erlangen von Gewebeproben auf Grund einer Gelenkverbindung, die zwischen den Pinzettengreifern und dem Drahtseil, von dem die Greifer ausgehen, einen erweiterten Einsatzbereich.
Inzwischen entwickelt sich auch die Robotertechnik rapide. Obwohl ursprünglich als Fiktion angesehen, berührt die moderne Robotik häufig einzelne, spezielle Anwendungen im Fertigungsbereich, jedoch auch im Bereich der Forschung und Entwicklung und dort, wo gefährliche Umgebungen durchquert werden müssen. Bei der letzteren Anwendung beinhaltet die Robotik häufig elektromechanisch aktivierte Gelenkelemente, die menschliche Arme und Hände emulieren und durch eine Codiervorrichtung, die auf die Artikulation bzw. Schwenkung der menschlichen Arme und Hände eines Arztes reagiert, betätigt werden. Herkömmliche Codiervorrichtungen enthalten im Allgemeinen ein Exoskelett oder eine Manschette, das bzw. die über den menschlichen Arm des Arztes passt. Die Codiermanschette ist mit Gelenken, die den Gelenken in einem menschlichen Arm entsprechen, und einem oder mehreren Ringlagern versehen, die jeweils eine Bewegung durch den menschlichen Arm des Arztes in mechanische, elektrische oder elektromechanische Signale umwandeln. Diese durch den Codierer erzeugten Signale werden dann zu einem Roboterarm übertragen, der auf die Signale vom Codierer reagiert. Der Roboterarm wird gewöhnlich durch Servomotoren bewegt, die sich in den Roboterarmgelenken befinden. Das Ziel dieser Art der Anordnung ist, einen mechanischen oder elektromechanischen Arm zu schaffen, der die Bewegungen des menschlichen Arms des Arztes nachahmt. Roboterarme sind gewöhnlich auch mit irgendeiner Art Greifer versehen, der durch eine Handbewegung des Arztes aktiviert wird. Diese Anordnungsweisen eines Roboterarms werden häufig in gefährlichen Umgebungen wie etwa der Handhabung von nuklearen Materialien, der Entschärfung von Bomben und in der Weltraumforschung (wo die Signale vom Codierer durch Funkwellen über eine weite Entfernung zu dem Roboterarm gesendet werden) angewandt.
Frühere Roboterarme waren plump und dienten nur zur Erfüllung von groben Arbeiten wie etwa dem Heben, dem Vergießen, dem Drehen und dergleichen. Es war schwierig, eine Anordnung von Codierer und Roboterarm zu erreichen, die die Ansprechempfindlichkeit eines menschlichen Arms hatte. Diese Schwierigkeit rührte von der Qualität der Servomotoren, den Schwierigkeiten beim Kodieren der Artikulationen oder Gelenkverbindungen des menschlichen Arms und dem Fehlen der Rückkopplung zu dem Codierer her. Roboterarme im Stand der Technik weisen jedoch viele der bei den früheren Roboterarmen angetroffenen Probleme nicht mehr auf. Es ist nun möglich, Roboterarme zu konstruieren, die einen großen Bereich von Bewegungen besitzen, die die Artikulationen des menschlichen Arms weitgehend nachahmen und dem Codierer eine Rückkopplung liefern, um die Bewegungen des Arztes genauer nachzuahmen. Roboterarme im Stand der Technik sind in der Lage, schwierige Aufgaben wie etwa das Schweißen, das Löten, das Nähen, die Handhabung verschiedenartiger Werkzeuge, den Umgang mit kleinen Teilen usw. zu bewältigen. Die Codierer sind nun gewöhnlich mit Rückkopplungsmechanismen versehen, die dem Praktiker einen veränderlichen Widerstand, der dem vom Roboterarm angetroffenen Widerstand entspricht, zu bieten.
Die jüngsten Entwicklungen in der Robotik und der Telekommunikation haben eine neue, "virtuelle Gegenwart" genannte Technik geschaffen. Bei virtueller Gegenwart wird ein Codierer mit Audio-, Video- und Tast-Rückkopplung, der über einen Sende-Empfänger mit einer Audio-, Video- und Tastsensoren besitzenden Robotervorrichtung an einem entfernten Ort verbunden ist, von einem menschlichen „Teilnehmer" getragen. Das Ziel der virtuellen Gegenwart ist es, dem menschlichen Teilnehmer zu gestatteten, zu handeln und zu fühlen, als wäre er wirklich an dem entfernten Ort anwesend. Die Technik der virtuellen Gegenwart ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie zum Steuern von entfernten Raumsonden, in der Meereskunde zum Steuern von Tiefseesonden und in der Umweltforschung zum Handhaben gefährlicher Materialien angewandt worden. WO-A-93/13916 offenbart ein Telebedienungssystem mit virtueller Gegenwart, das Steuereinheiten für die rechte und linke Hand zur Steuerung von rechten und linken Manipulatoren unter Verwendung eines Servomechanismus, der einen Computer enthält, umfasst. Kameras erfassen den Arbeitsbereich aus unterschiedlichen Winkeln, um stereoskopische Signalausgaben zu erzeugen. Die Kameraausgaben werden verwendet, um ein 3-dimensionales, vertikal invertiertes Bild zu erzeugen, das über Spiegel zu den Augen des Anwenders reflektiert wird. Ein virtuelles Bild wird benachbart zu den Steuerarmen erzeugt, das durch den Anwender durch Schauen in Richtung der Steuerarme betrachtet wird. Indem das Arbeitsbereichsbild benachbart zu den Steuerarmen angeordnet wird, wird dem Anwender das Gefühl vermittelt, dass Endwirkmittel, die durch Manipulatorarme und Steuerarme getragen werden, im Wesentlichen eine Einheit bilden. Dieses Gefühl der Verbindung zwischen den Steuerarmen und den Endwirkmitteln vermittelt dem Anwender den Eindruck, die Endwirkmittel unmittelbar mit der Hand zu steuern. Durch Anordnen einer Sichtanzeige benachbart zu den Steuerarmen, kann das Bild des Arbeitsbereichs unmittelbar durch den Anwender betrachtet werden. Die Verwendung des Telebedienungssystems für chirurgische Eingriffe ist ebenfalls offenbart.
Obwohl die endoskopische Chirurgie ständig an Akzeptanz gewinnt, ist sie insofern, dass der Chirurg die chirurgische Stelle durch ein Endoskop oder eine Kamera anstatt direkt durch einen großen Einschnitt hindurch betrachten muss, noch häufig schwieriger als eine offene Chirurgie durchzuführen. In diesem Sinne gleicht die Endochirurgie, die Videokameras verwendet, der virtuellen Gegenwart, da der Teilnehmer (in diesem Fall der Chirurg) die chirurgische Stelle nicht direkt sieht, sondern stattdessen eine virtuelle Darstellung der chirurgischen Stelle auf einem Fernsehbildschirm sieht. Obwohl die virtuelle Gegenwart den Teilnehmer praktisch in eine entfernte Szene versetzt, muss der Chirurg in der Endochirurgie jedoch mit Hilfe von Werkzeugen, die anders als menschliche Arme und Hände funktionieren, in die durch Fernseher übertragene Szene gelangen. Bei der Endochirurgie im Stand der Technik ist der Chirurg auf Aufgaben, für die Werkzeuge verfügbar sind, beschränkt, während er bei der offenen Chirurgie noch stets den weiten Bereich der den menschlichen Armen und Händen verfügbaren Artikulation anwenden kann. Dennoch muss sich der Chirurg bei jeder Art von Chirurgie dem Patienten auf Armlänge nähern.
Trotz der Fortschritte in der Robotik, ist die Robotertechnik zuvor niemals mit endoskopisch-chirurgischen Instrumenten oder bei endoskopisch-chirurgischen Eingriffen verwendet worden, vermutlich, weil die Roboterinstrumente vergleichsweise groß und die endoskopischen Instrumente vergleichsweise winzig sind.
II. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein endoskopisches Werkzeug mit mehreren Dreh- und Beugeverbindungen bzw. Dreh- und Beugegelenken zu schaffen.
Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, ein endoskopisches Werkzeug mit einem Paar gelenkig gelagerter Roboterarme zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein endoskopisch-chirurgisches Roboterwerkzeug zu schaffen, das klein genug ist, um durch Trokarröhren zu gehen, jedoch einem Chirurgen im Wesentlichen jegliche in der offenen Chirurgie verfügbare Artikulation anbietet.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, ein endoskopisches Werkzeug mit gelenkig gelagerten Roboterarmen zu schaffen, die durch einen Servomotor betätigbar sind.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, endoskopische Roboterarme vorzusehen, die mittels flexibler Spannteile bzw. Spannkabel und Treibrollen bzw. Rillenscheiben mit Servomotoren gekoppelt sind.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, endoskopische Roboterarme vorzusehen, die durch die Bewegung der Sehnen bzw. Spannteile beugbar und drehbar sind.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, endoskopische Roboterarme mit Sehnen bzw. Spannteilen mit einem kleinen Durchmesser vorzusehen, die abnutzungsfest sind und die fest mit dem Arm gekoppelt sind.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, Roboterarme für endoskopisches Instrument vorzusehen, die die Bewegungen von menschlichen Armen sehr stark nachahmen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Roboterarm für endoskopisches Instrument vorzusehen, der durch einen von einem Chirurgen getragenen Codierer gesteuert wird.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, einen Roboter-Codierer zum Steuern eines endoskopischen Werkzeugs, der sich jeder Größe des Chirurgen anpassen kann und einfach anzuziehen ist, vorzusehen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Rückkopplungsmechanismus in den Roboterarmen vorzusehen, so dass die Arme auf Bewegungen, die durch den Codierer registriert werden, besser reagieren.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, Tast-Rückkopplungsmittel in den Robotergreifern vorzusehen, damit der Chirurg den Betrag der an den Greifern aufgebrachten Kraft ermessen kann.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, einen Kopplungsmechanismus vorzusehen, womit die Roboterarme für endoskopisches Instrument mit einem Codierer gekoppelt werden können, so dass die Instrumentenarme entsorgt werden können, jedoch der Codierer wieder verwendbar ist.
Es ist ebenso eine Aufgabe der Erfindung, ein Multi-Lumen-Rohr vorzusehen, durch das Roboterarme für endoskopisches Instrument und eine endoskopische Kamera führen und durch das Zubehör und dergleichen zu der chirurgischen Stelle zur Verwendung durch die Roboterarme zugeführt wird.
Es ist eine nochmals weitere Aufgabe der Erfindung, mehrdimensionale Beobachtungsmittel und ferngekoppelte Codiermittel vorzusehen, damit ein Chirurg die Operation von einem vom Patienten entfernten Ort vornehmen und beobachten kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die Erfindung einen endoskopischen Roboterarm für die Verwendung mit einem endoskopisch-chirurgischen Instrument bereit, der Codiermittel für die Kodierung der Bewegungen eines Arms eines Arztes, Steuermittel, die für die Umsetzung der Bewegungen des Arms des Arztes in übertragbare Signale mit den Codiermitteln verbunden sind und Antriebsmittel, die für die Erzeugung mechanischer Arbeit in Reaktion auf die übertragbaren Signale mit den Steuermitteln verbunden sind, einschließt, wobei der genannte Roboterarm Folgendes umfasst:

a) ein Schulterdrehgelenk für die Reproduzierung der Schulterdrehung des Arms des Arztes;
b) ein Schulterbeugungsgelenk für die Reproduzierung der Schulterbeugung des Arms des Arztes;
c) ein Oberarmdrehgelenk für die Reproduzierung der Oberarmdrehung des Arms des Arztes;
d) ein Ellbogenbeugungsgelenk für die Reproduzierung der Ellbogenbeugung des Arms des Arztes;
e) ein Handdrehgelenk für die Reproduzierung der Handgelenksdrehung des Arms des Arztes;
f) ein Handbeugungsgelenk für die Reproduzierung der Handgelenksbeugung des Arms des Arztes; und
g) Mittel zur Verbindung jedes der genannten Gelenke mit den Antriebsmitteln.

In Übereinstimmung mit diesen Aufgaben, die im Folgenden näher besprochen werden, umfassen die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung einen Codierer, ein endoskopisches Roboterinstrument und eine Codierer/Roboterinstrument-Schnittstelle.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Codierers weist eine mit Teleskoprohren und Gelenken versehene Brust-/Schulterplatte auf. Jedes Gelenk ist mit einem Direktantrieb-Potentiometer versehen, das die Bewegung überwacht und ein entsprechendes Signal liefert. Die Brustplatte ist vorzugsweise an einen weiten Bereich von Größen der menschlichen Brust anpassbar, wobei die teleskopischen Segmente an den Ellbogen der Arme des Arztes festgeschnürt sind. Handgelenkseitig von den teleskopischen Segmenten ist ein Pistolengriff vorgesehen. Gemäß der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform kodiert der Codierer neben dem Greifen an jeder Hand die Beugung und Drehung an der Schulter, dem Ellbogen und dem Handgelenk jedes Arms.
Die Codiervorrichtung ist mit einer Schaltung gekoppelt, die ein Servosystem betätigt. Das Servosystem umfasst eine Reihe von Servomotoren, die sich in Stellungen bewegen, die mit den Potentiometerstellungen, die der Stellung des Arms des den Codierer tragenden Arztes entspricht, zusammenhängen. Die Servomotoren sind in einem Schnittstellengehäuse eingebaut, wobei die Drehachsen ihrer Wellen parallel sind. Die Drehwelle jedes Servomotors ist mit einem Schnellverbindungsende versehen. Eine Reihe von Rillenscheiben entsprechend der Anzahl von Servomotoren ist in einem einschaligen Gehäuse angeordnet. Jede Rillenscheibe ist mit einem sich selbst ausrichtenden Sockel versehen, der so gestaltet ist, dass er mit einer entsprechenden Servomotorwelle zusammenpasst. Sämtliche Rillenscheiben sind durch Koppeln des einschaligen Gehäuses an das Servomotorengehäuse gleichzeitig und schnell an allen Wellen anbringbar und in ähnlicher Weise schnell von den Servomotoren lösbar. Gemäß der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform sind für jeden Arm sieben Servomotoren und entsprechende Rillenscheiben, die außer auf das Greifen an jeder Hand auf eine Beugung und eine Drehung an der Schulter, dem Ellbogen und dem Handgelenk jedes Arms reagieren. Für ein Paar von Armen und Händen sind vierzehn Servomotoren und entsprechende Rillenscheiben vorgesehen.
Das Roboterinstrument umfasst vorzugsweise zwei am distalen Ende eines Multi-Lumen-Rohrs angebrachte Arme. Jeder Arm weist Dreh- und Beugegelenke entsprechend der Schulter, dem Ellbogen und dem Handgelenk des Arztes auf. Mit den Rillenscheiben der Servomotoren sind Spannteile gekoppelt, die durch das Multi-Lumen-Rohr zu den Gelenken der beiden Arme geführt sind. Die endoskopischen Roboterarme ahmen vorzugsweise menschliche Arme nach und umfassen Bewegungen für die Schulterdrehung, die Schulterbeugung, die Oberarmdrehung, die Ellbogenbeugung, die Unterarmdrehung und die Handgelenkbeugung. Außerdem sind am distalen Ende der Roboterarme Greifer angebracht, die eine begrenzte Handbewegung besorgen.
Bevorzugte Aspekte des Codierers umfassen seine Einstellbarkeit, um sich Benutzern unterschiedlicher Größe anzupassen, sein leichtes Gewicht und die Anordnung von Potentiometern, um die Abweichungen der Bewegung des Exoskeletts von der Bewegung des Arms des Benutzers zu kompensieren. Die Potentiometer sind vorzugsweise mit Operationsverstärkern versehen und von der Steuerschaltung optoelektronisch getrennt.
Bevorzugte Aspekte der Steuerschaltung umfassen ihre Einstellbarkeit an die Armbewegungen verschiedener Benutzer und die Einstellbarkeit der Relativbewegung jedes Roboterarmgelenks in Bezug auf die kodierten Bewegungen der Armgelenke des Benutzers. Die gegenwärtig bevorzugte Steuerschaltung enthält für jedes Potentiometer im Codierer ein Paar einstellbarer Spannungsregler und einen aus einer astabilen Kippstufe und einem monostabilen Zeitgeber gebildeten Impulsgenerator. Die Spannungsregler liefern dem Potentiometer eine obere und eine untere Spannung, wobei das Potentiometer eine Spannung zwischen der unteren und der oberen Spannung wählt und diese Spannung an den Impulsgenerator liefert. Der Impulsgenerator erzeugt einen Impulszug, in dem die Länge der Impulse proportional zu der durch das Potentiometer gewählten Spannung ist. Die obere und die untere Spannung jedes Potentiometers sind unabhängig einstellbar und bestimmen den Bewegungsbereich des entsprechenden Roboterarmgelenks in Bezug auf die Bewegung des Codierergelenks.
Bevorzugte Aspekte des Servosystems umfassen das Versehen der Servomotoren mit sich selbst ausrichtenden Keilwellen und das axiale Versetzen einiger der Rillenscheiben in der Treibrollenschale bzw. im Rillenscheibeneinsatz in Bezug auf die anderen Rillenscheiben, so dass die Spannteile ohne weiteres durch den Rillenscheibeneinsatz eingeführt werden können. Jede Rillenscheibe weist vorzugsweise einen radialen Schlitz und eine axiale Schraube auf. Ein Spannteil wird an der Rillenscheibe befestigt, indem seine Enden durch den radialen Schlitz eingeführt und um die axiale Schraube geführt werden. Das Festziehen der axialen Schraube sichert das Spannteil an der Rillenscheibe. Der Rillenscheibeneinsatz ist vorzugsweise mit rampenartigen Abschnitten versehen, die die Spannteile zum leichteren Zusammenfügen des Einsatzes nach oben ablenken.
Die Roboterarme weisen vorzugsweise sich abwechselnde Dreh- und Beugegelenke auf. Jedes Beugegelenk umfasst vorzugsweise einen Gabelkopf mit einem zylindrischen Schaft, während jedes Drehgelenk vorzugsweise eine Muffe bzw. Gelenkpfanne enthält, in der ein entsprechender Gabelkopfschaft drehbar angebracht ist. Jede Gelenkpfanne distal von der proximal nächstgelegenen Gelenkpfanne enthält einen Schaft, der zwischen Schenkeln eines jeweiligen Gabelkopfes angebracht ist. Das proximal nächstgelegenen Drehgelenk wird vorzugsweise direkt angetrieben, während die restlichen Drehgelenke vorzugsweise über Rillenscheiben angetrieben werden. Die Beugegelenke werden vorzugsweise über Rillenscheiben angetrieben. Das bevorzugte, über Rillenscheiben angetriebene Drehgelenk enthält eine an einer Gelenkpfanne angebrachte zweischichtige bzw. zweischalige Rillenscheibe, deren Drehachse zur Längsachse der Gelenkpfanne senkrecht ist. Der Gabelkopfschaft umfasst vorzugsweise abgestufte Drehwalzen. Das Spannteil für ein Drehgelenk windet sich etwa neunzig Grad um eine erste Schicht bzw. Schale der geschichteten Rillenscheibe, etwa zur Hälfte um eine erste Stufe der Drehwalze, etwa zur Hälfte um eine zweite Stufe der Drehwalze und etwa neunzig Grad um eine zweite Schale der geschichteten Rillenscheibe. Eine axiale Bohrung zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe der Drehwalze erleichtert das Zuordnen des Spannteils und sichert das Spannteil gegen Schlupf. Die bevorzugten über Rillenscheiben angetriebenen Beugegelenke enthalten eine Rillenscheibe, die an einem -Gelenkpfannenschaft angebracht ist, der zwischen Schenkeln eines Gabelkopfes angebracht ist. Das Spannteil für ein Beugegelenk windet sich etwa neunzig Grad um die Oberseite der Rillenscheibe, windet sich um den Gelenkpfannenschaft und windet sich etwa neunzig Grad um die Unterseite der Rillenscheibe. Eine Schraube im Gabelkopfschaft sichert das Spannteil am Gabelkopfschaft und verhindert den Schlupf.
Die Spannteile sind vorzugsweise durch einzelne gewickelte Hüllen eingefasst und um die Roboterarme geführt, um zu verhindern, dass sie sich gegenseitig und die Bewegung der Roboterarme behindern. Jedes Paar Greifer ist vorzugsweise durch Federn in die geöffnete Stellung vorbelastet und durch einen einzigen Zugdraht in einer schützenden gewickelten Hülle betätigbar.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten bei Bezugnahme auf die genaue Beschreibung deutlich, wenn sie in Verbindung mit den bereitgestellten Figuren aufgenommen wird.
III. KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen endoskopisch-chirurgischen Roboterwerkzeugs;
2 ist eine Rückansicht des linken Abschnitts eines Exoskelett-Codierers;
3 ist eine Draufsicht des linken Abschnitts des Codierers von 2;
4 ist eine unterbrochene Seitenansicht des linken Unterarmabschnitts des Codierers von 2;
5 ist eine unterbrochene Draufsicht des in 4 gezeigten linken Unterarmabschnitts des Codierers;
Die 6 bis 11 sind schematische Darstellungen, die Achsen der Oberarmbewegung zeigen;
12 ist eine schematische Darstellung bzw. ein Stromlaufplan einer Steuereinheit des Codierers;
13 ist eine Draufsicht eines Rillenscheibeneinsatzes;
14 ist eine transparente Seitenansicht des Rillenscheibeneinsatzes von 13;
15 ist eine transparente Seitenansicht einer einzelnen Rillenscheibe des Rillenscheibeneinsatzes von 13;
16 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie 16-16 in 15;
17 ist eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht einer Rillenscheibe und einer Spannteilkopplungsschraube;
18 ist eine Draufsicht einer Rillenscheibe und eines Spannteils;
19 ist eine Draufsicht von zwei Rillenscheiben und Spannteilen;
20 ist eine Unteransicht eines oberen Servomotorenfeldes;
21 ist eine Draufsicht eines unteren Servomotorenfeldes;
22 ist eine transparente Seitenansicht des oberen und des unteren Servomotorenfeldes und des Rillenscheibeneinsatzes;
23 ist eine Draufsicht eines Servomotoreinsatzes, eines Multi-Lumen-Rohrs und von Roboterarmen, die zusammengefügt sind;
24 ist eine schematische Draufsicht einer mit einem Servomotor und einer Spannteilschleife gekoppelten Hebeschraube;
25 ist eine unterbrochene Seitenansicht eines Roboterarms gemäß der Erfindung;
26 ist eine zu 25 ähnliche, jedoch 90° um die Schulterachse gedrehte Ansicht;
27 ist eine zu 26 ähnliche Ansicht, wobei zwei Beugegelenke gebeugt und die Greifer geöffnet sind;
28 ist eine unterbrochene Seitenansicht eines Abschnitts eines Roboterdrehgelenks der 25–27;
29 ist eine unterbrochene Querschnittsansicht längs der Linie 29-29 in 28;
30 ist eine unterbrochene Draufsicht des Roboterdrehgelenks der 28 und 29;
31 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer Drehrillenscheibe;
32 ist eine unterbrochene Seitenansicht eines Roboterbeugegelenks gemäß der Erfindung;
33 ist eine Draufsicht des Roboterbeugegelenks von 32;
34 ist eine unterbrochene, perspektivische Ansicht zweier Roboterarme, die vom distalen Ende eines Multi-Lumen-Rohrs ausgehen;
IV. GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Übersicht
In 1 umfasst eine erste Ausführungsform eines endoskopischen Roboterwerkzeugs 10 gemäß der Erfindung im Allgemeinen einen Exoskelett-Codierer 12, eine Steuerschaltung 14, ein Servosystem 16 und ein Paar entfernter Roboterarme 18. Der Exoskelett-Codierer 12 passt über die Schultern und die Brust und ist an den Armen eines Arztes 20 befestigt. Am Codierer 12 sind Dreh- und Beugegelenke 22, 24, 26, 28, 30, 32 für jede Schulter 34, jeden Ellbogen 36 und jedes Handgelenk 38 des Arztes vorgesehen, wobei für jede Hand 42 des Arztes ein Pistolengriff 40 vorgesehen ist. Insgesamt sind in jedem Arm des Codierers sieben Wandler 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56 vorgesehen, um die Dreh- und Beugebewegungen der Schultern 34, der Ellbogen 36 und der Handgelenke 38 sowie die Greifbewegung der Hände 42 des Arztes zu registrieren. Die Wandler sind alle mit einer Steuerschaltung 14 gekoppelt, die ihrerseits Ausgaben an ein Feld von vierzehn Servomotoren 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86 liefert. Die Servomotoren sind mit Rillenscheiben 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114 bzw. 116 gekoppelt, die ihrerseits mit Spannteilschleifen 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146, d. h. einer Spannteilschleife pro Motor, gekoppelt sind. Die Spannteile sind durch ein Multi-Lumen-Rohr 150 zu den entfernten Roboterarmen 18, die am distalen Ende des Rohrs 150 angebracht sind, geführt.
Jeder Roboterarm ist mit drei Drehgelenken 160, 164, 168 und drei Beugegelenken 162, 166, 170 versehen, wobei das distale Ende jedes Roboterarms mit einem Greifer 172 versehen ist. Folglich sind die vierzehn Spannteilschleifen 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146 jeweils mit einem entsprechenden der sieben Gelenke und dem Greifer an jedem Arm gekoppelt. Jedoch kann das Schulterdrehgelenk 160, wie im Folgenden näher besprochen wird, über ein Torsionsrohr anstatt über eine Spannteilschleife gesteuert werden, während der Greifer 172 über einen Spannteilzugdraht anstatt über eine Spannteilschleife gesteuert werden kann. Außerdem kann das Schulterbeugegelenk, obwohl jedes Spannteil vorzugsweise in einer gewickelten Hülle eingefasst ist, durch ein Spannteil gesteuert werden, dass nicht umhüllt ist, da der vom Spannteil genommene Weg relativ geradlinig durch das Multi-Lumen-Rohr führt und das Spannteil von seinem Weg nicht abweicht, wenn die anderen Gelenke gebeugt werden.
Das distale Ende des Multi-Lumen-Rohrs 150 ist außerdem mit einer Kameralinse 180 versehen, die mit einer (nicht gezeigten) Videokamera optisch gekoppelt ist. Die Ausgabe der Videokamera wird entweder über Draht- oder Funkkommunikation an einen Monitor 182, den der Arzt 20 betrachten kann, übertragen. In dem Multi-Lumen-Rohr 150 sind zur Zuführung von Zubehör zur chirurgischen Stelle und/oder zur Absaugung, Spülung oder dergleichen vorzugsweise zusätzliche Hohlräume 152, 154 vorgesehen.
Die Rillenscheiben 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116 sind vorzugsweise in einem Einsatz 118 angeordnet, der vom Feld von Servomotoren 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86 abnehmbar ist. Die Ausgaben von der Steuerschaltung 14 können durch Draht- oder Funkkommunikation zu dem Feld von Servomotoren 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 76, 80, 82, 84, 86 übertragen werden, wobei die Entfernung zwischen der Steuerschaltung und den Servomotoren einige Fuß oder mehrere tausend Meilen betragen kann. Die Entfernung zwischen dem Codierer 12 und der Steuerschaltung 14 beträgt vorzugsweise nur einige Fuß, wobei die Länge des Multi-Lumen-Rohrs 150 vorzugsweise ebenfalls nur einige Fuß beträgt. Der Außendurchmesser des Multi-Lumen-Rohrs 150 ist klein genug, dass es durch eine (nicht gezeigte) Trokarröhre geht, wobei die Greifer 172 an den Roboterarmen 18 den Greifern herkömmlicher endoskopischer Instrumente in der Größe ähnlich sind.
Wie im Folgenden näher besprochen wird, kann der Codierer eine größere oder kleinere Anzahl von Wandlern enthalten, wobei die Wandler irgendeine von vielen Formen wie etwa die Form von Potentiometern, photoelektrischen Sensoren, Halleffektsensoren, Trägheitsvorrichtungen oder Schallsensoren besitzen können. Die Pistolengriffe können Steuerungen für die Absaugung, die Spülung und/oder die Kauterisation umfassen. Das Exoskelett des Codierers kann ebenso verschiedene Formen besitzen. Beispielsweise könnten Stellungen des Arms des Arztes durch Sonar-, IR- oder Sicht-Laserabtastung erfasst werden, wobei das Exoskelett in diesem Fall durch eine Reihe von am Arm des Arztes angebrachten Reflektoren ersetzt werden könnte. Die Arme des Arztes könnten, um eine Ermüdung zu verhindern, aufgehängt sein, wobei die Aufhängungsanordnung zum Codieren der Armbewegung verwendet werden kann.
Fachleuten ist klar, dass die Konfiguration der Steuerschaltung mehr oder weniger von der Konfiguration des Codierers und des Typs des verwendeten Servosystems abhängt. In dieser Hinsicht muss das Servosystem selbstverständlich keine Rotationsmotoren mit Rillenscheiben und Drahtseilen verwenden, sondern kann andere Antriebsmittel wie etwa motorisch verstellbare Hebeschrauben, hydraulische oder pneumatische Antriebsmittel verwenden. Die Kopplung der Roboterarme an das Servosystem hängt ebenfalls davon ab, welcher Antriebsmitteltyp verwendet wird.
Die Roboterarme können zum Teil mit einem Direktantrieb anstatt mit Spannteilen und Rillenscheiben gesteuert werden. Der Weg der Spannteile von den Roboterarmen bis zum Servosystem kann nach anderen Überlegungen, die aus der Abhandlung weiter unten verständlich werden, variiert werden. Zum Steuern der Roboterarme kann anstelle der Spannteile und Rillenscheiben Hydraulik oder Pneumatik eingesetzt werden. Die Greifer an den Enden der Roboterarme können Schneidvorrichtungen oder andere Arten von Endwirkmitteln sein, wobei die Roboterarme mit abnehmbaren, austauschbaren Endwirkmitteln versehen sein können. In einer Ausführungsform sind die Roboterarme in das Multi-Lumen-Rohr einziehbar, wobei das Rohr mit Mitteln versehen ist, mit denen der Arzt oder eine Schwester oder ein Assistent vor Ort im Verlauf des Eingriffs Endwirkmittel wechseln kann.
Vorzugsweise sind in dem System auch verschiedene Arten der Rückkopplung vorgesehen. Im Allgemeinen wird dem Arzt stets eine visuelle Rückkopplung geboten, jedoch kann eine solche visuelle Rückkopplung auf verschiedene Weise gestaltet sein. Bei Verwendung der richtigen Optik kann eine stereoskopische visuelle Rückkopplung geboten werden. Manche Ärzte finden ein horizontales Umsetzen des Videobildes sinnvoll, so dass der empfundene Eindruck wie bei einem Blick in einen Spiegel ist. Es ist auch möglich, eine visuelle Rückkopplung von in Bezug auf die chirurgische Stelle geeignet angeordneten Infrarotsensoren, Ultraschallsensoren oder anderen Sensoren zu liefern. Eine taktile Rückkopplung ist wenigstens in den Auslöserabschnitten des Codierers wünschenswert, damit der Arzt beurteilen kann, wie viel Kraft von den Greifern aufgebracht wird. Mit den geeigneten Wandlern ist auch eine weitere sensorische Rückkopplung möglich. In den meisten Fällen ist eine positionelle Rückkopplung von den Roboterarmen an die Steuerschaltung wünschenswert. Wenn beispielsweise Spannteile Knicke bekommen, sich dehnen oder schlüpfen können, kommt in Betracht, dass die Steuerschaltung bestimmt, ob das Signal an das Servosystem tatsächlich die gewünschte Bewegung des Roboterarms herbeigeführt hat. Verschiedene Mittel, die diese Arten der Rückkopplung liefern, werden weiter unten näher besprochen.
Die grundlegende Funktionsweise des in 1 gezeigten endoskopischen Roboterwerkzeugs ist wie folgt. Der Arzt 20, der einen endoskopischen Eingriff vornimmt, zieht den Exoskelett-Codierer 12 an und schaltet den Videomonitor 182 ein. Ein Assistent (nicht gezeigt), der mit dem Arzt 20 in Verbindung steht, bringt mit einem Trokar (nicht gezeigt) einen Einschnitt am Patienten (nicht gezeigt) an. Der Assistent koppelt den Rillenscheibeneinsatz 118 mit dem Feld von Servomotoren 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80. 82, 84, 86, führt das distale Ende des Multi-Lumen-Rohrs 150 durch eine (nicht gezeigte) Trokarröhre ein und ordnet die Roboterarme 18 in der Nähe der chirurgischen Stelle an. Der Servomotoreinsatz 16 wird in einem zweckmäßigen Abstand von der chirurgischen Stelle angeordnet, wobei die flexiblen, umhüllten Spannteile sich zu dem Multi-Lumen-Rohr erstrecken, das die Roboterarme hält. Der Servomotoreinsatz kann durch ein einstellbares Spannmittel, das mit dem Operationstisch oder einer anderen Auflage verbunden ist, unterstützt sein. Der Arzt 20 kann den Assistenten anleiten, die Roboterarme 18 gemäß den vom Videomonitor 182 gelieferten Informationen zu verstellen. Wenn die Steuerschaltung 14 aktiviert ist, wird die Bewegung der Arme 34, 36, 38 des Arztes in den Roboterarmen 18 kopiert. Wenn der Arzt einen der Pistolengriffe 40 drückt, wird der Greifer 172 an einem entsprechenden Roboterarm 18 geschlossen. Folglich verschafft das Werkzeug 10 dem Arzt 20 eine virtuelle Gegenwart von zwei Armen und Händen an der chirurgischen Stelle und eine Sicht von dieser.
Aus dem Vorhergehenden erkennen Fachleute, dass ein Arzt, der den Codierer trägt und den Videomonitor betrachtet, ausgerüstet ist, um an einem Ort, der von der chirurgischen Stelle entfernt ist, einen endoskopischen Eingriff vorzunehmen. Der Codierer, die Steuerschaltung und der Videomonitor können sich viele Tausende von Meilen von der chirurgischen Stelle entfernt befinden und durch irgendeine Telekommunikationsvorrichtung wie etwa einen Funksender oder ein Telefonmodem mit den Servomotoren und der Videokamera gekoppelt sein. Wie oben erwähnt worden ist, muss jedoch anfänglich ein Assistent in der Nähe der chirurgischen Stelle sein, um die Roboterarme gemäß den Instruktionen vom Arzt anzuordnen. Fachleuten ist klar, dass der Assistent zum Anordnen der Roboterarme vorzugsweise mit einer Simultanvideoanzeige versehen ist. Zwischen dem Arzt und dem Assistenten sind vorzugsweise audiovisuelle Kommunikationsmittel, die die Hände frei belassen, vorgesehen. Selbstverständlich wird der Assistent im Verlauf des endoskopischen Eingriffs aufgefordert, die Roboterarme zu verstellen und Materialien zur Verwendung durch die Roboterarme durch einen Hohlraum in dem Multi-Lumen-Rohr oder durch eine zusätzliche Trokarröhre zu der chirurgischen Stelle zuzuführen.
Die folgende Besprechung behandelt jede Hauptkomponente des endoskopischen Roboterwerkzeugs und erläutert im Detail die verschiedenen Ausführungsformen jeder Komponente. Außerdem wird die Benutzung des Fernkommunikationssystems mit dem endoskopischen Roboterwerkzeug genau erläutert. Es werden Verfahren der Bedienung des endoskopischen Roboterwerkzeugs angesprochen und noch zusätzliche, alternative Ausführungsformen des Werkzeugs offenbart.
B. Der Codierer
1. Exoskelett
a. Elektromechanische Verwendung von Potentiometern
In den 1 bis 3 enthalten zwei bevorzugte Ausführungsformen einen Codierer 12, 212, wovon jeder ein Paar Brust-/Schulterplatten 214 und ein entsprechendes Paar gelenkig gelagerter Arme 15, 215, die jeweils mit einem Pistolengriff 40 enden, umfasst. Selbstverständlich ist jede Brust-/Schulterplatte- und Gelenkarmanordnung ein Spiegelbild der anderen. Die folgende Besprechung einer Brust-/Schulterplatte und eines Gelenkarms gilt daher für beide Anordnungen. Die Brust-/Schulterplatte 214 ist so anpassbar, dass sie für verschiede Brustgrößen geeignet ist, wobei die gelenkig gelagerten Arme 15, 215 in der Länge einstellbar sind. Die hier beschriebenen Codiererentwürfe sind so anpassbar, dass sie praktisch für jeden Arzt, der zwischen 100 und 300 Pfund wiegt und eine Armlänge vom Hals bis zum Handgelenk zwischen vierundzwanzig und sechsunddreißig Zoll besitzt, geeignet ist. Die Brust-/Schulterplatte 214 erstreckt sich über die Schultern des Arztes und wird über der Brust, über dem Rücken und unter den Achselhöhlen festgeschnürt oder festgezurrt, wie in 1 am besten zu erkennen ist. Die gelenkig gelagerten Arme 15, 215 sind mit Riemen 218, die sich genau oberhalb des Ellbogens 36 befinden, an den jeweiligen Armen des Arztes, befestigt. Die Hände 42 des Arztes passen in die Pistolengriffe 40.
Eine erste Ausführungsform des Codierers 212 ist in den 2 bis 5 gezeigt. An der linken Schulterplatte 214 beginnend verläuft ein horizontales Element 217 von der Rückseite der Schulterplatte 214 nach außen und endet an einem Punkt hinter der Schulter 34 des Arztes. Ein um neunzig Grad gebogenes Element 219 ist am Drehpunkt 222 am Ende des horizontalen Elements 217 drehbar angebracht, wobei ein Schulterdrehungswandler 244 mit dem horizontalen und dem gebogenen Element gekoppelt ist. Ein teleskopisches Oberarmelement 223 ist an den Drehpunkten 224 und 226 rotatorisch mit dem gebogenen Element 219 gekoppelt, so dass es um zwei in Bezug auf das gebogene Element 219 orthogonale Achsen drehbar ist. Ein Schulterbeugungswandler 246 und ein Oberarmdrehungswandler 248 sind mit dem Oberarmelement 223 und dem gebogenen Element 219 gekoppelt. Ein teleskopisches Unterarmelement 225 ist an den Drehpunkten 228 und 230 mit dem unteren Ende des Oberarmelements 223 rotatorisch gekoppelt, so dass es um zwei in Bezug auf das Oberarmelement 223 orthogonale Achsen drehbar ist. Ein Ellbogenbeugungswandler 250 und ein Handgelenkdrehungswandler 252 sind am Ellbogen mit dem Oberarm- und dem Unterarmelement 223, 225 gekoppelt. Ein federbelasteter Pistolengriff 40 ist am Drehpunkt 232 mit dem unteren Ende des Unterarmelements 225 rotatorisch gekoppelt, während ein Handgelenkbeugungswandler 254 mit dem Unterarmelement 225 und dem Pistolengriff 40 gekoppelt ist. Mit dem Auslöser 255 im Pistolengriff 40 ist ein Griffwandler 256 gekoppelt. Jedes der teleskopischen Armelemente 223, 225 ist mit einem Verriegelungsring 227, 229 versehen, damit die Länge der Armelemente eingestellt und verriegelt werden kann.
Zusammengefasst ist somit jeder Arm mit sieben Wandlern 244, 246, 248, 250, 252, 254, 256 versehen. Die Wandler sind vorzugsweise Potentiometer, die mit den oben beschriebenen Elementen direkt gekoppelt sind. Sechs der Potentiometer 244, 246, 248, 250, 254 registrieren Änderungen der Stellung der Arme des Arztes, während das siebte Potentiometer 256 den Griff des Arztes registriert.
Wiederum in 1 ist eine etwas andere zweite bevorzugte Ausführungsform des Codierers gezeigt. An der Schulterplatte 214 beginnend verläuft ein horizontales Element 218 von der Oberseite der Schulterplatte 214 nach außen und endet an einem Punkt oberhalb der Schulter des Arztes. Ein frei ausfahrbares Oberarmelement 23 ist an den Drehpunkten 22, 24 rotatorisch mit dem horizontalen Element 218 gekoppelt, so dass es um zwei in Bezug auf das horizontale Element 218 orthogonale Achsen drehbar ist. Ein Schulterdrehungswandler 44 und ein Schulterbeugungswandler 46 sind mit dem Oberarmelement 23 und dem horizontalen Element 218 gekoppelt. Ein teleskopisches Unterarmelement 25 ist an den Drehpunkten 26, 28 rotatorisch mit dem unteren Ende des Oberarmelements 23 gekoppelt, so dass es um zwei in Bezug auf das Oberarmelement 23 orthogonale Achsen drehbar ist. Ein Oberarmdrehungswandler 48, ein Ellbogenbeugungswandler 50 und ein Handgelenkdrehungswandler 52 sind am Ellbogen mit dem Oberarm- und dem Unterarmelement gekoppelt. Der Rest des Codierers von 1 entspricht dem Codierer der 2 bis 5.
Die 6 bis 12 zeigen den Bereich der durch den Codierer registrierten Oberarmbewegungen. Das oben erwähnte erste Potentiometer 44, 244 registriert die „Schulterdrehung", die als Bewegung des Arms in einer ersten vertikalen Ebene, die beide Schultern berührt, definiert ist. Der bevorzugte Bereich der Schulterdrehung ist in den 7 und 8 gezeigt und beträgt etwa 90°.
Das zweite Potentiometer 46, 246 registriert die „Schulterbeugung", die der Bewegung des Arms in einer zweiten vertikalen Ebene, die zur ersten vertikalen Ebene senkrecht ist und die lediglich die eine Schulter berührt, die gebeugt wird, entspricht. Die 9 und 10 zeigen den bevorzugten Bereich der Schulterbeugung, der ebenfalls ungefähr 90° beträgt. Das oben erwähnte dritte Potentiometer 48, 248 registriert die „Oberarmdrehung", die in den 6 und 11 gezeigt ist und vorzugsweise etwa 180° beträgt. Das oben erwähnte vierte Potentiometer 50, 250 registriert die „Ellbogenbeugung", die vorzugsweise einen Bereich von etwa 120° einnimmt, wie in 9 angegeben ist.
Die 7 bis 10 zeigen außerdem, dass die Schulterdrehungs- und Schulterbeugungswandler im Codierer von 1 eine etwas ungenaue Registrierung der Armbewegungen des Arztes liefern. Wie durch Vergleich der 7 und 8 erkennbar ist, ist beispielsweise die Mitte der Drehung der Schulterwandler von der Mitte der Drehung der Schulter des Arztes versetzt, weswegen die Wandler den genauen Betrag der Armbewegung nicht registrieren. Ähnlich zeigt ein Vergleich der 9 und 10, dass eine Oberarmbeugebewegung von 90° durch den Wandler 46, 248 kleiner als 90° registriert wird. Dennoch ist der Codierer von 1 besser an unterschiedlich große Ärzte anpassbar, wobei der geringfügige Verlust an Genauigkeit des Codierers vernachlässigbar ist und, falls erwünscht, elektronisch korrigiert werden kann.
Der Codierer von 1 besitzt insofern, dass er für den Arzt komfortabler und weniger einschränkend ist als der Codierer von 2, weitere Vorteile. Insbesondere können die Potentiometer für das Registrieren der „Schulterbeugung" und der „Schulterdrehung" gemeinsam in einem kleinen Kasten über der Schulter des Arztes untergebracht sein, wie in 1 gezeigt ist. Dies trägt dazu bei, den Codierer zu einem System, bei dem „eine Größe auf alles passt", zu machen. Alle „Abweichungen" von einem Arzt zum anderen können durch elektronische Einstellung kompensiert werden. Drehbewegungen führen zu einer gewissen Fremdeingabe in andere benachbarte Codierer. Eine Handgelenkdrehung führt beispielsweise zu einer gewissen Ellbogenbeugebewegung. Eine Oberarmdrehung führt zu einer gewissen Schulterbeugung und Schulterdrehung usw. Der durch dieses Codierersystem geopferte Betrag an Genauigkeit wird im Gehirn des Arztes schnell kompensiert. Wie weiter unten noch näher besprochen wird, sei angemerkt, dass die Position dieser Wandler oberhalb der Schulter erfordert, dass das Oberarmelement ausfährt. Der Ellbogen wird näher zu den Wandlern bewegt, wenn der Arm aus der Stellung in 7 in die Stellung in 8 bewegt wird und wenn der Arm aus der Stellung in 9 in die Stellung in 10 gebeugt wird. Das frei ausfahrbare Oberarmelement kompensiert dies.
Die Registrierung der Oberarmdrehung wird durch ein Potentiometer 28, 248, das längs des Ellbogens angebracht ist, wie in 1 erkennbar ist, oder durch ein Potentiometer, das längsseits der Schulter angebracht ist, wie in 2 erkennbar ist, vorgenommen. In beiden Ausführungsformen ist das Potentiometer etwas von der wahren Achse der Oberarmdrehung versetzt, wie in 6 am besten zu erkennen ist. Dies führt zu einer kleinen Ungenauigkeit der Registrierung der Oberarmdrehung, wie in 11 erkennbar ist. Wenn sich der Oberarm um einen Winkel Φ von P1 nach P2 dreht, folgt der Ellbogen einem bogenförmigen Weg vom Punkt E1 nach E2. Der Winkel zwischen dem Oberarm- und dem Unterarmelement nimmt von θ₁ auf θ₂ zu. Dieser Fehler ist klein und wird vom Arzt kompensiert. Das Ergebnis ist, dass der Roboter der Bewegung des Codierers folgt, was eine gute Näherung ist.
Sowohl das Ellbogenbeugungs- als auch das Handgelenkbeugungspotentiometer befinden sich mit den biologischen Gelenken des Arztes axial in direkter Linie, wie in den 1, 4 und 5 erkennbar ist. Um eine Drehtätigkeit im Unterarm, ohne irgendeinem Beugegelenk übermäßige Bewegungen beizufügen, zu codieren, darf sich der Abstand zwischen den Ellbogenpotentiometern und dem Handgelenkpotentiometer bei der Beugung des Arms nicht verändern. Dies wird dadurch erreicht, dass die Länge des teleskopischen Unterarmelements verriegelbar gemacht wird, sobald seine Länge so eingestellt ist, dass sie für den Arzt richtig ist. Die Verwendung einer L-förmigen Unterarmverbindung mit dem Pistolengriff (in den 2 und 5 am besten zu erkennen) ermöglicht ein Registrieren des Unterarmdrehgelenks im Bereich von ±90°, ohne die Armbewegungen des Arztes zu behindern. Diese Geometrie minimiert außerdem die Störung des Ellbogenbeugegelenks beim Drehen des Unterarms um eine feste Achse.
Der Auslöser 255 im Pistolengriff 40 ist vorzugsweise mit einem Tauchmagnet gekoppelt, der dem Arzt eine taktile Rückkopplung bietet. Der Tauchmagnet empfängt ein Signal, das auf dem Strom basiert, der in dem Servomotor, der den Greifer, z. B. 172, schließt, verbraucht wird (1). Wenn der Greifer auf Widerstand stößt und vom Servomotor eine höhere Kraft aufgebracht wird, nimmt der Stromverbrauch im Servomotor zu. Der Tauchmagnet ist so beschaffen, dass er am Auslöser eine veränderliche Widerstandskraft hervorruft, die zu dem vom Greifer angetroffenen Widerstand proportional ist.
Obwohl der Codierer von 1 die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform ist, können andere Typen von Codierern verwendet werden. Da der Codierer wieder verwendbar und vom Rest der Vorrichtung trennbar ist, kann es ein Chirurg bevorzugen, einen stärker an ihn angepassten Codierer zu verwenden. Der bevorzugte Codierer nutzt die Direktantriebpotentiometer, jedoch können andere Codierer andere Mittel zum Registrieren der Stellung der Arme des Arztes verwenden.
b. Andere Wandler
Anstelle von Potentiometern, die durch die Gelenke des Exoskeletts direkt angetrieben werden, können die Wellen oder Spindeln der Potentiometer mit Gewichten gekoppelt sein. Wenn das Exoskelett die Potentiometer in Bezug auf die Erde verschiebt, zieht die Schwerkraft das Gewicht nach unten, wodurch sich die Welle des Potentiometers dreht. Zum Beispiel ist ein Potentiometer mit einem Basisabschnitt und einem Drehwellenabschnitt über seine Basis an einem Armelement eines Exoskeletts, und zwar an der Drehachse dieses Armelements, angebracht. Am Wellenabschnitt des Potentiometers ist ein vertikal nach unten verlaufendes Gewicht angebracht. Wenn das Armelement um die Drehachse gedreht wird, dreht sich auch die Basis des Potentiometers. Das Gewicht an der Welle des Potentiometers bleibt jedoch wegen der Wirkung der Schwerkraft vertikal angeordnet und hält die Winkelorientierung der Welle des Potentiometers konstant. Die Basis des Potentiometers wird daher relativ zur Welle des Potentiometers gedreht, was mit einem Drehen der Welle des Potentiometers relativ zur Basis des Potentiometers äquivalent ist. Die relative Winkelbewegung des Armelements wird hierbei durch die relative Winkelbewegung der Basis des Potentiometers relativ zur Welle des Potentiometers codiert.
Ein weiterer Wandler, der Gewichte verwendet, kann aus zwei konzentrischen Sphären mit einem dazwischen eingebrachten Quecksilbertröpfchen oder einem frei beweglichen Gewicht konstruiert sein. Die relative Position des Quecksilbertröpfchens kann kapazitiv, durch Leiterstreifen oder durch optische Mittel erfasst werden.
Dieser Wandlertyp kann eine Position nach mehreren Achsen erfassen.
c. Photoelektrische Wandler
Ein photoelektrischer Wandler kann aus einer drehbaren Scheibe mit einer Oberfläche, deren optische Dichte ein Gefälle aufweist, und einem Gewicht am Umfang gefertigt sein. Ein Photodetektor, der auf die Oberfläche, deren optische Dichte ein Gefälle aufweist, gerichtet ist, erfasst seine Winkelposition in Bezug auf die Scheibe, die durch das Gewicht unbeweglich gehalten wird. Die Scheibe und der Detektor sind in einem kardanisch aufgehängten Gehäuse so angebracht, dass die Welle der Scheibe horizontal gehalten wird.
2. Optisch ohne Exoskelett
Es gibt mehrere mögliche Ausführungsformen eines Codierers, der kein Exoskelett erfordert. Diese Ausführungsformen des Codierers verwenden optische Sensoren und einen Bildprozessor, um die Bewegungen der Arme des Arztes zu bestimmen und sie zur Verwendung durch das Servosystem zu codieren.
a. Laser-Codierer
Eine erste Ausführungsform eines optischen Codierers ohne Exoskelett umfasst eine Reihe von Reflektoren, die an den Armen des Arztes, und zwar an der Schulter, dem Ellbogen, dem Handgelenk und der Hand, angebracht sind. Wenigstens zwei orthogonal angeordnete Photodetektoren sind über dem Arzt und an der Seite des Arztes angeordnet. Es ist eine Laserlichtquelle mit einer Drehspiegelabtastvorrichtung vorgesehen, die das Laserlicht auf die Reflektoren richtet und einen Bereich abtastet, in dem sich die Reflektoren erwartungsgemäß bewegen. Wenn sich die Arme des Arztes durch den Raum bewegen, verändert sich das von den Photodetektoren erfasste Laserlicht. Ein Bildprozessor interpretiert die von den Photodetektoren ausgegebenen Signale und betätigt die Servomotoren zum Bewegen der Roboterarme.
3. Aufgehängte Codierer
Ein aufgehängter Codierer gemäß der Erfindung gleicht dem oben beschriebenen elektromechanischen Exoskelett-Codierer. Jedoch sind die Arme des Arztes durch Drahtseile, die an in einem Rahmen über dem Arzt untergebrachten Rillenscheiben und Gegenhalter angebracht sind, im Raum aufgehängt. Die Rillenscheiben und Gegenhalter sind mit Wandlern versehen, die ihre Bewegung erfassen. Wenn sich die Arme des Arztes bewegen, wandeln die Drahtseile diese Bewegung in eine Bewegung der Rillenscheiben und Gegenhalter um, wobei die Wandler die Bewegung codieren. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie für den Arzt weniger ermüdend ist.
Wie oben erwähnt worden ist, kann der Codierer mit einer sensorischen Rückkopplung für den Arzt versehen sein. Weiter unten werden verschiedene Möglichkeiten, eine solche Rückkopplung zu liefern, besprochen.
C. Die Steuerschaltung
Der Codierer 12 ist über die Steuerschaltung 14 mit dem Servosystem 16 gekoppelt. Die Kopplung zwischen dem Codierer und dem Servosystem kann verdrahtet oder drahtlos sein. In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist der Codierer 12 durch Drähte mit der Steuerschaltung 14 gekoppelt, während der Ausgang der Steuerschaltung durch drahtlose Übertragung mit dem Servosystem 16 gekoppelt ist. Fachleuten ist klar, dass viele verschiedene Arten der Kopplung zwischen dem Codierer und dem Servosystem möglich sind. Es ist auch klar, dass der verwendete Steuerschaltungstyp teilweise vom verwendeten Codierertyp und vom verwendeten Servosystemtyp abhängt.
1. Potentiometer für Servomotoren
Bei dem oben mit Bezug auf die 1 und 2 beschriebenen Codierer ist jedes Potentiometer mit zwei geregelten Referenzspannungen gekoppelt und liefert eine veränderliche Spannungsausgabe, die mit zwei Zeitgebern gekoppelt ist, die eine Impulsausgabe zum Steuern eines digitalen, proportionalen Servomotors erzeugen.
In 12 ist eine exemplarische Steuerschaltung gezeigt, die einen Abschnitt der Steuerschaltung 314 für ein Potentiometer repräsentiert. Selbstverständlich ist die Schaltung von 12 für einen Codierer mit vierzehn Potentiometern vierzehnmal zu wiederholen. Die exemplarische Schaltung 314 enthält zwei Teile: einen Referenzspannungsgenerator 316 und einen Pulscodegenerator 318. Der Referenzspannungsgenerator 316 umfasst zwei LM317-Spannungsregler 320, 322, die über veränderliche Widerstände 324, 326 unabhängig einstellbar sind, um eine hohe Referenzspannung V_A+B und eine tiefe Referenzspannung V_A aus einer einzigen Quellenspannung V_in zu erzeugen. Das Potentiometer 328 des Codierers ist mit der hohen und der tiefen Referenzspannung verbunden und mit einem Operationsverstärker 330 für die Spannung versehen. Der Ausgang des Spannungsverstärkers 330 ist mit einem Optokoppler 332 gekoppelt. Wenn das Potentiometer 328 eine Bewegung registriert, wird eine Spannung zwischen V_A+B und V_A gewählt und über den Optokoppler 332 weitergegeben, um eine Ausgangsspannung für den Pulscodegenerator 318 zu erzeugen. Der Pulscodegenerator 318 umfasst zwei LM555-Zeitgeber 334, 336, wovon der eine eine Impulsfrequenz erzeugt und der andere eine Impulsbreite erzeugt. Der Ausgang des Optokopplers 332 ist mit dem Zeitgeber 336, der die Impulsbreite erzeugt, gekoppelt, wobei eine Impulsausgabe erzeugt wird, bei der die Breite der Impulse zur Codiererposition, wie sie vom Potentiometer 332 bestimmt worden ist, proportional ist.
Gemäß der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist der erste Spannungsregler 320 über einen veränderlichen Widerstand 324 einstellbar und besitzt einen Ausgang V_A, der über einen Widerstand 325 auch mit Erde verbunden ist. Der zweite Spannungsregler 322 ist über einen veränderlichen Widerstand 326, der über den Ausgang V_A des ersten Reglers und einen zweiten Widerstand 327 mit Erde verbunden ist, einstellbar. Der zweite Spannungsregler erzeugt hierbei V_A+B und gibt diese Spannung aus. Die Ausgabe des ersten Zeitgebers 334 ist ein Impulszug mit einer bestimmten Frequenz, während die Ausgabe des zweiten Zeitgebers 336 ein Impulszug mit der bestimmten Frequenz und einer zur Codiererposition proportionalen Impulsbreite ist.
Die hohe und die tiefe Referenzspannung werden für jeden Servomotor einzeln und in Abhängigkeit von dem für den bestimmten Motor erforderlichen Bewegungsbereich gewählt. Folglich sind die Referenzspannungen, die zwei verschiedenen Potentiometern im Codierer zugeführt werden, unterschiedlich. Außerdem sind auch die Bereiche der Potentiometer in Abhängigkeit von den gelieferten Referenzspannungen unterschiedlich.
2. Andere Steuerschaltungen
Selbstverständlich können zusammen mit dem Potentiometercodierer andere Steuerschaltungen verwendet werden, wobei verschiedene Codierer verschiedene Steuerschaltungen erfordern können.
D. Das Servosystem
Die oben beschriebenen Codierer und Steuerschaltungen können zusammen mit verschiedenen Typen von Servosystemen verwendet werden. Diese können beispielsweise Servomotoren mit Rillenscheiben und Spannteilen, Direktantriebservomotoren, Hebeschrauben, Hydraulik und Pneumatik umfassen.
1. Servomotoren mit Rillenscheiben und Spannteilen
In den 13 bis 23 ist das Servosystem 16 zu sehen, das einen entsorgbaren Rillenscheibeneinsatz 402 aus Aluminium oder Spritzgusskunststoff sowie ein oberes und ein unteres Feld von Servomotoren 404, 406 umfasst. Der Rillenscheibeneinsatz 402 enthält vierzehn Rillenscheiben 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, die durch (nicht gezeigte) Lager aufgehängt sind. Sieben Rillenscheiben 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102 sind mit dem oberen Servomotorenfeld 404 in Eingriff, während sieben Rillenscheiben 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116 mit dem unteren Servomotorenfeld 406 in Eingriff sind. Die Rillenscheiben sitzen in Buchsen und sind sandwichartig zwischen den oberen und unteren Servomotoren angeordnet.
Wie in den 15 bis 18 am besten erkennbar ist, besitzt jede Rillenscheibe, z. B. 108, einen ersten zylindrischen Abschnitt 108a mit einer eine Schraube aufnehmenden Bohrung 108b, einen zweiten zylindrischen Abschnitt 108c mit einer eine Servomotorwelle aufnehmenden Bohrung 108d und ein Rillenscheibenrad 108e mit einem Nutenrand 108d. Das Rillenscheibenrad 108e ist in Längsrichtung von der Mitte der Rillenscheibe, die näher bei dem ersten zylindrischen Abschnitt liegt, versetzt und mit einem radialen Schlitz 108g versehen, der von der Nut 108f in der Radfelge zu der eine Schraube aufnehmenden Bohrung 108b verläuft. Die eine Schraube aufnehmende Bohrung 108b besitzt einen abgestuften Durchmesser, wobei der größere Abschnitt zur Aufnahme eines Schraubenkopfes 109a vorgesehen ist und der kleinere Abschnitt mit einem Gewinde versehen ist. Die Rillenscheiben sind in dem Rillenscheibeneinsatz so angeordnet, wie es in den 13 und 14 gezeigt ist, dass also die eine Welle aufnehmende Bohrung (z. B. 108d) einer Hälfte der Rillenscheiben nach oben gewandt ist und die Bohrung der anderen Hälfte der Rillenscheiben nach unten gewandt ist. Der Rillenscheibeneinsatz besitzt eine untere und eine obere Oberfläche, die asymmetrisch sind, damit die Oberseite und die Unterseite nicht verwechselt werden. An den Rillenscheiben, z. B. 108, sind Spannteile, z. B. 138, befestigt, indem die Enden des Spannteils um die Nut 108f im Rillenscheibenrad, durch den radialen Schlitz 108g und um die Spannteilfeststellschraube 109 geführt sind, wie in den 17 und 18 am besten zu erkennen ist. Die Feststellschraube 109 wird dann gegen das Spannteil 136 festgezogen.
Die Spannteile sind, wie in 14 gezeigt ist, durch den Rillenscheibeneinsatz geführt und verlassen diesen durch das Multi-Lumen-Rohr 150, das vorzugsweise starr am Rillenscheibeneinsatz angebracht ist, wie in 23 gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass die versetzten Rillenscheibenräder an sich gegenüberliegend angebrachten Rillenscheiben einen oberen und einen unteren Raum zwischen den Spannteilen schaffen, um ihr Hindurchführen durch den Einsatz zu erleichtern und um dadurch Raum zu sparen.
Der Rillenscheibeneinsatz 402 ist von zwei Servomotorenfeldern 404, 406 umfasst. Ein oberes Servomotorenfeld 404, das in den 20 und 22 gezeigt ist, enthält sieben Servomotoren 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, während ein unteres Servomotorenfeld 406, das in den 21 und 22 gezeigt ist, sieben Servomotoren 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86 enthält. Jeder Servomotor besitzt eine Keilwelle 60a, 62a, 64a, 66a, 68a, 70a, 72a, 74a, 76a, 78a, 80a, 82a, 84a, 86a, die in der eine Welle aufnehmenden Bohrung, z. B. 108d, einer jeweiligen Rillenscheibe sitzt. Die Keilwellen und die eine Welle aufnehmenden Bohrungen sind „selbstausrichtend". Das Servosystem wird zusammengefügt, indem die untere Oberfläche des Rillenscheibeneinsatzes so auf die obere Oberfläche des unteren Servomotorenfeldes gesetzt wird, dass die Keilwellen der Servomotoren in die eine Welle aufnehmenden Bohrungen der Rillenscheiben greifen. Die untere Oberfläche des oberen Servomotorenfeldes wird dann so auf die obere Oberfläche des Rillenscheibeneinsatzes gesetzt, dass die Keilwellen der Servomotoren in die eine Welle aufnehmenden Bohrungen der Rillenscheiben greifen. Die sandwichartige Anordnung aus Servomotorenfeldern und Rillenscheibeneinsatz wird dann verriegelt, um die in 23 gezeigte Anordnung zu schaffen.
Wie in 22 am besten zu erkennen ist, ist die obere Oberfläche des Rillenscheibeneinsatzes 402 mit einer Keilnut 402a versehen, während die untere Oberfläche des oberen Servomotorenfeldes 404 mit einer Keilnut 404a versehen ist, die mit der Keilnut 402a in Eingriff gelangt. Ähnlich ist die obere Oberfläche des unteren Servomotorenfeldes 406 mit einer Keilnut 406a versehen, während die untere Oberfläche des Rillenscheibeneinsatzes 402 mit einer Keilnut 402b versehen ist, die mit der Keilnut 406a in Eingriff gelangt. Somit ist es unmöglich, die Servomotorenfelder falsch mit dem Rillenscheibeneinsatz zu koppeln.
Wie oben erwähnt worden ist, ermöglicht das beschriebene Servosystem das Wiederverwenden eines Teils des Roboterwerkzeugs, während ein anderer Teil entsorgt werden kann, falls dies gewünscht wird. Insbesondere sind der Codierer, die Steuerschaltung und die Servomotoren wieder verwendbar. Die Rillenscheiben, die Spannteile, das Multi-Lumen-Rohr und die Roboterarme, die mit menschlichen Fluiden in Kontakt gelangen, können von den Servomotoren entkoppelt und nach Bedarf entsorgt werden. Außerdem ermöglicht das beschriebene Servosystem die Verwendung von mehreren verschiedenen Typen von Roboterarmen mit dem gleichen Codierer. Beispielsweise kann ein Typ von Roboterarmen zwei Greifer haben, während ein anderer Typ von Roboterarmen einen Greifer und eine Schneidvorrichtung usw. haben kann. Das Selbstausrichtungsmerkmal des Servosystems ermöglicht das schnelle Koppeln und Entkoppeln der Servomotoren und der Rillenscheiben, so dass während eines einzigen endoskopischen Eingriffs mit dem gleichen Codierer verschiedene Typen von Roboterarmen verwendet werden können.
2. Direktantrieb und Zugdraht
Gemäß einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist das Schulterdrehgelenk 160 (1) eines jeden Roboterarms (der weiter unten genau beschrieben ist) durch Direktantrieb anstatt durch Rillenscheibe und Spannteil mit einem entsprechenden Servomotor gekoppelt. Dies vereinfacht den Betrieb, wobei eine direkte Verbindung für diese Gelenke, die die höchsten Lasten tragen, besser ist. Außerdem ist, obwohl die oben beschriebenen Spannteile „Endlosschleifen" sind, das Spannteil, das den Greifer 172 steuert, vorzugsweise ein einzelner Zugdraht, der in der folgenden Besprechung der Roboterarme genau beschrieben wird.
Wie hier bereits angegeben worden ist, kann die Verwendung von Rillenscheiben in der Servobaugruppe eine positionelle Rückkopplung von den Roboterarmen (die weiter unten näher besprochen werden) erfordern, um den Schlupf und die Ausdehnung zu kompensieren, und erfordert die sorgfältige Ausrichtung der Servomotoren auf die Rillenscheiben (unter Verwendung der oben besprochenen selbstausrichtenden Keilwellen). Die Notwendigkeit einer positionellen Rückkopplung und der sorgfältigen Ausrichtung der Servomotoren erübrigt sich bei Verwendung von Hebschrauben anstelle von Rillenscheiben.
3. Hebeschrauben anstelle von Rillenscheiben
Wie in 24 gezeigt ist, besitzt eine Hebeschraube 508 eine Drehwelle 510, die zur Drehung in zwei Lagern 512, 514 gelagert ist. Ein Ende der Welle weist eine selbstausrichtende Kopplung 516 zum lösbaren Koppeln mit einem Servomotor 78 auf. Die Hälfte 510a der Welle weist ein Linksgewinde auf, während die andere Hälfte 510b der Welle ein Rechtsgewinde aufweist. Jede Hälfte der Welle weist eine aufgeschraubte Hebeschraubenmutter 518, 520 auf, wobei eine Führungsbahn (nicht gezeigt) die Muttern 518, 520 umfasst, um zu verhindern, dass sie sich beim Drehen der Welle 510 mitdrehen. Jede Hebeschraubenmutter weist eine ein Spannteil koppelnde Klemme 518a, 520a auf, wobei die zwei Enden einer Spannteilschleife 136 mit Hilfe der Spannteilkopplungsklemmen mit den jeweiligen Hebeschraubenmuttern gekoppelt sind. Wenn die Welle in der einen Richtung gedreht wird, werden die Hebeschraubenmuttern zur Mitte 510 der Welle getrieben. Wenn umgekehrt die Welle in der anderen Richtung gedreht wird, werden die Hebeschraubenmuttern von der Mitte 510c der Welle nach außen zu den Enden der Welle getrieben. Durch Verwendung von Hebeschrauben kann sich eine positionelle Rückkopplung erübrigen, da das Eingangssignal in einem 1:1-Verhältnis zur Position steht; jedoch kann die positionelle Rückkopplung von dem eigentlichen Endwirkmittel dennoch wünschenswert sein, um sie zur Kompensation des Schlupfs oder der Ausdehnung der verbindenden Spannteile oder Verbindungen zu nutzen.
Mit Hebeschrauben ist die Schnittstelle zu den Servomotoren weniger kritisch als mit Rillenscheiben. Der Grund dafür ist, dass zum Ausführen einer wahrnehmbaren Gelenkbewegung in Abhängigkeit von der Schraubensteigung mehrere Umdrehungen des Servomotors notwendig sind.
E. Die Roboterarme
1. Gelenkpfannen- und Gabelkopfanordnung
Die 25 bis 27 zeigen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform eines der zwei Roboterarme 18. Die Roboterarme kommen der Geometrie des Codierers sehr nahe, die der Geometrie der Arme des Arztes sehr nahe kommt. Jeder Roboterarm umfasst im Allgemeinen eine Schulter 600, einen Ellbogen 602, ein Handgelenk 604 und ein Paar Greifer 172 (172a, 172b). Die Schulter 600, der Ellbogen 602 und das Handgelenk 604 besitzen jeweils ein Drehgelenk 160, 164, 168 und ein Beugegelenk 162, 166, 170. Die Drehachse jedes Drehgelenks ist unabhängig von ihrer Dreh- oder Beugestellung stets senkrecht zur Beugungsachse des entsprechenden Beugegelenks. Es gibt daher drei Drehgelenke und drei Beugegelenke. Die gegenwärtig bevorzugten Gelenke sind als sich abwechselnde Gelenkpfannen- und Gabelkopfelemente gestaltet. Für die Drehung ist ein Gabelkopf in einer Gelenkpfanne angebracht, während für die Beugung eine Gelenkpfanne in einem Gabelkopf angebracht ist. Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform dieser Gelenkkonfiguration wird im Folgenden beschrieben.
In den 25–27 ist das erste Gelenk im Roboterarm das Schulterdrehgelenk 160, das proximal mit einem (nicht gezeigten) Direktantriebtorsionsrohr gekoppelt ist und einen distalen Schultergabelkopf 161 enthält. Das Schulterdrehgelenk 160 weist eine zylindrische Bohrung 160a auf, die in den Schultergabelkopf 161 führt.
Das zweite Gelenk ist das Schulterbeugegelenk 162, das durch Anbringen einer Ellbogengelenkpfanne 606 im Schultergabelkopf 161 gebildet ist. Die Ellbogengelenkpfanne 606 besitzt einen Schaft 608, der zwischen den Schenkeln des Schultergabelkopfes 161 angebracht ist. Am Ellbogengelenkpfannenschaft 608 zwischen den Schenkeln des Schultergabelkopfes 161 ist eine Rillenscheibe 610 für die Schulterbeugung angebracht, die um eine Achse drehbar ist, die zur Achse der Schulterdrehung senkrecht ist. Um die Rillenscheibe 610 für die Schulterbeugung und um den Schaft 608 der Ellbogengelenkpfanne 606 ist ein Spannteil 120 für die Schulterbeugung geführt, wie weiter unten näher beschrieben wird. Das Spannteil 120 führt proximal durch die Bohrung 160a in das Schulterdrehgelenk 160 und zurück zu dem oben beschriebenen Rillenscheibeneinsatz.
Das dritte Gelenk ist das Ellbogendrehgelenk 164, das durch die Ellbogengelenkpfanne 606 und einen Ellbogengabelkopf 612 gebildet ist, der einen Schaft 614 besitzt, der in der zylindrischen Bohrung 616 der Ellbogengelenkpfanne 606 drehbar angebracht ist. An der Ellbogengelenkpfanne 606 ist eine Rillenscheibe 618 für die Ellbogendrehung angebracht, die um eine Achse drehbar ist, die zur Drehachse des Ellbogengabelkopfes 612 senkrecht ist. Ein Spannteil 122 für die Ellbogendrehung ist um die Rillenscheibe 618 für die Ellbogendrehung und um den Ellbogengabelkopfschaft 614 geführt, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Das vierte Gelenk ist ein Ellbogenbeugegelenk 166, das durch Anbringen einer Handgelenkpfanne 620 im Ellbogengabelkopf 612 gebildet ist. Die Handgelenkpfanne 620 gleicht der Ellbogengelenkpfanne 606 und besitzt einen Schaft 622, der zwischen den Schenkeln des Ellbogengabelkopfes 612 angebracht ist. Am Handgelenkpfannenschaft 622 zwischen den Schenkeln des Ellbogengabelkopfes 612 ist eine Rillenscheibe 624 für die Ellbogenbeugung angebracht, die um eine Achse drehbar ist, die zur Achse der Ellbogendrehung senkrecht ist. Ein Spannteil 124 für die Ellbogenbeugung ist um die Rillenscheibe 624 für die Ellbogenbeugung und um den Schaft 622 der Handgelenkpfanne 620 geführt, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Das fünfte Gelenk ist das Handdrehgelenk 168, das durch die Handgelenkpfanne 620 und einen Handgelenkgabelkopf 626 gebildet ist, der einen Schaft 628 besitzt, der in der zylindrischen Bohrung 630 der Handgelenkpfanne 620 drehbar angebracht ist. An der Handgelenkpfanne 620 ist eine Rillenscheibe 632 für die Handgelenkdrehung angebracht, die um eine Achse drehbar ist, die zur Drehachse des Handgelenkgabelkopfes 626 senkrecht ist. Ein Spannteil 126 für die Handgelenkdrehung ist um die Rillenscheibe 632 für die Handgelenkdrehung und um den Handgelenkgabelkopfschaft 628 geführt, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Das sechste Gelenk ist das Handbeugegelenk, das durch Anbringen eines Paars Greifer 172 zwischen den Schenkeln des Handgelenkgabelkopfes 626 gebildet ist. An einem der Greifer, z. B. 172a, zwischen den Armen des Handgelenkgabelkopfes 626 ist eine Rillenscheibe 634 für die Handgelenkbeugung angebracht, die um eine Achse drehbar ist, die zur Achse der Handgelenkdrehung senkrecht ist. Ein Spannteil 128 für die Handgelenkbeugung ist um die Rillenscheibe 634 für die Handgelenkbeugung geführt, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Die Greifer 172a, 172b sind durch eine Schraubenfeder 172c in die geöffnete Stellung vorbelastet, wie in 27 gezeigt ist. Jeder Greifer ist mit einer Bohrung zur Aufnahme eines Greiferspannteils 129, das in einer Spannteilhülle 129a axial beweglich ist, versehen. Das Greiferspannteil 129 geht frei durch die Bohrung im ersten Greifer 172a und die Schraubenfeder 172c und ist in der Bohrung des zweiten Greifers 172b befestigt. Die Spannteilhülle 129a liegt an der äußeren Oberfläche des ersten Greifers 172a an. Wenn das Greiferspannteil 129 in proximaler Richtung axial durch die Spannteilhülle 129a gezogen wird, drücken das distale Ende des Greiferspannteils und das distale Ende der Spannteilhülle die Greifer entgegen der Kraft der Feder in die in 26 gezeigte geschlossene Stellung zusammen. Wenn das Greiferspannteil freigegeben wird, stellt die Feder die Greifer in die in 27 gezeigte geöffnete Stellung zurück. Der erste Greifer 172a ist der Handfläche der Hand des Chirurgen vergleichbar, während der zweite Greifer 172b einem schwenkenden Daumen vergleichbar ist.
Der Roboterarm 18 besitzt eine Gesamtdicke von etwa 6,25 mm, wobei die relative Größe jedes Gelenks zur Größe der entsprechenden Teile eines menschlichen Arms proportional ist. Die Spannteile sind vorzugsweise dünne Drähte mit mehreren Litzen. Die proximalen Gelenke können stärkere Drähte als die distalen Gelenke verwenden. Die Beugegelenke können dickere Drähte als die Drehgelenke verwenden. Jedes Spannteil besitzt vorzugsweise seine eigene Hülle, mit Ausnahme des Spannteils 120 für die Schulterbeugung, das vom Rillenscheibeneinsatz zum Schulterbeugegelenk geradlinig verläuft. Alle Spannteile außer dem Spannteil für die Schulterbeugung sind vorzugsweise in einem Hohlraum des Multi-Lumen-Rohrs geführt und gelangen zu den Rillenscheiben am Roboterarm durch Bohrungen in den jeweiligen Gelenken.
2. Rillenscheiben und Spannteile für die Drehung und die Biegung
Die 28 bis 31 zeigen Einzelheiten der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Ellbogen- und Handdrehgelenke. Wie in den 28 und 31 am besten zu erkennen ist, besitzt die Rillenscheibe 618 für die Drehung zwei Schichten bzw. Schalen mit einer oberen Spannteilnut 618a und einer unteren Spannteilnut 618b und ist tangential zur Gelenkpfanne 606 mit einer Schraube 618c, die durch eine Bohrung 618d in der Rillenscheibe 618 geht, angebracht. Die Rillenscheibe besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 0,180''. Die Nuten 618a, 618b besitzen eine Breite von etwa 0,15'', während der Durchmesser des Bodenabschnitts der Rillenscheibe etwa 0,140'' beträgt.
Der Schaft 614 des Gabelkopfes 612 weist eine um den Umfang verlaufende Montagenut 614a auf, die verwendet wird, um ihn in der Gelenkpfanne 606 zu halten, wobei das Ende der Schraube 618c zu diesem Zweck in die Nut 614a greifen kann. An einem Abschnitt des Schafts außerhalb und in unmittelbarer Nähe der Gelenkpfanne 606 ist eine Drehwalze 614b vorgesehen. Die Drehwalze ist durch zwei Ringe 614c, 614d und einen Flansch 614e mit zunehmendem Außendurchmesser gebildet. Der Durchmesser des ersten Rings 614c beträgt vorzugsweise etwa 0,170'', wobei sich der Ring über eine Länge von etwa 0,030'' erstreckt. Der Durchmesser des zweiten Rings 614d beträgt vorzugsweise etwa 0,20'', wobei sich der Ring über eine Länge von etwa 0,040'' erstreckt. Der Durchmesser des Flanschs beträgt vorzugsweise etwa 0,250". Der Flansch 614e weist eine erste Längsbohrung 614f und eine zweite Längsbohrung 614g auf, die radial voneinander beabstandet sind, wie in den 28 und 29 am besten zu erkennen ist. Der zweite Ring 614d weist eine Längsbohrung 614h auf, die radial auf die zweiten Bohrung 614g im Flansch 614e ausgerichtet ist. Die Bohrungen bilden einen Pfad für das Spannteil für die Drehung, wie weiter unten beschrieben wird.
Das Spannteil 122 für die Drehung führt etwa 90° um die untere Spannteilnut 618b der Rillenscheibe 618, verläuft dann in einem im Wesentlichen rechten Winkel und führt etwa 180° um den ersten Ring 614c der Drehwalze 614b. Das Spannteil führt dann in die Bohrung 614h des zweiten Rings und durch die Bohrung 614g des Flanschs. Das Spannteil wendet um etwa 180°, geht darin durch die Bohrung 614f im Flansch und führt etwa 180° um den zweiten Ring 614d der Drehwalze in eine zur Schleife um den ersten Ring der Drehwalze entgegengesetzte Richtung. Das Spannteil verlässt die Drehwalze in einem im Wesentlichen rechtwinkligen Schwenk und führt etwa 90° um die obere Spannteilnut 618a der Rillenscheibe. Die Schichten bzw. Schalen der Rillenscheibe und der zunehmende Durchmesser der Drehwalze verhindern, dass das Spannteil 122 sich selbst überkreuzt und infolge des Reibungskontakts eine vorzeitige Abnutzung erfährt. Die Bohrungen in der Drehwalze verankern das Spannteil, so dass es nicht vom zweiten Ring auf den ersten Ring gleitet.
Aus dem Vorhergehenden und aus der obigen Beschreibung des Servosystems erkennen Fachleute, dass die Drehung der Spannteilschleife 122 auf Seiten des Servosystems zu einer Drehung des Gabelkopfes im Roboterarm führt. Dieser Entwurf ermöglicht eine Drehung der Drehgelenke bis zu etwa 270°.
Die 32 und 33 zeigen Einzelheiten der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Schulter-, Ellbogen- und Handbeugegelenke. Die Gabelkopfarme 612a, 612b sind mit einem Gabelkopfstift 612c (einer Gabelkopfschraube) versehen, auf dem der Schaft 622 einer entsprechenden Gelenkpfanne 620 drehbar angebracht ist. Zwischen den Gabelkopfschenkeln 612a, 612b ist außerdem eine Rillenscheibe 624 für die Beugung angebracht, die mit dem Gelenkpfannenschaft 622 gekoppelt ist. Der Gelenkpfannenschaft 622 ist mit einem Gewindeloch 622a mit einer Spannteilfeststellschraube 622b, die sich zwischen der Rillenscheibe 624 für die Beugung und der Gelenkpfanne 620 befindet, versehen. Das Spannteil 124 für die Beugung führt etwa 90° um eine Seite der Rillenscheibe 624, etwa zur Hälfte um den Gelenkpfannenschaft 622, ist dann um die Spannteilfeststellschraube 622b geschleift, verläuft um die andere Hälfte des Gelenkpfannenschafts 622 und führt etwa 90° um die andere Seite der Rillenscheibe 624 für die Beugung.
3. Weg des Spannteile-, Direktantrieb-Schulter-Zugdrahts für Greifer
Wie oben erwähnt worden ist, ist jedes der Spannteile 122–129 durch seine eigene Hülle geschützt und führt durch einen Hohlraum in dem Multi-Lumen-Rohr 150, wie in 34 gezeigt ist. Das Spannteil 120 für die Beugung ist vorzugsweise direkt durch das Torsionsrohr 160, das das Schulterdrehgelenk bildet, zu dem Schulterbeugegelenk geführt. Selbstverständlich ist das Spannteil 129 dann, wenn die Greifer durch eine Zugdrahtanordnung aktiviert werden, keine Spannteilschleife wie die anderen Spannteile.
4. Andere Endwirkmittel
Obwohl die oben beschriebenen Roboterarme mit Greifern und Endwirkmitteln gezeigt worden sind, könnten die Arme selbstverständlich mit irgendeinem Typ von Endwirkmittel wie etwa einer Schneidvorrichtung, einem Dissektor, einem Bioptom usw. versehen sein. Ebenso selbstverständlich ist, dass die Endwirkmittel ohne weiteres mit der Fähigkeit entweder zur monopolaren oder zur bipolaren Kauterisation versehen werden können. Zusätzlich könnten entweder die Endwirkmittel oder das Multi-Lumen-Rohr mit der Fähigkeit zur Absaugung und/oder Spülung versehen werden.
5. Auswechselbare Endwirkmittel
Wie oben erwähnt worden ist, können die Endwirkmittel im Verlauf eines Eingriffs ausgetauscht werden, indem die Rillenscheibeneinsatz-/Multi-Lumen-Rohr-/Roboterarme-Anordnung von den Servomotorenfeldern gelöst wird. Zusätzlich ist es jedoch möglich, an den distalen Enden der Roboterarme auswechselbare Endwirkmittel vorzusehen, damit die Roboterarme für einen bestimmten Eingriff gestaltet werden können. Da der Greifer durch einen einzigen Spannteilzugdraht gesteuert wird, kann er beispielsweise mit dem Handgelenk lösbar gekoppelt sein, während der Zugdraht lösbar mit dem Greifer gekoppelt sein kann.
F. Rückkopplungsmittel
1. Visuelle Rückkopplung für den Arzt
a. Faseroptik und Videokamera
Wie in dem Übersichtsabschnitt oben erwähnt worden ist, umfasst eine Ausführungsform des endoskopischen Roboterwerkzeugs am distalen Ende des Multi-Lumen-Rohrs 150 (1) eine Linse, die mit einer Fernsehkamera optisch gekoppelt ist. Typischerweise ist die Linse ein „Fischauge" oder ein anderer Typ von Weitwinkellinse 180, wobei die optische Kopplung über Faseroptik oder ein starres Relaislinsensystem erfolgt. Ein Relaislinsensystem ist mit der Linse optisch gekoppelt und erstreckt sich durch das Rohr zum proximalen Ende des Rohrs, wo es mit einem CCD-Video-Bildgleichrichter oder einer ähnlichen Vorrichtung optisch gekoppelt ist. Ein Lichtleitfaserbündel ist mit einer Lichtquelle optisch gekoppelt und verläuft durch das Rohr unter der Fischaugenlinse. Das auf der CCD gebildete Bild wird durch eine Videoschaltung verarbeitet und zu einem Sichtgerät 182 übertragen, um vom Arzt betrachtet zu werden.
Vorzugsweise ist für den Assistenten des Arztes ein weiteres Sichtgerät vorgesehen.
b. Stereoskopisch
Die oben beschriebene grundlegende Videorückkopplung kann auf verschiedene Weise erweitert sein. Die Videoschaltung kann beispielsweise mit Mitteln zum horizontalen Umsetzen des Bildes versehen sein, so dass der sensorische Effekt des Betrachtens der chirurgischen Stelle dem Schauen in einen Spiegel vergleichbar ist. Manche Ärzte können diese umgesetzte Sicht als einfacher zum Koordinieren der Roboterarmbewegungen empfinden. Darüber hinaus kann eine stereoskopische visuelle Rückkopplung geschaffen werden, indem eine zweite Linsen-, Relaislinsen- und CCD-Anordnung verwendet wird oder indem das durch eine Linse gebildete Bild verarbeitet wird. Bei einer ausreichend hohen Auflösung der CCD können beispielsweise verschiedene Abschnitte des auf der CCD gebildeten Bildes selektiert und an getrennten Sichtgeräten, wovon sich eines links und das andere rechts befindet, angezeigt werden, um eine stereoskopische Ansicht der chirurgischen Stelle zu simulieren. Zusätzlich kann die stereoskopische Ansicht durch Verwendung von „Brillen"-Sichtgeräten, die ein kleines, hochauflösendes Sichtgerät direkt vor den Augen des Arztes anordnen, erweitert werden. Dadurch kann der Arzt während des Eingriffs auch eine bequeme Kopfstellung annehmen, was während eines längeren Eingriffs weniger ermüdend ist.
c. Nicht sichtbares Spektrum
Selbstverständlich muss die visuelle Rückkopplung nicht auf visuellen Informationen oder auf Informationen, die für das menschliche Auge sichtbar sind, basieren. Die Sichtanzeige kann numerische Daten, die sich auf die Lebenszeichen des Patienten beziehen, Koordinaten, die den Ort der Roboterarme im Körper des Patienten angeben, und andere Daten umfassen. Diese Daten können alphanumerisch oder graphisch angezeigt werden. Die visuellen Informationen von der endoskopischen Linse können das umfassen, was durch die Verwendung einer Breitband-CCD und von elektronischen Videofiltern in sichtbarem Licht, Infrarot und Ultraviolett zu sehen ist. Außerdem kann eine Röntgenstrahlen- oder Sonographieeinrichtung über der chirurgischen Stelle angeordnet sein, um eine visuelle „Straßenkarte" des Körpers des Patienten zu liefern. Das Röntgenbild oder Ultraschallbild kann dem von der endoskopischen Linse gelieferten sichtbaren Bild überlagert werden. Die Inhalte und das Format der Sichtanzeige kann vom Arzt nach eigener Präferenz vorkonfiguriert werden, indem er die Videoschaltung beispielsweise über eine Tastatur einstellt. Die Wahl unter verschiedenen Anzeigeinhalten und/oder verschiedenen Formaten kann im Verlauf des Eingriffs über einen Fußschalter oder einen Schalter am Pistolengriff des Codierers umgeschaltet werden.
2. Servopositionsrückkopplung
Es kann notwendig oder wünschenswert sein, eine positionelle Rückkopplung für das Servomotorensystem vorzusehen. Fachleuten ist klar, dass jedes oben beschriebene Gelenk mit einem Positionswandler versehen sein kann, der eine Rückmeldung, dass sich die Roboterarme durch die Servomotoren, die Spannteile und die Rillenscheiben wirklich in die gewünschte Position bewegt haben, an die Steuerschaltung liefert.
3. Sensorische Codiererrückkopplung
Wie oben erwähnt worden ist, kann es auch vorteilhaft sein, dem Arzt über die Codierereinheit eine sensorische Rückkopplung zu verschaffen. Die nützlichste Art der Rückkopplung ist die Kraftrückkopplung auf den Auslöser, wie oben beschrieben worden ist. Jedoch kann auch eine andere Rückkopplung wie etwa eine Temperaturrückkopplung oder eine Zugrückkopplung sinnvoll sein.
G. Das Multi-Lumen-Rohr
Die 1, 23 und 34 zeigen das distale Ende des Multi-Lumen-Rohrs 150, wobei zwei Roboterarme 18 von diesem wegführen. Einer der Hohlräume des Multi-Lumen-Rohrs ist für ein Endoskop 180 vorgesehen. Wenigstens ein weiterer Hohlraum ist für die Zuführung von Zubehör wie etwa Nadeln, Nähmaterial, Arterienklemmen usw. zur Verwendung durch die Roboterarme vorgesehen. Weitere Hohlräume können für die Spülung und/oder Absaugung oder für die Beleuchtung vorgesehen sein.
Das Multi-Lumen-Rohr ist vorzugsweise steif, etwa 15 mm im Durchmesser und vorzugsweise über im Wesentlichen seine gesamte Länge mit einer TEFLON-Hülle bedeckt. Fachleuten ist jedoch klar, dass das Multi-Lumen-Rohr hei einigen geringfügigen Abgleichungen mit dem beschriebenen System flexibel gehalten sein könnte.
H. Fernkommunikation
Wie oben erwähnt worden ist, kann das hier beschriebene Roboterwerkzeug in der Weise verwendet werden, dass sich der Arzt in einer relativ großen Entfernung vom Patienten befindet. Da der Codierer und das Rückkopplungssystem elektronisch mit dem Servosystem, dem Endoskop usw. verbunden sind, gibt es praktisch keine Grenze für die Entfernung, die den Arzt vom Patienten trennt. Somit kann ein erfahrener Arzt in einem Notfall für einen viele Meilen entfernten Patienten verfügbar sein. Außerdem muss ein Arzt, falls sich ein Patient in einer gefährlichen Umgebung wie etwa einem Schlachtfeld befindet, nicht denselben Wagnissen ausgesetzt werden, um unter Verwendung der hier beschriebenen Werkzeuge einen Eingriff vorzunehmen. Darüber hinaus ermöglichen die hier beschriebenen Werkzeuge in Fällen einer äußerst ansteckenden Krankheit dem Arzt, sicher vom Patienten isoliert zu sein. Fachleute auf dem Gebiet der Telekommunikation wissen, wie einfach es ist, zwischen dem Arzt und dem Roboterwerkzeug eine Kommunikationsverbindung herzustellen.
Es sind hier mehrere Ausführungsformen von endoskopisch-chirurgischen Roboterwerkzeugen und – verfahren beschrieben und gezeigt worden. Obwohl besondere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, ist dies nicht so auszulegen, dass die Erfindung darauf begrenzt ist, sondern vielmehr, dass die Erfindung im Umfang so weitgehend ist, wie es die Technik zulässt, und dass die Patentbeschreibung in diesem Sinne zu lesen ist. Es ist deshalb Fachleuten klar, dass noch andere Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden könnten, ohne von ihrem so beanspruchten Umfang abzuweichen.

Claims

Endoskopischer Roboterarm (18) für die Verwendung in einem chirurgischen, endoskopischen Instrument, umfassend Codiermittel (12) für die Kodierung der Bewegungen eines Arms eines Arztes, Steuermittel (14), die für die Umsetzung der Bewegungen des Arms des Arztes in übertragbare Signale mit den Codiermitteln verbunden sind und Antriebsmittel (16), die für die Erzeugung mechanischer Arbeit in Reaktion auf die übertragbaren Signale mit den Steuermitteln verbunden sind, wobei der genannte Roboterarm (18) Folgendes umfasst: ein Handdrehgelenk (168) für die Reproduzierung der Handgelenksdrehung des Arms des Arztes; und ein Handbeugungsgelenk (170) für die Reproduzierung der Handgelenksbeugung des Arms des Arztes; der durch Folgendes gekennzeichnet ist: ein Schulterdrehgelenk (160) für die Reproduzierung der Schulterdrehung des Arms des Arztes; und ein Schulterbeugungsgelenk (162) für die Reproduzierung der Schulterbeugung des Arms des Arztes; ein Oberarmdrehgelenk (164) für die Reproduzierung der Oberarmdrehung des Arms des Arztes; und ein Ellbogenbeugungsgelenk (166) für die Reproduzierung der Ellbogenbeugung des Arms des Arztes; und Mittel (610, 122, 124, 126) zur Verbindung jedes der Gelenke mit den Antriebsmitteln.
Endoskopischer Roboterarm gemäß Anspruch 1, wobei das genannte Schulterbeugungsgelenk (162) einen ersten Gabelkopf (161) mit einem ersten Paar aus Gabelkopfarmen und einen ersten Biegearm (608), der drehbar zwischen dem ersten Paar aus Gabelkopfarmen angeordnet ist, beinhaltet.
Endoskopischer Roboterarm gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das genannte Oberarmdrehgelenk (164) eine erste Muffe (606) und einen ersten Drehzapfen (614), der drehbeweglich in der genannten ersten Muffe (606) befestigt ist, beinhaltet, wobei die genannte erste Muffe mit dem distalen Ende des genannten ersten Biegearms (608) verbunden ist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß Anspruch 3, wobei der genannte erste Drehzapfen (614) einen gestuften Durchmesser aufweist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das genannte Ellbogenbeugungsgelenk einen zweiten Gabelkopf (612) mit einem zweiten Paar aus Gabelkopfarmen und einen zweiten Biegearm (622), der drehbar zwischen dem zweiten Paar aus Gabelkopfarmen angeordnet ist, beinhaltet, wobei der genannte zweite Gabelkopf mit dem distalen Ende des genannten ersten Drehzapfens verbunden ist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das genannte Handrehgelenk (168) eine zweite Muffe (620) und einen zweiten Drehzapfen (628), der drehbeweglich in der genannten zweiten Muffe befestigt ist, beinhaltet, wobei die genannte zweite Muffe mit dem distalen Ende des genannten zweiten Biegearms (622) verbunden ist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß Anspruch 6, wobei der genannte zweite Drehzapfen (628) einen gestuften Durchmesser aufweist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das genannte Handbeugungsgelenk einen dritten Gabelkopf (626) mit einem dritten Paar aus Gabelkopfarmen und einen dritten Biegearm (172), der drehbar zwischen dem dritten Paar aus Gabelkopfarmen angeordnet ist, beinhaltet, wobei der genannte dritte Gabelkopf mit dem distalen Ende des genannten zweiten Drehzapfens (628) verbunden ist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Verbindung des genannten Oberarmdrehgelenks (164), des genannten Ellbogenbeugungsgelenks (166), des genannten Handdrehgelenks (168), des genannten Handbeugungsgelenks (168) jeweils eine Spannkabelschleife (122, 124, 126) beinhalten, die mit einer Treibrolle (618, 624, 632, 634) verbunden ist.
Endoskopischer Roboterarm gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Verbindung jedes der genannten Gelenke mit den Antriebsmitteln eine Multi-Lumen-Röhre und eine Treibrollenschale beinhalten, die mit einem proximalen Ende der genannten Multi-Lumen-Röhre verbunden ist.