DE10012560A1 - Roboterendoskop und autonomer Rohrroboter zur Durchführung von endoskopischen Verfahren - Google Patents

Abstract

Roboterendoskop zur Durchführung von endoskopischen Verfahren in einem rohrförmigen Organ, wobei das Roboterendoskop folgendes aufweist: (a) eine Vielzahl von Segmenten (2), die über eine Vielzahl von biegsamen Gliederverbindungen (3) miteinander verbunden sind und ein distales Ende haben; (b) eine Vielzahl von biegsamen linearen Vortriebselementen (11), die in bezug auf die Längsachse des Roboters schräg seitlich in Umfangsrichtung um jedes Segment (2) herum angebracht sind; (c) einen zentralen Hohlraum (8), der sich in Längsrichtung durch den Roboter erstreckt und eine Vielzahl von Lichtleitern, einen Wasser-/Luftschlauch, einen Instrumentenkanal und eine Vielzahl von elektrischen Drähten aufnimmt, die einer am distalen Ende des Roboters angebrachten Abbildungseinrichtung (7) zugeordnet sind und (d) ein Netz von Nebenkanälen (13) für die Verteilung von Druck zu den linearen Vortriebselementen (11). Die Erfindung beschreibt ferner einen autonomen Rohrroboter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Roboterendoskop zur Durchführung von Untersuchungs- und endoskopischen Verfahren, insbesondere einen selbstgetriebenen rohrförmigen Roboter und einen autonomen Rohrroboter, die imstande sind, sich in einem langgestreckten Durchgang, und zwar entweder einem geraden oder gekrümmten Durchgang, mit einer starren oder elastischen rohrförmigen Wand vorwärts zu bewegen.

Endoskope sind nützliche medizinische Vorrichtungen zum Prüfen und Untersuchen des Inneren bestimmter menschlicher Organe, die der Untersuchung durch einen Arzt sonst nicht zugänglich sind. Eine endoskopische Untersuchung wie etwa eine Koloskopie ist ein Vorgang, der sehr hohe technische Anforderungen stellt. Es ist eine Kunst, die vom Arzt verlangt, ein nahezu zwei Meter langes biegsames Rohr durch einen vielfach gewundenen Dickdarm fortzubewegen und dabei einerseits minimale Unannehmlichkeiten zu verursachen und andererseits eine gründliche Untersuchung durchzuführen.

Die meisten erfahrenen Endoskopanwender arbeiten mit ähnlichen endoskopischen Techniken. In den Dickdarm wird Luft gepumpt, um ihn zu erweitern und das Einführen des biegsamen Rohrs zu erleichtern. Die Einführungskraft auf die Vorrichtung muß sanft sein, um ein Dehnen der Kolonwand oder des Mesenteriums, was Schmerzen oder eine Perforation der Wand verursachen könnte, zu vermeiden. Das Kolonoskop wird durch die schiebende Tätigkeit der Hand des Endoskopanwenders bis zum Blinddarm unter direkter endoskopischer Beobachtung bewegt, die dem Arzt durch die Faseroptik oder CCD-Kameras ermöglicht wird. Das Lumen sollte ständig in Sicht gehalten werden, so daß kein oder nur ein geringer Teil des Vorgangs blind durchgeführt wird. Eine Vielzahl von "Vor-und-Zurück"-Manövern wird angewandt, um den Kolon "akkordeonartig" auf das Kolonoskop zu bringen, wobei das Kolonoskop möglichst weitgehend frei von Schlingen gehalten wird. Schieben ist jedoch nicht die einzige damit zusammenhängende Handlung. Es wird hohe Geschicklichkeit verlangt, um das Kolonoskop am distalen Ende zu ziehen, zu schlängeln und zu rütteln. Auf den Bauch des Patienten kann Druck aufgebracht werden, um Schlingenbildung und Unannehmlichkeiten zu minimieren. Bei einem schwierigen Kolon werden spezielle Manöver (beispielsweise Verkleinern der "Alphaschlinge" im Colon sigmoideum) angewandt, um die scharf abgewinkelte Verbindung zwischen Colon sigmoideum und Colon descendens zu passieren. In einem solchen Fall wird auch ein Verdrehen des Kolonoskops erforderlich.

Die genaue Untersuchung der Schleimhaut wird sowohl durchgeführt, während das Kolonoskop eingeführt wird, als auch beim langsamen Entfernen desselben vom Blinddarm. Wenn das Kolonoskop frei von Schlingen gehalten wird, spricht die Spitze gut an, und die Untersuchung wird erleichtert. Das gilt insbesondere, wenn ein therapeutisches Verfahren (wie etwa eine Polypenabtragung) durchzuführen ist, weil große, redundante Schlingen des Kolonoskops die Steuerung des Vorderendes sehr erschweren können. Manchmal kann der Endoskopanwender das Endoskop "zum Wackeln bringen", um den Kolon auf den Schaft des Endoskops aufzufalten. Das bedingt rasche Auf/Abbewegungen oder Bewegungen des Endoskops von einer Seite zur anderen. Der Hauptzweck des Wackelns besteht darin, den Teil des Einführungsrohrs, der sich im Körper befindet, zu verkürzen. Dadurch wird er gerade gehalten.

Der Grundvorgang des Manövrierens des Kolonoskop-Endes durch die vielen Krümmungen des Kolons erfordert jahrelange Praxis und Übung. Während des Vorgangs kann das Lumen aus der Sicht des Arztes verschwinden, was zu einem "Red-out" führt, wenn das Vorderende an der Dickdarmwand anliegt, oder zu einem "White- out" führt, wenn das Vorderende die Dickdarmwand gedehnt wird. Wenn das geschieht, kann ein unerfahrener Endoskopanwender vielleicht die Orientierung verlieren und Schwierigkeiten beim Suchen des Lumens bekommen. Infolgedessen kann eine Perforation des Kolons auftreten. Außerdem können abrupte Bewegungen des Endoskops dazu führen, daß die Innenwand des Kolons angerissen wird, was wiederum zu starken Blutungen führen kann. Es gibt auch Fälle, in denen ein Einschieben des Endoskops nicht in einer Vorwärtsbewegung des distalen Endes resultiert. Stattdessen werden Schlingen gebildet, die in einer übermäßigen Aufweitung der Kolonwandungen resultieren können. Das heutige Kolonoskop verlangt außerdem vom Endoskopanwender, daß er die Steuereinrichtung in einer Hand hält, so daß nur eine Hand verbleibt, um das Einführungsrohr zu schieben oder zu ziehen. Ein zu starkes Verdrehen des Einführungsrohrs kann zu Schleifen führen, wodurch alles noch komplizierter wird. Abgesehen davon, daß die Steuereinrichtung sperrig ist, ist das Halten der Steuereinrichtung über längere Zeiträume für den Endoskopanwender ermüdend.

Der Vorgang der Kolonoskopie ist stark von der Geschicklichkeit des Endoskopanwenders abhängig. Ein erfahrener Endoskopanwender führt eine gründlichere, weniger schmerzhafte Untersuchung in kürzerer Zeit durch als ein unerfahrener Endoskopanwender. Ein geschickter Endoskopanwender hat normalerweise kaum Probleme, das Kolonoskop bis zum Blinddarm eines "normalen" Kolons zu bewegen. Es treten jedoch Schwierigkeiten auf beim Vorwärtsbewegen des Kolonoskops durch einige "problematische" Dickdärme. Das ist der Fall, wenn sehr spitze oder fixierte Krümmungen angetroffen werden. In diesem Fall führt ein Weiterschieben des Kolonoskops nur zu einer Aufweitung der Wandungen des distalen Kolons. Eine Verformung der Gestalt und des Profils des Kolons infolge von früheren operativen Eingriffen kann dieses Problem noch vergrößern. Ein selbstgetriebenes Roboterendoskop mit einem Bewegungsmechanismus an seinem distalen Ende löst viele Fortbewegungsprobleme, was im Gegensatz zu dem problematischen Schiebeformat herkömmlicher Kolonoskope steht.

In der chemischen Industrie und der Ölindustrie ist die Durchführung von Charakterisierungs- und Prüfaktivitäten in Rohrleitungssystemen in bezug auf Dekontaminierungs-, Demontage- und Wartungshandlungen kritisch. Es gibt moderne Technologien zur Inspektion großer Rohrleitungssysteme. Die Fähigkeit, Rohrsysteme mit kleinem Durchmesser präzise zu charakterisieren und zu untersuchen, ist jedoch selten. Rohre mit kleinem Durchmesser (weniger als 76,2 mm) werden im allgemeinen miteinander verbunden, um dreidimensionale Konstruktionen zu bilden, die aus horizontalen und vertikalen Rohren bestehen. Die Inspektion solcher Rohrleitungssysteme würde einen selbstgetriebenen rohreigenen Roboter erfordern, der sich nicht nur gegen die Schwerkraft fortbewegt, sondern auch scharfe Krümmungen traversieren kann. Das Ziel des Roboters ist es, Abbildungen der Innenwandungen der Rohre während seiner Fortbewegung in die Rohre zurückzusenden. Er muß auch fähig sein, in einer gewünschten Richtung weiterzugehen, wenn er eine Verbindungsstelle mit zwei oder mehr alternativen Routen erreicht.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Roboterendoskop zur Durchführung von endoskopischen Vorgängen in einem rohrförmigen Organ, wobei das Roboterendoskop folgendes aufweist: (a) eine Vielzahl von Segmenten, die durch eine Vielzahl von biegsamen Gliederverbindungen miteinander verbunden sind und ein distales Ende haben; (b) eine Vielzahl von biegsamen linearen Vortriebselementen, die schräg seitlich in bezug auf die Längs- (oder diametrale) Achse des Roboters in Umfangsrichtung um jedes Segment herum angebracht sind; (c) einen zentralen Hohlraum, der in Längsrichtung durch den Roboter verläuft und eine Vielzahl von Lichtleitern, einen Wasser-/Luft-Schlauch, einen Instrumentenkanal und eine Vielzahl von elektrischen Drähten, die einer am distalen Ende des Roboters angebrachten Abbildungseinrichtung zugeordnet sind, enthält; und (d) ein Netz von Nebenkanälen zur Verteilung von Druck auf die linearen Vortriebselemente.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Roboterendoskops und eines autonomen Rohrroboters, die imstande sind, sich in einem langgestreckten Durchgang fortzubewegen, der eine starre oder elastische rohrförmige Wandung hat, wobei eine Vielzahl von Gliederverbindungen dem Roboter erlaubt, sich an die unterschiedlichen Biegungen und Krümmungen anzupassen, die in dem Organ eines menschlichen Körpers vorhanden sind.

Ein Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, ein Roboterendoskop und einen autonomen Rohrroboter anzugeben, wobei eine Vielzahl von biegsamen linearen Vortriebselementen in Umfangsrichtung um jedes Segment herum angebracht ist und diese Vortriebselemente durch pneumatischen oder hydraulischen Druck angetrieben werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Roboterendoskops und eines autonomen Rohrroboters, wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um die Sequenz zu steuern, in der die linearen Betätigungselemente angetrieben werden.

Ferner ist ein Vorteil der Erfindung die Bereitstellung eines Roboterendoskops und eines autonomen Rohrroboters, bei dem der Roboter imstande ist, sich in Rohren mit kleinem Durchmesser fortzubewegen.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des rohrförmigen Roboters gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Endansicht von vorne, die den rohrförmigen Roboter gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine Teilschnittdarstellung der distalen Segmente des in Fig. 1 gezeigten Roboters;

Fig. 4 eine Teilschnittansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Roboters gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Gangartfolge, die angewandt wird, um den Roboter gemäß der Erfindung fortzubewegen;

Fig. 6 ein Flußdiagramm einer Steuereinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine Gangart, bei der die Gruppen von Vortriebsbälgen gemäß der Erfindung entgegengesetzt wirkend angetrieben werden; und

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Motors gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen rohrförmigen Roboter 1, der sich in einem langgestreckten Durchgang mit einer starren oder elastischen rohrförmigen Wandung fortbewegen kann. Der Roboter 1 umfaßt eine Vielzahl von Segmenten 2, die ein distales Ende haben und über eine Vielzahl von biegsamen Gliederverbindungen 3 miteinander verbunden sind. Die Gliederverbindungen 3 ermöglichen dem Roboter 1, sich an die unterschiedlichen Biegungen und Krümmungen anzupassen, die sich in menschlichen Organen finden. Eine Vielzahl von hohlen Gummibälgen 11 dient zur Bildung der Gliederverbindungen 3, von denen jede drei Rotationsfreiheitsgrade und bestimmte Translationsfreiheitsgrade hat.

Gemäß Fig. 2 enthält das distale Ende des Segments 2 eine Vielzahl Lichtwellenleiter (nicht gezeigt) für eine Lichtquelle 4, eine Wasser-/Luft-Öffnung 5, einen Instrumentenkanal 6 und eine Abbildungseinrichtung 7 wie etwa eine ultrakompakte CCD- Kamera. Die zu diesen Einrichtungen 4, 6 und 7 gehörenden Drähte und Abstimmeinrichtungen (nicht gezeigt) verlaufen in den zentralen Hohlraum 8 des Roboters 1. Diese Drähte und Abstimmeinrichtungen treten aus dem Roboter 1 als gebündeltes Endstück (nicht gezeigt) aus, das mit dem letzten Segment 10 verbunden ist.

Gemäß Fig. 3 ist in Umfangsrichtung um jedes Segment 2 herum eine Vielzahl von biegsamen linearen Vortriebselementen 11 angebracht. Gemäß der Erfindung wird die Vielzahl der einziehbaren Gummibälge 11 als die linearen Vortriebselemente verwendet. Diese Vortriebselemente 11 werden pneumatisch oder hydraulisch druckangetrieben. Da die Vortriebselemente 11 nicht aus Metall bestehen, schädigen sie die empfindlichen Wandungen der menschlichen Organe nicht. Diese Gummibälge 11 sind über ihre proximalen Enden an den Hohlräumen 12 in den Segmenten 2 angebracht. Die Bälge 11 sind an den Segmenten 2 festgelegt oder damit verleimt. Sie sind in bezug auf die Längsachse des Körpers (des Roboters) schräg seitlich positioniert, wobei ihre distalen Enden von dem Hauptkörper (des Roboters) in Radialrichtung weg weisen. Sämtliche Bälge 11 in einem Segment 2 sind mit derselben Druckleitung verbunden, die durch den zentralen Hohlraum 8 des Hauptkörpers des Roboters 1 verläuft und über das Endstück 9 austritt. Druck wird über eine Vielzahl von Neben-Druckkanälen 13 in dem Segment 2 gleichmäßig auf die Bälge 11 verteilt. Wenn hoher Druck von einer externen Druckquelle durch die Nebenkanäle 13 eingeleitet wird, werden die angeschlossenen Bälge 11 in Längsrichtung ausgefahren. Wenn umgekehrt Niederdruck (unterhalb Atmosphärendruck) eingeleitet wird, werden die Bälge 11 in die Hohlräume 12 in dem Segment 2 eingefahren. Eine Fortbewegungskraft wird erzeugt, während der Balg 11 ausfährt und gegen die Innenwandungen des Organs drückt. Da der Balg 11 in Radialrichtung flexibel ist, kann er sich zu dem Hauptkörper des Roboters 1 hin biegen, wenn er mit den Organwandungen in Kontakt gelangt. Ein weiteres Ausfahren des Balgs 11 erzeugt weitere Forbewegungskräfte in Vorwärtsrichtung. Dieser kollabierbare Mechanismus ist eine Sicherung gegen Punktion und Perforation der empfindlichen Wandungen. Um Schlupf an der Kontaktstelle zu verhindern, kann der Balg 11 mit einem Polster versehen sein, das mit 14 bezeichnet ist, um die Kontaktoberfläche zu vergrößern.

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm einer Steuerungseinrichtung 60, die den Ablauf steuert, nach dem die Bälge 11 ausgefahren oder eingefahren werden. Jede Gruppe von Bälgen 11 in einem Segment 2 oder auch jeder einzelne Balg 11 kann für sich aktiviert werden. Gemäß der Erfindung betätigt der Anwender den Roboter 1 über eine graphische Benutzerschnittstelle, die unter Anwendung eines Computerprogramms entwickelt wurde, das auf einem Tischrechner 62 abläuft. Dieses Programm ist für die meisten Steuerungsfunktionen des Roboters 1 zuständig. Mit Hilfe eines Datenerfassungssystems 63 steuert es die Art der anzuwendenden Gangartfolge, deren Geschwindigkeit und die Fähigkeit des Roboters, den Kolon zu befüllen oder zu entleeren. Das erfolgt durch Öffnen oder Schließen von unabhängigen Solenoidventilen 61, die den Eintritt von Druckluft oder Vakuum in die jeweiligen Vortriebselemente in dem Roboter 1 ermöglichen. Der lenkbare distale Kopf des Roboters 1 wird von zwei Gleichstrommotoren 80 betätigt. Der Anwender betätigt einen Zwei-Achsen-Joystick 64, um die Position anzugeben, in die sich der Kopf biegen soll. Die Änderungen der Spannungen der entsprechenden Potentiometer werden von dem Datenerfassungssystem 63 erfaßt. Das Rechnerprogramm verarbeitet dann diese Daten in Meßwerte eines Codierers 65, die der gewünschten Position entsprechen. Ein analoges Spannungssignal wird über das Datenerfassungssystem 63 geleitet, um die Motoren 80 zu betätigen. Das Rechnerprogramm gewährleistet, daß die Polarität der Eingangsspannung den Motor 80 veranlaßt, sich in der gewünschten Richtung zu drehen. Das Programm liest außerdem ständig die Istwerte des Codierers 65 über einen Drei-Achsen-Quadraturcodierer 65 und eine Zählerkarte 66 aus. Wenn der Meßwert des Codierers 65 in einen Bereich gelangt, der nahe dem durch den Joystick 64 eingestellten gewünschten Wert ist, veranlaßt das Programm den Motor 80 zum Abbremsen und schließlich zum Stillstand. Wenn der Motor 80 über diesen Bereich hinausfährt, veranlaßt das Programm den Motor 80, sich selber in den Bereich zurückzustellen. Der Monitor 81, die Lichtquelle 67 und der Bildprozessor 68 sind Geräte, die notwendig sind, um das Endoskopbild des Roboters rückzugewinnen.

Fig. 5 zeigt eine Gangartfolge, die verwendet wird, um den Roboter 1 fortzubewegen, und Fig. 7 zeigt eine Gangart 50, wobei die Gruppen von Balgvortriebselementen 11 gemäß der Erfindung entgegengesetzt angetrieben werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Roboter 1 veranlaßt werden, sich unter Anwendung einer Vielzahl von verschiedenen Gangarten 50 fortzubewegen. In Fig. 5 ist gezeigt, wie alternierende Gruppen von Bälgen 11 nacheinander aktiviert werden, um gleichzeitig auszufahren und einzufahren und so eine Vorwärtsbewegung zu erzeugen. In Abhängigkeit von der Anzahl der Segmente 2 in dem Roboter 1 kann die Vielzahl von Gangarten 50 auf ein optimales Betriebsverhalten in bezug auf die Geschwindigkeit, die Fähigkeit zur Fortbewegung gegen die Schwerkraft oder die Fähigkeit zur Fortbewegung durch schwierige Krümmungen ausgelegt sein. Zum Zurückziehen des Roboters 1 aus dem rohrförmigen Organ werden sämtliche Bälge 11 eingefahren. Der Anwender zieht dann den Roboter 1 heraus, wobei er das proximale Hinterende 9 hält. Gemäß der Erfindung ist die Bewegung des Roboters 1 ausschließlich von der Schubkraft der Balgvortriebselemente 11 abhängig. Wenn Druckluft in den Roboter 1 eingeleitet wird, beginnen die Balgvortriebselemente 11, befüllt zu werden und in Längsrichtung größer zu werden, bis sie die Kolonwandungen unter 45° berühren. Wenn vorgesehen ist, daß die Reibung ausreichend groß ist, so daß an der Kontaktstelle kein Schlupf stattfindet, stellt sich eine resultierende Kraft ein, die den Roboter 1 vorwärtsschiebt. Wenn stattdessen ein Vakuum eingeleitet wird, kollabieren die Bälge 11, so daß ihre äußersten Enden ihre Basen berühren. In Abhängigkeit von der Steuereinrichtung 60 können unterschiedliche Balgvortriebselemente 11 zu verschiedenen Zeiten befüllt oder entleet werden. Das führt zu vielen verschiedenen Fortbewegungsgangarten 50, wodurch der Roboter 1 vorwärtsgetrieben wird.

Gemäß der Erfindung ist das distale Ende des Roboters 1 wie ein herkömmliches Endoskop lenkbar. Dadurch sollen die Positionierung von chirurgischen Werkzeugen erleichtert und präzisere Untersuchungsaktivitäten ermöglicht werden. Fig. 8 zeigt das Getriebe mit Motoren 80, das zum Drehen konzentrischer Achsen des Roboters 1 ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Zuleitungsdrähten, die mit den außerhalb des Roboters 1 angeordneten Motoren 80 verbunden sind, kann verwendet werden, um einen in den beiden vorderen Segmenten 2 eingebetteten Lenkmechanismus zu betätigen. Gemäß der Erfindung treten vier Zuleitungsdrähte (nicht gezeigt) aus dem Biegerohr (nicht gezeigt) aus, das sich am distalen Ende des Roboters 1 befindet. Diese Drähte sind um 90° voneinander beabstandet. Um ein Wenden des Roboterkopfs zu ermöglichen, muß an ein oder zwei Drähten gezogen werden, während die entgegengesetzten Drähte losgelassen werden. Je größer die Versetzung der Drähte ist, um so größer ist der Biegewinkel. Zwei Drähte in einem Abstand von 180° bilden ein Gegenpaar und ermöglichen Biegebewegungen in einer Achse. Die anderen Enden der vier Führungsdrähte sind mit zwei konzentrischen Achsen verbunden. Jedes Drahtpaar (um 180° beabstandet) ist jeweils mit einer Achse verbunden. Durch Drehen dieser Achsen werden Zugkräfte auf die Drähte erzeugt, die die Biegebewegungen des Roboterkopfs erzeugen. Das Steuersystem bestimmt, welche Achse um wieviel gedreht werden sollte, um den Kopf in einer bestimmten Richtung mit einem bestimmten Krümmungsradius zu lenken. Fig. 8 zeigt ein Getriebe mit Motoren, das speziell zum Drehen der konzentrischen Achsen ausgelegt ist. Das Getriebe 82 besteht im allgemeinen aus zwei Schneckentrieb-Sets 83 und zwei Gleichstrommotoren 80. Das Schneckentrieb-Set 83 wirkt als Selbstarretierung, um den Biegekopf in einer erforderlichen Position zu halten und dadurch ein Zurücktreiben zu verhindern.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auch ein autonomer Roboter 1 gezeigt, der imstande ist, sich in Rohren mit kleinem Durchmesser fortzubewegen. Der Roboter 1 umfaßt eine Vielzahl von starren zylindrischen Segmenten 2, die durch eine Vielzahl von biegsamen Gliederverbindungen 3 miteinander verbunden sind. Die Gliederverbindungen 3, die die Segmente 2 miteinander verbinden, erlauben dem Roboter 1 die Anpassung an die verschiedenen Biegungen und Krümmungen, die man in Rohren findet. Das distale Ende des Segments 2 enthält eine CCD-Kamera 7 und eine Lichtquelle 4, die für die Sicht des Roboters 1 zuständig sind. Gemäß Fig. 4 ist in Umfangsrichtung um jedes Segment 2 herum eine Vielzahl von elektrisch oder pneumatisch oder hydraulisch getriebenen linearen Vortriebselementen 16 angebracht. Diese linearen Vortriebselemente 16 sind über proximale Enden an Hohlräumen in den Segmenten angebracht und in bezug auf die Längsachse des Körpers des Roboters 1 schräg seitlich positioniert, wobei ihre distalen Enden radial von dem Roboter 1 weg weisen. Vortriebskraft wird erzeugt, wenn das lineare Vortriebselement 16 ausfährt und gegen die Innenwandungen des Rohrs gedrückt wird. Das lineare Vortriebselement 16 kann auch in die Segmente 2 hinein eingefahren werden, so daß es die Fortbewegung nicht behindert, wenn sich der Roboter 1 vorwärtsbewegt.

Das lineare Vortriebselement 16 kann, wie bei 17 zu sehen ist, an seinem proximalen Ende schwenkbar sein, so daß es imstande ist, zu schwenken und in die entgegengesetzte Richtung zu weisen (wie bei 18 gezeigt), um eine Fortbewegung in der umgekehrten Richtung zu erzeugen.

Die Steuereinrichtung 60 steuert den Ablauf, nach dem die linearen Vortriebselemente 16 betätigt werden. Jede Gruppe von linearen Vortriebselementen 16 oder auch jedes einzelne lineare Vortriebselement 16 kann für sich betätigt werden. Der Roboter 1 gemäß der Erfindung kann unter Anwendung einer Vielzahl von verschiedenen Gangarten 50 zur Fortbewegung veranlaßt werden. Wie bereits erwähnt, zeigt Fig. 5, wie alternierende Gruppen von linearen Vortriebselementen 16 nacheinander angesteuert werden, um gleichzeitig auszufahren und einzufahren, um eine Fortbewegung in Vorwärtsrichtung zu erzeugen. Die Vielzahl von Gangarten 50 kann für optimales Betriebsverhalten in bezug auf Geschwindigkeit, Fähigkeit zum Fortbewegen gegen Schwerkraft oder Fähigkeit zum Fortbewegen durch schwierige Krümmungen ausgelegt sein. Der zentrale Hohlraum 8 in dem Roboter 1 dient dazu, eine Energiequelle 69, die Steuerungseinrichtung 60, einen Sender und andere für ein autonomes System erforderliche periphere Einrichtungen aufzunehmen.

Gemäß der Erfindung ist das distale Ende des Roboters 1 lenkbar, um die Untersuchung und die Fortbewegungsrichtung zu erleichtern. Kleinstmotoren können verwendet werden, um einen Lenkmechanismus 15 zu aktivieren, der in den beiden vorderen Segmenten 2 eingebettet ist, und der Lenkmechanismus wird von Drähten aus einer Legierung mit Formgedächtnis angetrieben.

Die Fortbewegungsaspekte der Erfindung können in jedem langgestreckten Durchgang mit einer elastischen oder starren rohrförmigen Wand angewandt werden. Es wurden zwar nur zwei Ausführungsformen gezeigt und beschrieben, für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß viele Abwandlungen des Roboters 1 möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (19)

1. Roboterendoskop zur Durchführung von endoskopischen Verfahren in einem rohrförmigen Organ, gekennzeichnet durch:

• a) eine Vielzahl von Segmenten (2), die mittels einer Vielzahl von biegsamen Gliederverbindungen (3) miteinander verbunden sind und ein distales Ende haben;
• b) eine Vielzahl von biegsamen linearen Vortriebselementen (11), die in bezug auf die Längsachse des Roboters (1) schräg seitlich in Umfangsrichtung um jedes Segment (2) herum angebracht sind;
• c) einen zentralen Hohlraum (8), der in Längsrichtung durch den Roboter (1) verläuft und eine Vielzahl von Lichtleitern, einen Wasser-/Luftschlauch, einen Instrumentenkanal und eine Vielzahl von elektrischen Drähten aufnimmt, die einer am distalen Ende des Roboters angebrachten Abbildungseinrichtung (7) zugeordnet sind; und
• d) ein Netz von Nebenkanälen (13) für die Verteilung von Druck zu den linearen Vortriebselementen (11).

2. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gliederverbindungen (3), die die Segmente (2) miteinander verbinden, drei passive Frei­ heitsgrade besitzen, so daß der Roboter an unterschiedliche Krümmungen anpaßbar ist.

3. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von linearen Vor­ triebselementen (11) Gummibälge sind.

4. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Vortriebselemente (11) pneumatisch oder hydraulisch angetrieben sind.

5. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für optimales Betriebsverhalten in bezug auf Geschwindigkeit und die Fähigkeit der Fortbewegung entgegen der Schwerkraft oder durch schwierige Krümmungen hindurch eine Vielzahl von Gangarten (50) implementiert ist.

6. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende der Segmente durch Führungsdrähte gelenkt wird, die mit Elektromotoren (80) verbunden sind.

7. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende der Segmente (2) durch Führungsdrähte gelenkt wird, die mit einer Vielzahl von Drähten aus einer Legierung mit Formgedächtnis verbunden sind.

8. Roboterendoskop nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Vortriebselement (11) am äußersten Ende des Balgs gepolstert (14) ist.

9. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung (7) eine CCD-Kamera ist.

10. Roboterendoskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment (2) zylindrisch ist.

11. Autonomer Roboter, der sich in Rohren mit kleinem Durchmesser fortbewegen kann, gekennzeichnet durch

• a) eine Vielzahl von Segmenten (2), die über eine Vielzahl von biegsamen Gliederverbindungen (3) miteinander verbunden sind und ein distales Ende haben;
• b) eine Vielzahl von elektrisch (oder pneumatisch oder hydraulisch) angetriebenen linearen Vortriebselementen (16), die relativ zu der Längsachse des Roboters schräg seitlich in Umfangsrichtung um jedes Segment (2) herum angebracht sind;
• c) einen zentralen Hohlraum (8), der sich in Längsrichtung durch den Roboter erstreckt und eine Energieversorgung (69), eine Steuerungseinrichtung (60) und einen Sender für ein autonomes System aufnimmt.

12. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Gliederverbin­ dungen (3), die die Segmente (2) miteinander verbinden, drei Freiheitsgrade besitzen, so daß der Roboter an unterschiedliche Krümmungen anpaßbar ist.

13. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für ein optimales Betriebsverhalten in bezug auf Geschwindigkeit, die Fähigkeit zum Fortbewegen entgegen der Schwerkraft oder durch schwierige Krümmungen hindurch eine Vielzahl von Gangarten (50) implementiert ist.

14. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende der Segmente (2) mittels Kleinstmotoren gelenkt wird.

15. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende der Segmente (2) durch Drähte aus einer Legierung mit Formgedächtnis gelenkt wird.

16. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem distalen Ende der Segmente (2) eine Abbildungseinrichtung (7) angebracht ist.

17. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtung eine CCD- Kamera ist.

18. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die linearen Vortriebselemente (16) in die entgegengesetzte Richtung schwenkbar (17) sind, um eine Rückwärtsbewegung zu erleichtern.

19. Autonomer Rohrroboter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Segmenten (2) starre zylindrische Gestalt hat.