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Die
Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung, insbesondere für ein medizinisch-optisches
Instrument, mit wenigstens einem Drehgelenk und mit Mitteln zum
Ausgleich eines Last-Drehmoments,
welches das medizinisch-optische Instrument an dem Drehgelenk hervorruft.
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Eine
derartige Haltevorrichtung ist aus der
DE 42 31 516 C2 bekannt.
Dort ist ein verstellbares Stativ für ein Operationsmikroskop beschrieben.
Das Stativ weist ein erstes und ein zweites Drehgelenk auf. Diesen
Drehgelenken ist jeweils ein elastischer Energiespeicher zugeordnet.
Der elastische Energiespeicher enthält eine Drehfeder, deren Vorspannung eingestellt
werden kann. Die elastischen Energiespeicher erzeugen ein Ausgleichsdrehmoment,
das einem von dem am Stativ aufgenommenen Operationsmikroskop hervorgerufenen
Last-Drehmoment in den Drehgelenken entgegenwirkt.
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In
der
DE 43 20 443 C2 ist
eine Haltevorrichtung für
ein medizinisch-optisches Instrument beschrieben, bei der motorisch
verstellbare Ausgleichsgewichte vorgesehen sind, um in Drehachsen
der Haltevorrichtung auftretende Last-Drehmomente zu kompensieren.
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Die
US 5,642,220 offenbart eine
Haltevorrichtung für
ein medizinisch-optisches Instrument, in der zur Erzeugung eines
Gegendrehmoments zur Kompensation von Last-Drehmomenten eine Linearfedereinheit
oder ein Gastdruckzylinder vorgesehen ist. Die Linearfedereinheit
oder der Gasdruckzylinder wirken auf einen Hebelarm. Indem ein Angriffspunkt von
Gasdruckzylinder bzw. Linearfedereinheit variiert wird, kann ein
gewünschtes
Ausgleichsmoment eingestellt werden.
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In
der
US 5,402,582 ist
eine Haltevorrichtung zur Aufnahme eines Tastkopfes zur Vermessung
von Werkstücken
beschrieben. Die Haltevorrichtung umfasst einen mehrgelenkigen Tragarm.
In den Gelenken des Tragarmes sind Drehfedern vorgesehen. Diese
Drehfedern erzeugen Drehmomente, die Last-Drehmomenten in diesen
Gelenken entgegenwirken.
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Die
DE 42 02 922 A1 offenbart
ein motorisches Stativ mit einem Operationsmikroskop als Haltevorrichtung
für ein
medizinisch-optisches Instrument. Dieses Stativ hat eine Tragsäule, die
auf einem Standfuß gelagert
ist und um eine vertikale Achse gedreht werden kann. An dieser Tragsäule ist
ein mehrgelenkiger Tragarm angeordnet, der vier Drehgelenke mit
motorischen Antrieben aufweist. Diesen motorischen Antrieben ist
eine Steuereinheit zugeordnet. Die Steuereinheit ist mit Winkelgebern,
die an den Drehgelenken angeordnet sind, verbunden. Der Steuereinheit
wird dabei die gewünschte
Stellung eines bestimmten Drehgelenks vorgegeben. Entsprechend der
vorgegebenen Gelenkstellung eines Drehgelenks werden dann die Antriebe
der Haltevorrichtung bestromt, um einen bestimmten Tragarmabschnitt
an einem Drehgelenk in eine gewünschte
Winkelstellung zu verfahren.
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Aus
der
EP 1 152 182 A1 ist
ein Operationsmikroskop mit einem Stativ bekannt, das eine im wesentlichen
horizontal verlaufende motorisch verstellbare Schwenkachse aufweist.
In dieser Schwenkachse befindet sich ein Schrittmotor, der mittels
eines Bedienungselements, in dem Kraft- oder Drehmomentsensoren
vorgesehen sind, gesteuert wird und eine Servoverstellung des an
dieser Achse aufgenommenen Operationsmikroskop ermöglicht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Haltevorrichtung bereitzustellen, bei
dem ein Gleichgewichtszustand zur kräftefreien Bewegung eines an
der Haltevorrichtung aufgenommenen Instruments um ein Drehgelenk
eingestellt werden kann und darüber
hinaus ein servogesteuertes Bewegen des Instruments um diese Drehachse
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Haltevorrichtung der eingangs genannten
Art gelöst,
bei der die Mittel zum Ausgleich des Last-Drehmoments einen Elektromotor
umfassen, der mit Mitteln zum Erfassen der Stellung des Drehgelenks
kombiniert ist und in Abhängigkeit
einer erfassten Drehgelenksstellung zur Erzeugung eines das Last-Drehmoment
ausgleichenden Gegenmoments bestromt werden kann. Hierzu ist eine
Steuereinheit vorgesehen, die den erforderlichen Motorstrom einstellt.
Zum Ausgleich des Last-Drehmoments
ordnet die Steuereinheit einem erfassten Drehgelenkstellungswert
einen Wert für
einen Motorstrom zu, der auf den Elektromotor ausgegeben wird und
der bewirkt, dass der Elektromotor ein Gegenmoment erzeugt, welches
das an dem Drehgelenk anliegende Last-Drehmoment ausgleicht. Auf
diese Weise wird eine kompakt aufgebaute Haltevorrichtung geschaffen,
die motorisch gekippt und geschwenkt werden kann und dabei leicht an
unterschiedliche Konfigurationen eines medizinisch-optischen Instruments
für Drehmomentausgleich
anpassbar ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist dem Drehgelenk eine Bremse zugeordnet.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass sich die Haltevorrichtung
bei unbestromtem Elektromotor nicht bewegt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Elektromotor mittels eines Getriebes
mit dem Drehgelenk gekoppelt. Auf diese Weise wird eine präzise Einstellung
eines Gleichgewichtszustands bei der Haltevorrichtung ermöglicht.
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In
Weiterbildung der Erfindung weist der Elektromotor eine Antriebsachse
auf, die zu einer Drehachse des Drehgelenks versetzt verläuft. Auf diese
Weise wird bei der Haltevorrichtung Platz für Anschlussgeräte an das
medizinisch-optische Instrument geschaffen und es ist beispielsweise
möglich, eine
optische Strahlauskopplung in der betreffenden Drehachse vorzunehmen.
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In
Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erfassen der Stellung
des Drehgelenks einen Encoder des Elektromotors oder einen Stellungsgeber
auf. Auf diese Weise kann eine momentane Stellung des Drehgelenks
präzise
bestimmt werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Steuereinheit des Elektromotors
ein elektronischer Speicher zugeordnet, in dem eine Strom-Drehgelenksstellungskurve
oder eine Tabelle mit zueinander passenden Stromwerten und Drehgelenksstellungen
abgelegt ist. Auf diese Weise kann eine schnelle Zuordnung von erforderlichem
Stromwert bei gegebener Stellung der medizinisch-optischen Ausrüstung gewährleistet
werden.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens zwei Drehgelenke mit
Mitteln zum Ausgleich eines Last-Drehmoments vorgesehen. Auf diese
Weise wird ermöglicht,
dass an der Haltevorrichtung aufgenommene medizinisch-optische Ausrüstung entsprechend
mehreren Bewegungsfreiheitsgraden kräftefrei bewegt werden kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung sind bei der Haltevorrichtung Mittel
zum Erfassen einer zeitlichen Änderung
der Stellung des Drehgelenks vorgesehen. Diese Mittel erfassen vorzugsweise
eine zeitliche Änderung
der Drehgelenkstellung durch mathematisches Ableiten der ermittelten
Drehgelenkstellung nach der Zeit. Die ermittelte Änderung
der Drehgelenkstellung wird dann als Regelgröße einem Regelkreis zugeführt, der
als Stellgröße einen
Motorstrom für
den Elektromotor am Drehgelenk ausgibt. Dieser Motorstrom wird dem
Motorstrom für
Drehmomentausgleich überlagert,
so dass der Motor ein zusätzliches
Drehmoment erzeugt, welches einer ermittelten Änderung der Drehgelenkstellung
entgegenwirkt.
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Mit
einem solchen Regelkreis ist es möglich, einer Bedienperson einen
Trägheitseffekt
zu simulieren. So kann beispielsweise bei einer als Manipulator ausgebildeten
Haltevorrichtung vermieden werden, dass sich das Zittern einer menschlichen
Hand, die ein an der Haltevorrichtung aufgenommenes Instrument führt, auf
das Instrument selbst überträgt. Gleichzeitig
ermöglicht
ein solcher Regelkreis, dass nicht vordefinierbare Kräfte und
Momente, in der Chirurgie etwa Schnitt- und Rückstellkräfte beim Schneiden von elastischem
Gewebe, beim Aufnehmen einer Resektion oder auch außerhalb
der Chirurgie beim Aufgreifen eines unbekannten Gegenstandes mit
einem entsprechenden Werkzeug von einer Bedienperson als reale haptische
Rückkopplung
(Feedback) ohne verfälschende
Fremdkräfte
erfasst wird.
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Im
Bereich der Medizin werden beispielsweise Ärzte hierdurch in die Lage
versetzt, ihre Hände von
einem Operationsgebiet fernzuhalten. Dies eröffnet grundsätzlich die
Möglichkeit,
im laufenden Operationsbetrieb strahlungsintensive intraoperative Bildgebungsverfahren
einzusetzen und auch hochinfektiöse
Patienten zu behandeln. Da mit einer entsprechend als Manipulator
ausgebildeten Haltevorrichtung zitterarme, präzise Bewegungen ausgeführt werden
können,
ist bei Einsatz eines solchen Manipulators mit einem Operationsmikroskop
in der Regel eine für
präzise
Interventionen häufig
eingesetzte vorbereitungsintensive Navigation nicht mehr nötig.
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Durch
entsprechende aktive Überlagerung von
Stromkurven bzw. Stromsteuerkurven mehrerer Elektromotoren des Manipulators
im gewichtsausgeglichenen Zustand können bei Bedarf semi-robotische
Funktionen realisiert werden. Zum Beispiel kann der Anwender mit
einer geeigneten Steuerung von kritischen Bereichen eines Operationsgebiets entweder
ganz fern gehalten werden oder er kann durch einen künstlichen
Wiederstand gewarnt werden, solange er dies wünscht. Hierzu können beispielsweise
die Daten von Navigationstools, virtuellen 3D-Modellen oder 3D-Bahnen
in den entsprechenden Motorpositionen zu additiv überlagerten Motorströmen umgesetzt
werden. Auf dem Gebiet der Chirurgie kann so insbesondere sichergestellt werden,
dass nur im Randbereich eines Tumors operiert wird.
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Allgemein
hat gegenüber
der klassischen Robotertechnik das beschriebene Steuer- bzw. Regelprinzip
für eine
Haltevorrichtung den Vorteil, dass es keiner Kraft- und/oder Momentsensoren
bedarf und keine komplexe, schwer zu beherrschende Sensor-Aktuatorregelung
eingesetzt werden muss, der bestimmte Dynamikbereiche nur schwer
zugänglich sind.
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Wird
bei der Haltevorrichtung die Masseverteilung der Tragarme so gewählt, dass
wenigstens in etwa ein Gewichtsausgleich um Drehachsen zu den betreffenden
Gelenken gegeben ist, können
zum Verstellen der Haltevorrichtung vergleichsweise schwache Motoren
eingesetzt werden. Diese Motoren müssen nämlich dann nur geringe Momente ausgleichen.
Bei einer Haltevorrichtung, deren Tragarme um die Drehachsen von
Drehgelenken ausbalanciert sind, wäre es beispielsweise nur erforderlich,
dass die Motoren die von einem zusätzlich aufgenommenen Werkzeug
in den Drehachsen hervorgerufenen Momente ausgleichen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist das medizinisch-optische Instrument
mit einem Parallelogrammlenker an einem Tragarm aufgenommen. Ein solcher
Parallelogrammlenker ermöglicht,
die Mittel zum Ausgleich eines Last-Drehmoments ergonomisch günstig im
Bereich eines Stativarms oberhalb des medizinisch-optischen Instruments
anzuordnen. Ferner wird so eine stabile Aufnahme des medizinisch-optischen
Instruments an der Haltevorrichtung gewährleistet.
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In
einem Verfahren zum Ermitteln einer Stromsteuerkurve für das Einstellen
eines Gleichgewichtszustands in einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung
wird das wenigstens eine Drehgelenk mittels des Elektromotors um
eine Achse des Drehgelenkes bewegt, der zur Bewegung des Drehgelenks
erforderliche Strombedarf des Elektromotors ermittelt, die momentane
Stellung des Drehgelenks bestimmt und der ermittelte Strombedarf
in Abhängigkeit
der Drehgelenkstellung in einem elektronischen Speicher als Stromsteuerkurve
abgelegt. Auf diese Weise kann bei der Haltevorrichtung für unterschiedliche
Konfigurationen von medizinisch-optischer Ausrüstung ein Gleichgewichtszustand
eingestellt werden.
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Es
ist auch möglich,
eine Stromsteuerkurve zu ermitteln, indem das wenigstens eine Drehgelenk mittels
des Elektromotors in eine erste Richtung bewegt, wird, wobei der
zur Bewegung des Drehgelenks erforderliche Strombedarf des Elektromotors
in Abhängigkeit
der Stellung des Drehgelenks ermittelt wird, und darauf das wenigstens
eine Drehgelenk mittels des Elektromotors in eine der erste Richtung entgegengesetzte
zweite Richtung bewegt wird, wobei der zur Bewegung des Drehgelenks
erforderliche Strombedarf des Elektromotors in Abhängigkeit
der Stellung des Drehgelenks ermittelt wird.
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Vorzugsweise
wird dann ein Mittelwert des für
das Bewegen des wenigstens einen Drehgelenks in der ersten Richtung
erforderlichen Strombedarfs und des für das Bewegen des wenigstens
einen Drehgelenks in der zweiten Richtung erforderlichen Strombedarfs
berechnet und in Abhängigkeit
der Drehgelenkstellung in einem elektronischen Speicher als Stromsteuerkurve
abgelegt. Auf diese Weise ist es möglich eine Stromsteuerkurve
zu generieren, die nicht mit Fehlern die auf Reibungskräfte in dem betreffenden
Drehgelenk zurückgehen,
behaftet ist.
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Für das ermitteln
der Stromsteuerkurve des wenigstens einen Drehgelenk reicht es dabei
aus, mit dem Elektromotor das Drehgelenk über einen Drehwinkelabschnitt Δφ zu bewegen,
bspw. |Δφ| ≤ π oder |Δφ| ≤ π/2 oder |Δφ| ≤ π/4, denn
es kann aus einem Abschnitt einer erfassten Stromsteuerkurve auf
den gesamten Verlauf der Stromsteuerkurve im Winkelbereich 0 ≤ φ ≤ 2π, der einer
vollen Umdrehung des Drehgelenks entspricht, geschlossen werden.
Auf diese Weise ist es möglich,
innerhalb kurzer Zeit, gegebenenfalls in wenigen Sekunden eine gewünschte Stromkurve
bzw. Stromsteuerkurve für
das Drehgelenk aufzunehmen.
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Indem
bei der Haltevorrichtung eine momentane Stellung des Drehgelenks
erfasst und der Elektromotor entsprechend einer in einem Speicher
abgelegten Stromsteuerkurve bestromt wird, kann ein Gleichgewichtszustand
für die
medizinisch-optische Ausrüstung
dadurch hergestellt werden, dass einer bestimmten Stellung des Drehgelenks
für den
Elektromotor ein Stromwert für
Drehmomentkompensation zugeordnet wird.
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Es
ist weiter auch möglich,
eine momentane Änderung
der Stellung des Drehgelenks zu bestimmen und dann einen der Änderung
der Stellung des Drehgelenks entgegenwirkenden Strom auf den Elektromotor
auszugeben.
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Sind
in der Haltevorrichtung mehrere Drehgelenke vorgesehen, die Mittel
zum Ausgleich eines Last-Drehmoments mit Elektromotor aufweisen,
so kann ein Gleichgewichtszustand eingestellt werden, indem eine
momentane Stellung eines ersten Drehgelenks bestimmt wird, eine
momentane Stellung eines zweiten Drehgelenks bestimmt wird, und
ein dem ersten Drehgelenk zugeordneter Elektromotor und ein dem
zweiten Drehgelenk zugeordneter Elektromotor entsprechend einer
in einem Speicher abgelegten zweidimensionalen Stromsteuerkurve
bestromt wird. Dabei ordnet die Stromsteuerkurve entsprechend der
bestimmten momentanen Stellung der Drehgelenke den Elektromotoren
der Drehgelenke jeweils einen Stromwert für Drehmomentkompensation zu.
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Um
eine entsprechende zweidimensionale Stromsteuerkurve für das Einstellen
eines Gleichgewichtszustandes in einer Haltevorrichtung zu ermitteln,
wird die Stellung eines ersten Drehgelenks erfasst, bei einer bekannten
Stellung des ersten Drehgelenks ein zweites Drehgelenk mittels des
dem zweiten Drehgelenk zugeordneten Elektromotors um seine Achse
bewegt, und dann der zur Bewegung des zweiten Drehgelenks erforderliche
Strombedarf des Elektromotors bestimmt. Dann wird die momentane
Stellung des zweiten Drehgelenks erfasst und der bestimmte Strombedarf
in Abhängigkeit
der Stellung des zweiten Drehgelenks in einem elektronischen Speicher
als erste Stromsteuerkurve abgelegt. Anschließend wird bei einer bekannten
Stellung des zweiten Drehgelenks das erste Drehgelenk mittels des
zugeordneten Elektromotors um seine Achse bewegt, wobei der zur
Bewegung erforderliche Strombedarf des Elektromotors ermittelt,
entsprechend die momentane Stellung des ersten Drehgelenks bestimmt,
und dann der ermittelte Strombedarf in Abhängigkeit der Stellung des zweiten
Drehgelenks in einem elektronischen Speicher als zweite Stromsteuerkurve
abgelegt wird.
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Entsprechende
Verfahren können
zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes bei einer Haltevorrichtung
mit drei und mehr Drehgelenken zur Anwendung kommen, indem geeignete
drei- oder mehrdimensionale Stromsteuerkurve für Elektromotoren, die den Drehgelenken
zugeordnet sind, ermittelt bzw. zum Ansteuern der Elektromotoren
herangezogen werden.
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Bei
einer als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung muss gewährleistet
sein, dass für
jedes neu aufgenommene Instrument, Werkzeug oder Werkstück entweder
eine vorherige Kalibrierung von positionsabhängigen Motorströmen vorgenommen wird
oder für
jeden aufgenommenen Gegenstand entsprechende Identifikationen zusammen
mit den absoluten oder aditiven positionsabhängigen Kompensations-Motorstromkurven
etwa aus einem elektronischen Speicher abgerufen werden können. Hierzu
können
Gegenstände,
die mit der Haltevorrichtung aufgenommen werden sollen, über einen
Barcode oder einen Mikrochip mit einer automatischen Identifikation
versehen werden. Darüber
hinaus ist es möglich,
die aus der Fertigungsindustrie bekannten Methoden zur Werkzeugidentifikation,
wie sie bei automatischen Zufuhreinrichtungen bei Werkzeugmaschinen
bekannt sind, zu verwenden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine Haltevorrichtung
für ein
Operationsmikroskop als medizinisch-optisches Instrument in einer ersten
Stellung;
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2 die Haltevorrichtung aus 1 in einer zweiten Stellung;
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3 schematisch ein erstes
Drehgelenk der Haltevorrichtung aus 1;
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4 schematisch ein zweites
Drehgelenk der Haltevorrichtung aus 1;
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5 das Zustandekommen eines
Drehmoments in einem Drehgelenk der Haltevorrichtung aus 1;
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6 den Zusammenhang zwischen
Drehgelenkstellung und einem an dem betreffenden Drehgelenk auftretenden
Drehmoment;
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7 schematisch eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung eines Elektromotors in einem Drehgelenk der Haltevorrichtung
aus 1;
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8 schematisch ein Drehgelenk
mit medizinisch-optischem Instrument und Elektromotor;
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9 Motorstromkurven des Elektromotors bei
dem Drehgelenk aus 8;
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10 eine Haltevorrichtung
mit Operationsmikroskop;
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11 schematisch eine Schaltungsanordnung
zur Steuerung mehrerer Elektromotoren in einer Schaltungsanordnung
mit mehreren Drehgelenken;
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12 eine als Manipulator
ausgebildete Haltevorrichtung;
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13 schematisch eine Schaltungsanordnung
mit Regelkreis zur Steuerung eines Elektromotors in einem Drehgelenk
der als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung aus 9; und
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14 eine Schaltungsanordnung
mit Regelkreisen zur Steuerung von Elektromotoren in mehreren Drehgelenken
einer Haltevorrichtung.
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Die 1 zeigt eine Haltevorrichtung 101 mit einem
Parallelogrammlenker 102, an dem ein Operationsmikroskop 103 als
medizinisch-optische Ausrüstung
aufgenommen ist. Die Haltevorrichtung 101 ist mittels eines
Traglenkers 104 an einem nicht weiter dargestellten Stativ
befestigt. An diesem Traglenker 104 kann die Haltevorrichtung 101 um
eine vertikale Drehachse 105 gedreht werden.
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Der
Parallelogrammlenker 102 umfasst Lenker 106 bis 110 mit
Drehgelenken 111 bis 117.
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Dem
Drehgelenk 111 ist ein erster Elektromotor zugeordnet.
Dieser Elektromotor ermöglicht eine
gesteuerte Bewegung der Parallelogrammlenker 102 um eine
horizontale Drehachse 118. Bei dieser Bewegung wird das
Operationsmikroskop seitlich verschwenkt.
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An
dem Lenker 110 ist ein weiteres Drehgelenk 119 mit
einer Drehachse 120 aufgenommen. Auch diesem Drehgelenk 119 ist
ein Elektromotor zugeordnet. Mit diesem Elektromotor kann um die Drehachse 120 eine
Kippbewegung des Operationsmikroskops 103 gesteuert werden.
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Die 2 zeigt die Haltevorrichtung 101 aus 1 in einer ausgelenkten
Parallelogrammlenkerstellung. Die Einheiten der Haltevorrichtung
in 2 sind mit den selben
Bezugszeichen bezeichnet, die auch in 1 verwendet
wurden. Das Operationsmikroskop 103 in 2 ist relativ zur Stellung des Operationsmikroskops
in 1 seitlich verschwenkt.
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Die 3 zeigt schematisch das
Drehgelenk 111 der Haltevorrichtung 101 aus 1. Das Drehgelenk 111 hat
einen ersten Gelenkteil 301 und einen zweiten Gelenkteil 302,
der relativ zum Gelenkteil 301 bewegt werden kann. Der
Gelenkteil 302 ist mit Lagereinheiten 303 und 304 an
dem Gelenkteil 301 gelagert. Dem Drehgelenk 111 ist
ein Elektromotor 305 zugeordnet, der mittels einer Welle 306 mit
dem Gelenkteil 302 verbunden ist. Mit dem Elektromotor 305 kann
ein Drehmoment erzeugt werden, das in den zweiten Gelenkteil 302 des
Drehgelenks 111 eingeleitet wird.
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Der
Elektromotor 305 hat einen Encoder 307. Dieser
Encoder 307 stellt ein Spannungssignal bereit, aus dem
mit einer geeigneten Signalverarbeitungseinheit eine momentane Stellung
des Elektromotors und damit der Welle 306 abgeleitet werden kann.
Aus dem Spannungssignal des Encoders 307 kann somit die
Stellung des Drehgelenks 111 bestimmt werden.
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In
dem Drehgelenk 111 ist weiter eine Magnetbremse 308 vorgesehen,
die je nach Ansteuerung eine Bewegung des zweiten Gelenkteils relativ
zum ersten Gelenkteil freigibt oder unterbindet.
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Mit
dem Drehmoment, das der Elektromotor 305 bereitstellt,
kann entweder ein an dem zweiten Gelenkteil 302 anliegendes
Last-Drehmoment ausgeglichen werden oder das Gelenkteil 302 kann
entsprechend der Ansteuerung des Elektromotors 305 bewegt
werden.
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Die 4 zeigt schematisch das
weitere Drehgelenk 119 aus 1.
So wie das Drehgelenk 111 ist auch dem Drehgelenk 119 ein
Elektromotor 405 zugeordnet, mit dem ein an einem Gelenkteil 402 anliegendes
Drehmoment ausgeglichen werden kann. Der Elektromotor 405 ist
in einem ersten Gelenkteil 401 des Drehgelenks 119 gehalten.
Das Drehgelenk 119 umfasst weiter Lagereinheiten 403 und 404,
die eine Bewegung des zweiten Gelenkteils 402 zu dem ersten
Gelenkteil 401 ermöglichen.
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Der
Elektromotor 405 ist mit dem zweiten Gelenkteil 402 über ein
Getriebe 406 gekoppelt. Dieses Getriebe umfasst ein Antriebsritzel 407,
das auf einer Antriebswelle des Elektromotors 405 angeordnet
ist. Dieses Antriebsritzel 407 kämmt mit einem Zahnkranz 408,
der mit dem zweiten Gelenkteil fest verbunden ist.
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Um
auch bei unbestromtem Elektromotor eine Bewegung von erstem Gelenkteil 401 und
zweiten Gelenkteil 402 freigeben oder unterbinden zu können, ist
in dem Drehgelenk 119 eine Magnetbremse 409 vorgesehen.
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Das
Drehgelenk 119 umfasst weiter einen Stellungsgeber 410,
der ein Spannungssignal bereitstellt, das einer momentanen Stellung
des Zahnkranzes 408 am zweiten Gelenkteil 402 des Drehgelenks 119 entspricht.
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Anhand
der 5 bis 7 ist erläutert, wie mit dem Elektromotor
in den Drehgelenken ein an den Drehgelenken 111 oder 119 aus 1 auftretendes Last-Drehmoment
kompensiert werden kann.
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Hierzu
zeigt die 5 schematisch
ein Drehmoment 501, das an einem Drehgelenk 502 aufgrund einer
Last mit Schwerpunkt 503, die mit einem Hebelarm 504 an
dem Drehgelenk 502 aufgenommen ist, auftritt, weil diese
Last einer Gewichtskraft 505 ausgesetzt ist. Als Funktion
des Winkels φ zwischen
der Gewichtskraft 505 und dem Hebelarm 504 ergibt
sich eine in 6 dargestellte
Abhängigkeit
des Betrags des im Drehgelenk 502 auftretenden Drehmoments D.
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Es
gilt: D = lMg sinφ,
wobei:
l
die Länge
des resultierenden Hebelarms
M die Masse des Schwerpunkts,
g
die Erdbeschleunigungskonstante, und
φ der Winkel zwischen Hebelarm
und der Richtung der Gewichtskraft ist.
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Indem
der Elektromotor in den Drehgelenken 111 und 119 der
Haltevorrichtung 101 aus 1 so bestromt
wird, dass er ein in den Drehgelenken auftretendes Last-Drehmoment
kompensiert, wird an den Drehgelenken ein Gleichgewichtszustand
eingestellt.
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Zur
automatischen Einstellung eines solchen Gleichgewichtszustandes
ist der Elektromotor in diesen Drehgelenken entsprechend einer in
der 7 gezeigten Schaltungsanordnung
beschaltet. Die Schaltungsordnung 701 hat eine Motorsteuereinheit 702,
die mit dem Elektromotor 703 verbunden ist. Der Motorsteuereinheit 702 werden
Signale von einem Stellungsgeber 704 zugeführt, der
als Winkelsensor oder als Encoder ausgebildet ist. Dieser Stellungsgeber 704 gibt
eine momentane Winkelstellung des Drehgelenks an. Entsprechend einer
momentan erfassten Winkelstellung des Drehgelenks wird eine in einem
elektronischen Speicher 705 abgelegte Stronsteuerkurve
ausgelesen. Diese Stromsteuerkurve entspricht dem bei jeder Stellung
des Drehgelenks erforderlichen Stromwert für Drehmomentausgleich durch
den Elektromotor.
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Wird
also die Stellung des Operationsmikroskops 103 aus 1 so verändert, dass die Drehgelenke 111 oder 119 mit
Elektromotor bewegt werden, so steuert die betreffende Motorsteuereinheit
den Motorstrom entsprechend der momentanen Drehgelenkstellungen
derart, dass es in den Drehgelenken zu einem Drehmomentausgleich
kommt. Hierfür
wird für
jedes Drehgelenk 111, 119 mit Elektromotor eine in
betreffenden elektronischen Speichern abgelegte Stromsteuerkurve
ausgelesen. Diese Stromsteuerkurve hängt von der Stellung der beiden
Drehgelenke 111, 119 und von der Masseverteilung
des an der betreffenden Haltevorrichtung aufgenommenen medizinisch-optischen
Instruments ab. Wird diese Masseverteilung verändert, beispielsweise indem
an das medizinisch-optische Instrument Peripheriegeräte angeschlossen
werden, so muss für
Drehmomentausgleich in Drehgelenken auf eine modifizierte Stromsteuerkurve
zugegriffen werden.
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Eine
solche Stromsteuerkurve kann grundsätzlich auf einfache Weise ermittelt
werden. Hierzu wird der zur Bewegung der Haltevorrichtung um die betreffenden
Drehgelenke mittels Elektromotor erforderliche Strom als Funktion
der momentanen Stellung dieser Drehgelenke erfasst und in dem betreffenden
elektronischen Speicher abgelegt. Dabei wird beispielsweise das
Drehgelenk 111 in eine bekannte Position bewegt und anschließend die
Stromsteuerkurve für
das Drehgelenk 119 aufgenommen. In einem nächsten Schritt
wird dann das Drehgelenk 119 in eine bekannte Position
verfahren und dann die entsprechende Stromsteuerkurve für das Drehgelenk 111 ermittelt.
Aus den so ermittelten Stromkurven kann dann mittels trigonometrischer
Funktionen ein zweidimensionaler Stromdatensatz für Gleichgewicht in
einer jeden Stellung der Drehgelenke 111 und 119 bestimmt
werden.
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Um
einen Servobetrieb des Elektromotors 703 für ein Drehgelenk
einer beschriebenen Haltevorrichtung zu ermöglichen, sind der Motorsteuereinheit 702 Servoschalter 706 zugeordnet.
Ein solcher Servobetrieb kann beispielsweise für eine Feinjustage des medizinisch-optischen
Instruments an der Haltevorrichtung von Vorteil sein.
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Anhand
von 8 und 9 ist eine weitere Methode
zum Ermitteln einer Stromsteuerkurve für Drehmomentausgleich an einem
Drehgelenk einer Haltevorrichtung beschrieben.
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Die 8 zeigt ein Drehgelenk 800 einer Haltevorrichtung,
dass eine um eine Achse 801 drehbar gelagerte Masse in
Form eines medizinisch-optischen Instruments 802 trägt. Das
medizinisch-optische Instrument 802 erfährt eine Schwerkraft in Richtung
des Pfeils 803. Diese Schwerkraft ruft in der Achse 801 des
Drehgelenks 800 einen Last-Drehmoment 804 hervor.
Zur Kompensation dieses Last-Drehmoments 804 ist dem Drehgelenk 800 eine Antriebseinheit
mit Elektromotor 805 zugeordnet. Der Elektromotor 805 ist
mittels eines Getriebes 806 an die Achse 801 des
Drehgelenks gekoppelt und vermag so, das medizinisch-optische Instrument 802 in Richtung
der Pfeile 807, 808 zu bewegen. Bei einer Bewegung
des medizinisch-optischen Instruments 802 treten im allgemeinen
am Drehgelenk 800 Reibungskräfte und Beschleunigungskräfte auf.
Diese Kräfte
erweisen sich insbesondere als davon abhängig, in welcher Richtung das
medizinisch-optische Instrument 802 am Drehgelenk 800 verstellt
wird.
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Die 9 zeigt in einem Graphen 903 eine erste
Motorstromkurve 901 einen Motorstrom für den Elektromotor 805 aus 8 in Abhängigkeit der Winkelstellung φ des Drehgelenks 800 aus 8, um das medizinisch-optische
Instrument 802 in Richtung des Pfeils 807 zu bewegen.
Eine Motorstromkurve 902 entspricht dem Motorstrom des
Elektromotors 805 aus 8,
der erforderlich ist, um das medizinisch optische Instrument in
Richtung des Pfeils 803 aus 8 zu
bewegen.
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Die
Motorstromkurven 901 und 902 erweisen sich messungsbedingt
als verrauscht und sind parallel zur Abszisse des Graphen 903 verschoben.
Durch Bilden eines Mittelwertes der Motorstromkurve 901 und 902 mittels
geeigneter mathematischer Mittelungsalgorithmen ergibt sich eine
unverrauschte Motorstromkurve 904. Diese Motorstromkurve 904 entspricht
einem mittels des Elektromotors 805 aus 8 erzeugbaren Drehmoments beim Drehgelenk 800,
das für
eine gegebene Drehgelenkstellung an einen exakten statischen Drehmomentausgleich
ermöglicht.
Diese Motorstromkurve ist nämlich
weder durch Reibungs- noch durch Beschleunigungskräfte verfälscht, da
der Beitrag dieser Kräfte
durch Bilden des entsprechenden Mittelwertes eliminiert wurde.
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Um
eine geeignete Motorstromkurve für Drehmomentausgleich
zu berechnen, ist es dabei nicht erforderlich, das medizinisch-optische
Instrument 802 am Drehgelenk 890 aus 8 im Winkelbereich 0 ≤ φ ≤ 2π um die Achse
des Drehgelenks 801 zu bewegen.
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Da
bekannt ist, dass das statische Last-Drehmoment bei dem Drehgelenk
der anhand von 6 erläuterten
Beziehung genügt,
ist es nämlich
mittels geeigneter mathematischer Algorithmen möglich, aus dem erfassten Verlauf
der Motorstromkurven in einem Winkelbereich 905 oder 906 in 9 auf eine Motorstromkurve
im Winkelbereich 0 < φ < 2π zu schließen.
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Die 10 zeigt eine an einer Haltevorrichtung 1000 aufgenommenes
Operationsmikroskop 1001. Das Operationsmikroskop 1001 ist
an der Haltevorrichtung 1000 und eine Achse 1002 drehbar
gelagert und kann dort in den mit dem Pfeil 1003 angedeuteten
Winkelbereich verstellt werden. Zum Ausgleich von Last-Drehmomenten
in beliebigen Winkelstellungen des Operationsmikroskops 1001 ist
ein Elektromotor 1004 vorgesehen, der mittels eines Getriebes
auf das Operationsmikroskop 1001 wirkt.
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Zur
Aufnahme einer geeigneten Motorstromkurve für Drehmomentausgleich ist es
hier ausreichend, das Operationsmikroskop 1001 beispielsweise
im Bereich einer der mit den Pfeilen 1005, 1006 oder 1007 angedeuteten
Winkelbereichen zu bewegen. Damit kann, selbst wenn eine Bewegung
des Operationsmikroskops 1001 um die Achse 1002 aufgrund
von angeschlossenen Zusatzgeräten
eingeschränkt
ist, eine über
den gesamten zugänglichen Winkelbereich
eine passende Motorstromkurve für Drehmomentausgleich
bestimmt werden.
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Die 11 zeigt schematisch eine
Schaltungsanordnung zur Steuerung mehrerer Elektromotoren in einer
Schaltungsanordnung mit mehreren Drehgelenken. Die Schaltungsordnung 1101 hat
eine Motorsteuereinheit 1102, die mit Elektromotoren 11031 , 11032 ,
..., 1103n verbunden sind. Diese
Elektromotoren 11031 , 11032 , ..., 1103n sind
Drehgelenken 11041 , 11042 , ..., 1104n zugeordnet.
Jedes Drehgelenk mit Elektromotor umfasst einen Stellungsgeber oder
Encoder, mit dem die momentane Winkelstellung des Drehgelenks bestimmt
werden kann. Eine mehrdimensionale Stromsteuerkurve, die als Grundlage
zur Einstellung eines Gleichgewichtszustandes bei einer Haltevorrichtung
mit entsprechend vielen Drehgelenken herangezogen werden kann, lässt sich
bestimmen, indem zunächst
die Winkelstellung aller Drehgelenke 11041 , 11042 , ..., 1104n ermittelt
wird. Bei bekannter Stellung der Drehgelenke 11042 ,
..., 1104n wird dann eine Stromsteuerkurve
wie anhand von 7 beschrieben
für den
Elektromotor 11031 des Drehgelenks 11021 aufgenommen und als n-dimensionaler
Datensatz in einem elektronischen Speicher 1105 abgelegt.
Anschließend
wird eine entsprechende Stromkurve für das Drehgelenk 11032 bei bekannter Stellung der übrigen Drehgelenke
aufgenommen, und so weiter.
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Nach
dem Ermitteln eines Stromkurvensatzes kann durch Umrechnen mit entsprechenden
trigonometrischen Funktionen für
alle Drehgelenke 11031 , 11032 , ..., 1103n bei
bekannter Winkelstellung aller Drehgelenke ein Stromdatensatz berechnet werden,
der für
jeden Elektromotor 11031 , 11032 , ..., 1103n einen
Strom für
Gleichgewicht angibt.
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Die 12 zeigt eine als Manipulator 1200 ausgebildete
Haltevorrichtung mit mehreren Drehgelenken. Die Haltevorrichtung
umfasst einen Lenker 1201, der an einer Ständereinheit 1202 angeordnet ist
und dort mit Drehachsen 1203 und 1204, denen Elektromotoren 1205 und 1206 zugeordnet
sind, bewegt werden kann. Der Lenker 1201 ist über ein Drehgelenk 1207 mit
dem Lenker 1208 verbunden. Über ein Drehgelenk 1209 hält dieser
Lenker 1208 wiederum einen Lenker 1210. An diesem
Lenker 1210 befindet sich an einem Drehgelenk 1211 eine Instrumentenaufnahmeeinheit 1212 mit
einer Einheit zur Aufnahme eines Werkzeugs in Form eines Instrumentenhalters 1213.
Der Instrumentenhalter 1213 hält als medizinisches Instrument
ein Operationswerkzeug 1220.
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An
der Instrumentenaufnahmeeinheit 1212 ist ein Handgriff 1214 vorgesehen,
mit dem eine nicht dargestellte Bedienperson den Manipulator 1200 steuern
kann. An den Drehgelenken 1207, 1209 und 1211 sind
jeweils Elektromotoren 1215, 1216 und 1217 angeordnet.
Die Ständereinheit 1202 selbst
befindet sich auf einer Ständerkonsole 1218 und
kann dort um eine vertikale Achse 1219 gedreht werden. Mit
dem Handgriff 1214 ist es einer Bedienperson möglich das
am Instrumentenhalter 1213 aufgenommene Instrument 1220 entsprechend
der mit Pfeilen 1221, 1222, 1223 und 1224 angedeuteten
Richtungen zu bewegen.
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An
den Drehgelenken des Manipulators 1200 sind Winkelgeber 1225, 1226, 1227 und 1228 vorgesehen,
mittels derer die momentane Stellung der Drehgelenk erfasst wird.
Die Signale der Winkelgeber 1225, 1226, 1227 und 1228 werden
einer Steuervorrichtung 1229 zugeführt, welche die Elektromotoren 1215, 1216 und 1217 entsprechend
der anhand von 11 erläuterten
Weise für
Drehmomentausgleich steuert. Dies gestattet einer Bedienperson, über den
Handgriff 1214 den Manipulator 1200 entsprechend
der mit den Pfeilen 1221, 1222, 1223 und 1224 angedeuteten
Richtungen kräftefrei
zu führen.
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Die 13 zeigt schematisch eine
im Vergleich zu 7 bzw. 11 modifizierte Schaltungsanordnung 1301 zur
Steuerung eines Elektromotors 1303 in einem Drehgelenk
der als Manipulator ausgebildeten Haltevorrichtung aus 12.
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Die
Schaltungsanordnung 1301 umfasst eine Motorsteuereinheit 1302,
die mit dem Elektromotor 1303 verbunden ist. Die Schaltungsanordnung 1301 enthält weiter
einen Stellungsgeber 1304, welcher der Motorsteuereinheit 1302 eine
Information über
die momentane Stellung des Drehgelenks mit dem Elektromotor 1303 zuführt. Entsprechend
der Schaltungsanordnung 701 auf 7 weist die Schaltungsanordnung 1301 einen
elektronischen Speicher 1305 auf, in dem eine Stromsteuerkurve
abgelegt ist. Die Stromsteuerkurve trägt die Information eines für Drehmomentausgleich
erforderlichen Stromes für den
Elektromotor an dem betreffenden Drehgelenk als Funktion der Drehgelenkstellung.
Diese Stromsteuerkurve kann beispielsweise als mathematische Funktion
oder als Wertetabelle abgespeichert sein. Dabei kann vorgesehen
sein, ggf.
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Zwischenwerte
mittels einer geeigneten mathematischen Funktion zu interpolieren.
Für eine
momentane Drehgelenkstellung generiert die Motorsteuereinheit 1302 ein
Motorsteuersignal ME für Drehmomentausgleich in dem
Drehgelenk mit Elektromotor 1303.
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Im
Unterschied zur Schaltungsanordnung 701 aus 7 ist bei der Schaltungsanordnung 1301 zusätzlich eine
Einheit zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 vorgesehen. Die
Einheit zum Erfassen der zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung 1306 ist
mit dem Stellungsgeber 1304 verbunden. Sie ermittelt durch
zeitliches Ableiten der vom Stellungsgeber 1304 zugeführten Information über die
Drehgelenkstellung die zeitliche Änderung der Drehgelenkstellung.
Alternativ ist es beispielsweise aber auch möglich, die zeitliche Änderung
der Drehgelenkstellung durch Auswerten des Motorstromes im Elektromotor 1303 des
entsprechenden Drehgelenks zu erfassen.
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Die
Information der zeitlichen Änderung
der Drehgelenkstellung 1306 wird ebenfalls der Motorsteuereinheit 1302 zugeführt. Dort
speist die erfasste zeitliche Änderung
der Drehgelenkstellung als Regelgröße einen Regelkreis 1307,
der als Stellgröße ein Motorsteuersignal
MR ausgibt. Der Regelkreis 1307 ist
als PID-Regelkreis ausgebildet, dem als Sollwert der Wert φ .soll = 0 als Wert für eine gewünschte zeitliche Änderung
der Drehgelenkstellung vorgegeben ist. Es sei jedoch bemerkt, dass
der Regelkreis auch nach einem anderen in der Fachwelt geläufigen Regelprinzip
aufgebaut sein kann.
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Aufgrund
des gewählten
Sollwertes φ .soll = 0 entspricht das Motorsteuersignal
MR einem Motorstrom im Elektromotor 1303,
der einem Verstellen des Drehgelenks entgegenwirkt.
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In
der Motorsteuereinheit 1302 wird das vom Regelkreis 1307 ausgegebene
Motorsteuersignal MR dem Motorsteuersignal
ME für
Drehmomentausgleich in dem Drehgelenk mit Elektromotor 1303 bei
gegebener Winkelstellung überlagert.
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Eine
Bedienperson, die das entsprechende Drehgelenk etwa mit einem in
der 12 gezeigten Handgriff 1214 verstellt,
nimmt dieses Entgegenwirken des Elektromotors als einen von einer
Verstellgeschwindigkeit abhängigen
Verstellwiderstand entsprechend einer Trägheitskraft war.
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Die
Abhängigkeit
des Verstellwiderstands von der Verstellgeschwindigkeit kann etwa
durch Auswahl der Zeitkonstante bei dem PID-Regelkreis auf einen
gewünschten
Wert eingestellt werden.
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Bei
Verwendung entsprechender Regelkreise ist es grundsätzlich auch
möglich,
einer gegebenen Verstellgeschwindigkeit einen gewünschten
Verstellwiderstand zuzuordnen.
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Die
Schaltungsanordnung 1301 ermöglicht so beispielsweise, mit
dem Handgriff 1214 aus 12 ein
an einer Haltevorrichtung aufgenommenes Instrument im Gleichgewicht
um ein Drehgelenk zu bewegen, ohne dass hierbei von einer Bedienperson
Drehmomente erzeugt werden müssen,
die den Drehmomenten, die aufgrund einer Verlagerung des Massenschwerpunkts
des aufgenommenen Instruments bei dem betreffenden Drehgelenk anfallen, entgegenwirken.
Gleichzeitig nimmt beim Bewegen des Handgriffs die Bedienperson
einen haptisch wahrnehmbaren Widerstand wahr, der beispielsweise
unterbindet, dass sich Zitterbewegungen einer menschlichen Hand
auf das an der Haltevorrichtung aufgenommene Instrument übertragen.
Dabei müssen
von einer Bedienperson bei dem Manipulator nicht vordefinierbare
Kräfte
und Momente, wie beispielsweise Schnitt- und Rückstellkräfte beim Schneiden von Gewebe
vom Anwender selbst aufgebracht werden. Dies ist jedoch wünschenswert,
denn hierdurch hat die betreffende Bedienperson ein reales, haptisch
wahrnehmbares Feedback ohne verfälschende
Fremdkräfte.
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Die 14 zeigt schematisch eine
weitere Schaltungsanordnung 1401 zur Steuerung von mehreren
Elektromotoren 14031 , 14032 , ... 1403n ,
die in entsprechenden Drehgelenken einer als Manipulator ausgebildeten
Haltevorrichtung angeordnet sind, wie sie grundsätzlich schon anhand von 11 erläutert wurde. Die Schaltungsanordnung 1401 hat
eine Motorsteuereinheit 1402, die mit den Elektromotoren 14031 , 14032 ,
... 1403n an den entsprechenden
Drehgelenken verbunden ist, deren Drehgelenkstellung durch Stellungsgeber 14041 , 14042 ,
... 1404n erfasst wird. Entsprechend
der Schaltungsanordnung 1101 aus 11 umfasst die Schaltungsanordnung 1101 einen
elektronischen Speicher, in dem eine mehrdimensionale Stromsteuerkurve
abgelegt ist, welche die Information eines Motorstromes für Gleichgewicht
ME1, ME2, ... MEn für
die Elektromotoren 14031 , 14032 , ... 1403n für eine gegebene
Stellung der Drehgelenke enthält.
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Im
Unterschied zur Schaltungsanordnung 1101 sind bei der Schaltungsanordnung 1401 als
Einheiten zum Erfassen zeitlichen Änderung der Stellung der betreffenden
Drehgelenke 14061 , 14062 , ... 1406n vorgesehen,
welche die Information einer zeitlichen Änderung der Drehgelenkstellung
der Motorsteuereinheit 1402 zuführen.
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In
der Motorsteuereinheit 1402 speist diese Information als
Regelgröße Regelkreise 11071 , 14072 ... 1407n , welche als Stellgröße ein Motorsteuersignal MR1, MR2, ... MRn, ausgeben. Entsprechend der anhand von 13 erläuterten Schaltungsanordnung wirkt
ein jedes der Motorsteuersignale MR1, MR2, ... MRn dem Verstellen
des Drehgelenks, dem der betreffende Elektromotor 14031 , 14032 ,
... 1403n zugeordnet ist, entgegen.
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In
der Motorsteuereinheit 1402 werden die von den Regelkreisen 14071 , 14072 ,
... 1407n ausgegebenen Motorsteuersignale
MR1, MR2, ... MRn den Motorsteuersignalen ME1,
ME2, ... MEn für Drehmomentausgleich
durch die Elektromotoren 14031 , 14032 , ... 1403n überlagert.
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Die
Schaltungsanordnung ermöglicht
somit mit einem Manipulator als Haltevorrichtung mit mehreren Drehgelenken,
die mit entsprechenden Elektromotoren angetrieben werden, über einen
geeigneten Handgriff ein Instrument im Gleichgewicht zu führen, das
heißt
für eine
Bedienperson scheinbar kräftefrei zu
bewegen ohne dass sich beispielsweise Zitterbewegungen einer menschlichen
Hand auf das Instrument übertragen.
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Eine
als Manipulator, ausgebildete Haltevorrichtung, die über eine
in der 11 gezeigte Schaltungsanordnung
gesteuert wird, erlaubt somit ein präzises, zitterfreies Führen von
mikrochirurgischen Instrumenten, insbesondere Injektoren, Endoskopen oder
Labraskopen. Grundsätzlich
kann ein solcher Manipulator in jeder Bewegungsachse mit einem elektronischen
Antrieb versehen sein, der in geeigneter Weise gesteuert bzw. geregelt
ist. Mit einem solchen Manipulator können beispielsweise Implantate, Permamentpharmaka,
Sensoren, Aktoren oder auch Detektoren und ähnliches an einem Patienten
exakt positioniert werden.
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Ein
solcher Manipulator kann auch einen Tastkopf zum Vermessen von Werkstücken oder
ein Greifwerkzeug tragen. Es ist grundsätzlich auch möglich, mit
einem entsprechenden Manipulator schwere Instrumente, Gegenstände oder
Werkzeuge aufzunehmen, welche dann eine Bedienperson feinmotorisch
bewegen kann. Beispielsweise können
so insbesondere schwere Gegenstände
genau positioniert, fixiert oder montiert werden.
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Wird
für den
Manipulator eine Lenkerkonstruktion gewählt, die einem Gewichtsausgleich
um entsprechende Drehgelenke über
eine geeignete Masseverteilung Rechnung trägt, so ist es möglich, vergleichsweise
schwache Elektromotoren zur Einstellung eines Drehmomentausgleichs
in den Bewegungsachsen des Manipulators einzusetzen. Dies kann grundsätzlich auch
einen manuellen „Handbetrieb" des Manipulators
ohne Unterstützung
von Elektromotoren ermöglichen.
Insbesondere müssen
hier nur die vergleichsweise geringen Momente eines schwachen Elektromotors überwunden
werden.
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Für das Arbeiten
mit dem Manipulator kann vorgesehen sein, einen mit dem Manipulator
aufzunehmenden Gegenstand beispielsweise mittels Barcode oder durch
Auslösen
eines Mikrochips entsprechend zu identifizieren und entsprechend
einer vorbekannten Massenverteilung des aufgenommenen Gegenstands
dann geeignete Motorstromsteuerkurven für Drehmomentkompensation in
dem Speicher einer dem Manipulator zugeordneten Steuervorrichtung
einzustellen.
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Der
Vollständigkeit
halber sei bemerkt, dass ein entsprechendes Werkstück oder
Werkzeug als ein am Manipulator aufgenommener Gegenstand grundsätzlich auch über das
Identifikationsprinzip automatischer Zufuhreinrichtungen bei Werkzeugmaschinen
in Form von Magazinen oder Wechslern identifiziert werden kann.
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Im
Vergleich zur klassischen Robotertechnik, in der aufwändige Sensor-Aktuator-Regelungen für Servobetrieb
von mittels Motoren angetriebenen Roboterarmen eingesetzt werden
müssen,
hat die beschriebene Haltevorrichtung den Vorteil, dass es keiner
kostspieligen Kraft-Momentsensoren bedarf.