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Die
Erfindung betrifft eine Roboterstruktur, insbesondere für die minimalinvasive
Chirurgie.
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In
der robotergestützten
minimal-invasiven Chirurgie werden Instrumente wie Greif- oder Schneidinstrumente
an einem distalen Ende einer Roboterstruktur vorgesehen. Die Instrumente
befinden sich während
der Operation im Körperinneren des
Patienten. Um die mit der Roboterstruktur verbundenen Instrumente
betätigen
und bewegen zu können,
weist die Roboterstruktur mindestens zwei Roboterelemente auf, die über ein
Gelenk oder mehrere Gelenke miteinander verbunden sind. Hierbei
ist ein erstes Roboterelement beispielsweise als Roboterarm und
das zweite, bewegbare Roboterelement als Greif- oder Scherenmechanismus
ausgebildet. Das bewegbare Roboterelement umfasst zumindest zwei
insbesondere gegeneinander bewegbare Greifelemente. Zum Betätigen des
bewegbaren Roboterelements ist mit diesem eine Kraftübertragungseinrichtung,
die beispielsweise Seilzüge
aufweist, verbunden.
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Zur
Messung der auftretenden Kräfte,
insbesondere der Greifkräfte,
ist mit der Roboterstruktur ein Sensorelement verbunden. Derartige
Sensorelemente werden bisher bei kommerziellen Instrumenten aufgrund
von auftretenden Messungenauigkeiten nicht eingesetzt. Das Vorsehen
von Sensorelementen bei derartigen Roboterstrukturen erfolgt bisher nur
bei Forschungsinstrumenten. Grundsätzlich besteht die Problematik,
dass die Messung der Kontaktkräfte und
Greifkräfte
des bewegbaren Roboterelements nur mit sehr schlechter Auflösung gemessen werden
können,
da die auftretenden Kräfte
von erheblich größeren Antriebs-
bzw. Bewegungskräften von
der Kraftübertragungseinrichtung
auf das bewegbare Roboterelement überlagert werden. Hierbei sind
Greifkräfte
diejenigen Kräfte,
die beim Greifen eines Objekts entstehen, das nicht mit der Umgebung
in Kontakt steht. Kontaktkräfte
entstehen durch die Interaktion eines Instruments oder eines gegriffenen
Objekts mit der Umgebung. Hierbei sind die Kontaktkräfte unabhängig von
dem Greifzustand. Kontaktkräfte
weisen sechs Freiheitsgrade, nämlich
drei Kräfte
und drei Momente, auf.
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Zum
Messen der Greifkraft ist es beispielsweise bekannt, die Antriebs-
bzw. Bewegungskraft zu messen. Die Antriebskraft ist hierbei ein
Maß für die Greifkraft
und hat daher keine störenden
Einflüsse. Die
Messung der Greifkraft ist jedoch relativ ungenau. Ein derartiges
Instrument ist in J. Rosen, B. Hannaford, M. MacFarlane und M. Sinanan, "Force Controlled
and Teleoperated Endoscopic Grasger for minimally Invasive Surgery – Experimental
Performance Evaluation",
IEEE Transactions an Biomedical Engineering, 1999 und G. Tholey,
A. Pillarisetti, W. Green und J. Desai, "Design, Development and Testing of an
Automated Laparoscopic Grasger with 3D Force Measurement Capability", Medical Simulation:
International Symposium, ISMS 2004, beschrieben.
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Ferner
ist es zum Messen der auftretenden Kräfte bekannt, in den Greifbacken
entsprechende Sensoren, wie Drucksensoren, vorzusehen. Dieses in
G. Tholey, A. Pillarisetti, W. Green und J. Desai, "Design, Development,
and Testing of an Automated Laparoscopic Grasger with 3D Force Measurement Capability", Medical Simulation:
International Symposium, ISMS 2004 beschriebene Instrument weist
jedoch den Nachteil auf, dass für
die Integration von Sensoren nur ein geringes Bauvolumen vorhanden ist,
da die Greifbacken insbesondere in der minimal-invasiven Chirurgie
möglichst
klein ausgebildet sein müssen.
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Ferner
ist in H. Mayr, I. Nagy, A. Knoll, E. Schirmbeck und R. Bauernschmitt, "Upgrading Instruments
for Robotic Surgery",
Australasian Conference an Robotics & Automation, 2004, ein Instrument
beschrieben, bei dem Bowdenzüge
zur Übertragung
der Antriebskräfte
mit Hilfe eines Zugmediums vorgesehen sind. Die Abstützung der
Kräfte
erfolgt hierbei über
einen rigiden Mantel, der biegeweich aber in axialer Richtung zugsteif
ausgebildet ist. Der Mantel dient hierbei sowohl zum Schließen des
Kraftflusses der Antriebskräfte,
bei denen es sich um relativ hohe Kräfte handelt, als auch zum Messen der
Kontaktkräfte,
die vergleichsweise gering sind. Die Bowdenzüge stützen zumindest einen Teil der
zu messenden Axialkräfte
ab. Dies hat eine Verschlechterung der Messergebnisse zur Folge.
Der Einfluss der Abstützung
ist hierbei von der Lage der Bowdenzüge relativ zum Sensor abhängig. Die
Beeinflussung der Abstützung
kann daher variieren und ist mathematisch nicht oder nur ungenügend zu
kompensieren.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Roboterstruktur zu schaffen, bei der
die Messung auftretender Kräfte
unabhängig
von Antriebs- bzw. Bewegungskräften
verbessert ist.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs
1.
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Die
erfindungsgemäße Roboterstruktur
weist zwei über
ein Gelenk miteinander verbundene Roboterelemente auf. Ein erstes
Roboterelement ist relativ zu einem zweiten Roboterelement bewegbar.
Das zweite Roboterelement weist zwei gegeinander bewegbare Greif-
und/oder Schneideelemente auf, die über ein Gelenk mit dem ersten
Roboterelement verbunden sind. Ferner ist eine Kraftübertragungseinrichtung
zum Bewegen der Greif- und/oder Schneideelemente des bewegbaren
Roboterelements vorgesehen. Ferner ist ein Sensorelement zur Aufnahme
von an dem bewegbaren Roboterelement auftretenden Kräften oder
Momenten vorgesehen.
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Um
den Einfluss der von der Kraftübertragungseinrichtung
auf das bewegbare Roboterelement übertragenen Bewegungskräfte beim
Messen von an dem bewegbaren Roboterelement auftretenden Kräften oder
Momenten möglichst
gering zu halten, ist die Kraftübertragungseinrichtung
erfindungsgemäß derart
mit einem mit dem ersten Roboterelement fest verbundenen Basiselement
des Sensorelements verbunden, dass sich die Bewegungskräfte vorzugsweise
vollständig
an dem Basiselement abstützen.
Da die Bewegungskräfte
somit erfindungsgemäß keinen
oder allenfalls einen geringen Einfluss auf die von den Sensorelementen
gemessenen Kräfte
haben, ist die Messgenauigkeit erheblich verbessert.
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Erfindungsgemäß ist das
Gelenk zur Aufnahme der durch Kontaktkräfte an den Greif- und/oder Schneidelementen
verursachten Kräfte
und/oder Momente mit einem Aufnahmeteil des Sensorelements verbunden.
Hierdurch erfolgt eine Übertragung
der an dem Gelenk und/oder dem bewegbaren Roboterelement auftretenden
Kräfte
oder Momente auf das Aufnahmeteil des Sensorelements, so dass unmittelbar
die interessierenden Kräfte
oder Momente gemessen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform,
in der das bewegbare Roboterelement mindestens zwei. Greif- und/oder
Schneidelemente aufweist, erfolgt somit ein exaktes Messen der auftretenden
Kräfte.
Der Einfluss von Bewegungs- bzw. Antriebskräften ist aufgrund der Abstützung an
dem Basiselement des Sensorelements stark verringert, insbesondere
ausgeschlossen.
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Die
Kraftübertragungseinrichtung
weist beispielsweise Seile, Stangen und/oder Wellen auf. Vorzugsweise
weist die Kraftübertragungseinrichtung mindestens
zwei Kraftübertragungselemente
zum Übertragen
der Bewegungs- bzw. Antriebskraft auf. Hierbei sind die Kraftübertragungselemente
derart ausgebildet bzw. angeordnet, dass die Bewegungskräfte und/oder
Bewegungsmomente im Wesentlichen einander entgegen gerichtet sind.
Dies kann beispielsweise durch gegenläufig rotierende flexible Wellen,
aber auch durch ineinander laufende gegenläufige Schub-/Druckstangen erfolgen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Kraftübertragungselemente
als Seilzüge
ausgebildet. Die Kraftübertragungselemente,
insbesondere die Seilzüge,
sind mit einer Umlenkeinrichtung, die beispielsweise zwei Rollen
aufweist, verbunden. Mit Hilfe der Umlenkeinrichtung ist es möglich, die
Kraftrichtung derart zu verändern,
dass die Bewegungskräfte
im Wesentlichen einander entgegen gerichtet sind. Die als Umlenkeinrichtung
dienenden Rollen können
vorzugsweise auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein.
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Zur
Aufnahme der Bewegungskräfte
und/der Bewegungsmomente ist die Umlenkeinrichtung zur Abstützung der
Kräfte
vorzugsweise mit dem Basiselement des Sensorelements oder einem
anderen vom Aufnahmeteil des Sensorelements entkoppelten Bauteil
verbunden. Die die Kraft- und/oder Momentenmessung beeinträchtigenden
Kräfte
und Momente werden somit nicht in das Aufnahmeteil des Sensorelements
eingeleitet, so dass die Messergebnisse nicht verfälscht werden.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform,
bei der das bewegbare Roboterelement mindestens zwei Greif- und/oder
Schneidelemente aufweist, sind die auftretenden Greif- bzw. Schneidkräfte im Wesentlichen
einander entgegen gerichtet. Hierbei sind die an den Greifelementen
auftretenden Kräfte
vorzugsweise derart umgelenkt, dass sie sich gegenseitig aufheben.
Die Greifelemente erzeugen somit beispielsweise um eine Längsachse
des Gelenks lediglich ein Drehmoment. Dieses unerwünschte Drehmoment
ist verglichen mit den Antriebskräften sehr klein. Das Moment
kann aus den Antriebskräften
berechnet und somit rechnerisch kompensiert werden. Drehmomente,
die aus Kontaktkräften
resultieren, können
unmittelbar von einem Sensorelement bestimmt werden. Vorzugsweise
sind die Greifelemente mit Betätigungselementen,
bei denen es sich insbesondere um Seile handelt, verbunden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Roboterstruktur weisen
die Kraftübertragungseinrichtungen
Hebel auf. Die Hebel wirken auf einer Betätigungsseite der Roboterelemente
mit Ansätzen
der Roboterelemente zusammen. Jeweils sind die, insbesondere als
Greifelemente, ausgebildeten Roboterelemente scheren- bzw. zangenartig
ausgebildet. Die Verbindung zwischen den Hebeln und den Ansätzen der
Roboterelemente bzw. der Greifelemente erfolgt hierbei über kurvenförmige Konture,
die aneinander anliegen und nicht miteinander verbunden sind. Insbesondere handelt
es sich um an den Hebeln und den Ansätzen vorgesehene Ausnehmungen
oder Ausbuchtungen, die kurvenförmig
ausgebildet sind. Insbesondere handelt es sich hierbei um Evolventen.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass bei jeder Stellung der Hebel ein fest vorgegebener
Winkel der Greifelemente existiert und daher die Kontaktkräfte keine
Komponente in axialer Richtung aufweisen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Roboterstruktur nach dem Stand
der Technik,
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2 eine
schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Roboterstruktur,
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3 eine
schematische Darstellung mit freigeschnittenen Seilen zur Darstellung
der in der in 2 dargestellten Ausführungsform
wirkenden Kräfte
und
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4 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Roboterstruktur.
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Im
Stand der Technik (1) ist mit dem ersten Roboterelement 10 ein
Sensor 12, wie ein Kraft-/Momentensensor, fest verbunden.
Ein zweites Roboterelement 14, das im dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei gegeneinander bewegbare Greifelemente 16 aufweist,
ist über
ein Gelenk 18 mit dem Roboterelement 10 verbunden.
Das Roboterelement 14 kann somit relativ zu dem Roboterelement 10 bewegt
werden, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel des Standes
der Technik die Bewegung durch ein Greifen oder Schneiden mittels
der Greifelemente 16 erfolgt.
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Die
beiden Greifelemente 16 sind jeweils mit einer im dargestellten
Ausführungsbeispiel
hintereinander angeordneten Rolle 20 fest verbunden, wobei die
beiden Rollen 20 um eine gemeinsame Achse 22 schwenkbar
sind.
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Zum
Betätigen
der Greifelemente 16 weist eine Kraftübertragungseinrichtung zwei
Seile 24, 26 auf. Das Seil 24 ist um
die erste Rolle 20 zu dem in 1 unteren
Greifelement 16 geführt
und über
ein Fixierelement 28 mit dem Greifelement 16 verbunden.
Das zweite Seil 26 ist über
die andere Rolle 20 zu dem oberen Greifelement 16 geführt und über ein entsprechendes
Halteelement 28 mit diesem fest verbunden.
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Durch
Ziehen an den Seilen 24, 26, d.h. durch Erzeugen
einer Kraft Fs 1 und
Fs2 erfolgt ein Schließen der Greifelemente 16 bzw.
ein Erzeugen der Kraft Fg. Eine in der Achse 22 resultierende
Kraft Fr ist die vektorielle Summe der Kräfte Fg, Fs1 und Fs2. Die Achse 22 und somit das Gelenk 18 ist über ein Verbindungselement 30 mit
dem Sensor 12 verbunden. Durch das Verbindungselement 30 wird
die Kraft Fr auf den Sensor 12 übertragen. Die Kraft Fr resultiert
aus den Antriebskräften,
die nötig
sind, um die Greifkraft Fg zu erzeugen.
Hierbei muss berücksichtigt
werden, dass die Antriebskraft im Bereich von 50 bis 100 N und dass
die Greifkraft im Bereich von 10 bis 20 N liegt. Hierbei treten
die Greifkräfte
nur an den Zangenbacken 16 auf und bestimmen sich aus dem
Verhältnis
eines Durchmesser der Rolle 18 sowie der Länge der
Backen 16. Die auftretenden Kontaktkräfte aus Interaktion mit Gewebe
liegen im Bereich von 0 bis 5 N. Von Interesse zur Messung sind an
dem Sensorelement 12 lediglich die Kontaktkräfte. Die
Messung der relativ kleinen Kontaktkräfte wird durch die hohen Antriebskräfte massiv
gestört.
Die Kontaktkraft ist somit von der Bewegungs- bzw. Antriebskraft überlagert.
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Bei
der im Folgenden erläuterten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung (2 und 3) sind
identische und ähnliche
Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß sind die
Seile 24, 26 nicht unmittelbar zu den fest mit
den Greifelementen 16 verbundenen Rollen 20, sondern über eine
Umlenkeinrichtung 32 geführt. Die Umlenkeinrichtung 32 weist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
zwei Umlenkrollen 34 auf. Die Umlenkeinrichtung 34 ist über Verbindungselemente 36 mit
einem Basiselement 38 des Sensorelements 12 verbunden.
Das Basiselement, bei dem es sich beispielsweise um das Gehäuse des
Sensorelements handelt, ist fest mit dem Roboterelement 10 verbunden.
Eine durch das Greifen erzeugte resultierende Kraft Fr, die an der
Umlenkeinrichtung 32 auftritt und im Wesentlichen der resultierenden
Kraft Fr gemäß dem Stand
der Technik (1) entspricht, wird somit auf
das Basiselement 38 des Sensors 12 bzw. auf das
Roboterelement 10 übertragen.
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Durch
Vorsehen der Umlenkeinrichtung 34 werden, wie insbesondere
aus 3 ersichtlich ist, die Betätigungskräfte Fs1 und
Fs2 um 90° umgelenkt, so
dass sie aufeinander zu gerichtet sind. Hierdurch wird ein Gleichgewicht
in den Zugseilen 24, 26 erzeugt.
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Mit
den beiden Greifelementen 16 sind Betätigungselemente 40, 42 (3)
verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Betätigungselement 40 einstückig mit
dem Kraftübertragungselement 26 als
ein Seilzug ausgebildet. Entsprechend ist das Betätigungselement 42 mit
dem Kraftübertragungselement 24 einstückig als
Seilzug ausgebildet.
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Die
Seilkräfte
Fg1 und Fg2 werden
von dem Gelenk 18 bzw. den beiden Gelenkrollen 20 umgelenkt
und sind auf der in 2 linken Seite des Gelenks 18 aufeinander
zu gerichtet. Die beiden Seilkräfte
Fg1 und Fg2 weisen
somit keine axiale Kraftkomponente, d.h. eine in Richtung der Kraft
Fr weisende Kraftkomponente, auf. Senkrecht zur Zeichenebene hintereinander
liegende Seile bewirken ein Dreh- bzw. Kippmoment um den Drehpunkt
des Gelenks 18, d.h. senkrecht zur Achse 22. Dieses
Drehmoment wird von der Achse 22 über Verbindungselemente 30 auf
den Sensor 12 übertragen.
Das hierdurch erzeugte Dreh- bzw. Kippmoment ist relativ klein und
ist den Kontaktkräften
als Fehler überlagert.
Aus den Seilkräften
(gemessen) und dem Abstand der Seile (senkrecht zur Zeichenebene)
kann das auftretende Drehmoment berechnet werden und von den Kontaktkräften abgezogen
werden. Erfindungsgemäß sind die
Verbindungselemente 30 mit dem Aufnahmeteil 44 des
Sensors 12 verbunden. Auf das Aufnahmeteil 44 des
Sensors 12 wirken somit ausschließlich Kräfte und Momente, die durch
den Kontakt mit z.B. Gewebe entstehen. Eine Beeinflussung der aufgenommenen
Kräfte
und Momente durch die Bewegungs- bzw. Antriebskräfte erfolgt praktisch nicht.
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Die
Messung der Antriebskräfte
für das Schließen der
Greifbacken 16 kann aus den Seilkräften am Antrieb bestimmt werden.
Dies erfolgt durch ein nicht dargestelltes Sensorelement oder direkt
aus dem Drehmoment, das auf die Umlenkeinrichtung 32 wirkt.
Hierfür
ist an der Umlenkeinrichtung 32 ein nicht dargestelltes
Sensorelement vorgesehen.
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Der
Hauptunterschied zwischen der in 2 dargestellten
erfindungsgemäßen Ausführungsform und
dem in 1 dargestellten Stand der Technik stellt somit
der Angriffspunkt der Kraft Fr dar. Da die Kraft
Fr an der Umlenkeinrichtung 32 angreift,
wird sie von der Basis des Sensorelements abgestützt. Die Umlenkrollen 34 dienen
hierbei lediglich als Mittel zur Verschiebung des Angriffspunkts
der Kraft Fr.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können anstatt
des Vorsehens von Seilen als Kraftübertragungs- und Betätigungselemente auch
entsprechende Hebel, wie in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
in 4 dargestellt, vorgesehen sein. In dem, in der
schematischen 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind identisch und ähnliche
Bauteile mit demselben Bezugszeichen wie in dem in den 2 und 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
bezeichnet.
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In
dieser Ausführungsform
sind die Greifelemente 16 entsprechend Scheren ausgebildet.
Jedes Greifelement 16 weist somit auf der Betätigungsseite,
die in 4 auf der linken Seite des Gelenks angeordnet
ist, jeweils Ansätze 46 auf.
Diese stabförmigen
Ansätze 46,
von denen jeweils eines einstückig mit
einem Greifelement 16 ausgebildet ist, wirken mit Hebeln 48 zusammen.
Die Hebel 48 sind über
Achsen 50 drehbar in dem Rotorelement 10 gehalten. Die
freien Enden der Hebel 48 werden im dargestellten Ausführungsbeispiel über Seile 24, 26 betätigt. Die
Hebel 48 können
beispielsweise auch über
Zahnstangen, Pneumatikeinrichtungen etc. betätigt werden.
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Um
den Einfluss von in axialer Richtung wirkender Kräfte auf
das Sensorelement 12 und eine hiermit verbundene Verfälschung
der Messergebnisse zu vermeiden, sind die Hebel 48 nicht
fest mit den Ansätzen 46 der
Greifelemente 16 verbunden.
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Die
Ansätze 46 weisen
kurvenförmige
Ausnehmungen 52 auf, wobei anstelle von Ausnehmungen 52 auch
kurvenförmige
Ausbuchtungen vorgesehen sein könnten.
Die Form der Kurven ist hierbei derart gewählt, dass auftretende Längskräfte nicht übertragen
werden. Dies wird erfindungsgemäß vorzugsweise
dadurch erreicht, dass am jeweiligen Kontaktpunkt zwischen Endstücken 54 der
Hebel 48 und den Ausnehmungen 52 die Winkelstellung
der Kurve jeweils parallel zum Außenrohr 44, bzw. parallel
zur Ausrichtung des Elements 12 verläuft. Die Tangente an die Evolventen-Kurve 52 ist
somit parallel zum Sensorelement 12.
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Bei
beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind gegebenenfalls
Federn vorgesehen, die die Greifelemente 16 in geöffnete Stellung bringen
und sicherstellen, dass bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
die Endstücke 54 an den
kurvenförmigen
Ausnehmungen 52 anliegen.