DE102014016824A1

DE102014016824A1 - Intelligenter Haltearm für die Kopfchirurgie mit berührungsempfindlicher Bedienung

Info

Publication number: DE102014016824A1
Application number: DE102014016824.7A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Krinninger; Stephan Nowatschin
Original assignee: Medineering GmbH
Current assignee: Brainlab Robotics GmbH
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2034-11-15
Also published as: DE102014016824B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Haltearm (1) für medizinische Zwecke, insbesondere zum Halten von chirurgischen mechatronischen Assistenzsystemen und/oder chirurgischen Instrumenten, mit einem proximalen Ende (2) zum Befestigen des Haltearms (1) an einer Basis und einem distalen Ende (4) zum Aufnahmen eines chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments; wenigstens einem ersten und einem zweiten Armsegment (12, 14), wobei das erste Armsegment (12) mit einem ersten Gelenk (13) und das zweite Armsegment (14) mit einem zweiten Gelenk (15) verbunden ist, wobei jedes Gelenk (13, 15) freigebbar und arretierbar ist. Gemäß der Erfindung ist eine Bedieneinrichtung (28) zum Verbringen des Haltearms (1) in eine gewünschte Pose vorgesehen, wobei die Bedieneinrichtung (28) dazu eingerichtet ist bei Kontakt zwischen einer Bedienperson und einem der ersten und zweiten Armsegmente (12, 14) das zugeordnete Gelenk (13, 15) freizugeben. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Haltearm für medizinische Zwecke, insbesondere zum Halten eines chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments, mit einem proximalen Ende zum Befestigen des Haltearms an einer Basis und einem distalen Ende zum Aufnehmen eines chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments; wenigstens einem ersten und einem zweiten Armsegment, wobei das erste Armsegment mit einem ersten Gelenk und das zweite Armsegment mit einem zweiten Gelenk verbunden ist, wobei jedes Gelenk freigebbar und arretierbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Positionieren eines an einem Haltearm gekoppelten chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments.
Haltearme der eingangs genannten Art sind bereits seit längerem bekannt und werden in der Chirurgie insbesondere dazu eingesetzt, einen Operateur von statischer Haltearbeit zu entlasten. Ein derartiger Haltearm wird eingesetzt, um ein mechatronisches Assistenzsystem und/oder ein chirurgisches Instrument zu halten, wie etwa einen Manipulator, ein Endoskop, eine chirurgische Klemme und dergleichen. Insbesondere zum Halten von Endoskopen haben sich die eingangs genannten Haltearme bewährt. Bei der endoskopischen Chirurgie bedient ein Operateur in der Regel mit beiden Händen ein Instrument, während ein Assistent das Endoskop hält, um das Operationsfeld über einen Bildschirm sichtbar zu machen. Das Halten des Endoskops über einen längeren Zeitraum, ist sehr ermüdend. Aus diesem Grund werden vermehrt Haltearme eingesetzt.
Eine solcher Haltearm ist beispielsweise aus DE 195 26 915 B4 bekannt. Die dort offenbarte Haltevorrichtung für medizinische Zwecke weist ein Anschlussteil und einen Halter für chirurgische Werkzeuge sowie einen zwischen dem Halter und dem Anschlussteil angeordneten Arm auf. Der Arm ist mit dem Halter und dem Anschlussteil oder mit einem benachbarten Arm über ein Gelenk verbunden und mit einer pneumatisch betätigbaren Vorrichtung zur wahlweisen Festlegung und Lösung der Gelenke gekoppelt, wobei diese Vorrichtung die Gelenke unter Einwirkung einer eine Bremskraft auf das Gelenk ausübenden mechanischen Feder festlegt und wobei die Vorrichtung gegen die Kraft dieser Feder pneumatisch in einen das Gelenk freigebenden Zustand überführbar ist. An dem Halter am proximalen Ende des Arms ist ein Betätigungsorgan angeordnet, mittels dessen Hilfe ein Ventil öffenbar ist, sodass die einzelnen Gelenke des Arms verstellt werden können. Bei Loslassen des Betätigungsorgans wird das Ventil wieder geschlossen, sodass die Gelenke festgelegt sind.
Ein ähnlicher Haltearm ist in EP 1 958 587 B1 offenbart. Der dort offenbarte Haltearm weist ebenfalls mehrere Gelenke auf, und zur Betätigung der Gelenke ist ein berührungssensitiver Sensor vorgesehen. Dieser Sensor ist am Haltearm benachbart zum medizinischen Instrument angeordnet, sodass bei Ergreifen des medizinischen Instruments der Operator in Kontakt mit dem berührungssensitiven Sensor kommt, wodurch die Gelenke des Haltearms freigegeben werden.
Sowohl der in DE 195 26 915 B4 als auch in EP 1 958 587 B1 offenbarte Haltearm dient in erster Linie als eine Art Exoskelett für den Operator, sodass sich der Operateur bei der Operation auf diesem Haltearm abstützen kann und bei Ergreifen des medizinischen Instruments oder bei Betätigung des Betätigungsorgans alle Gelenke freigegeben werden, sodass die Pose des Haltearms verändert werden kann.
Aus DE 10 2004 050 714 A1 ist ein weiterer Haltearm bekannt, der zum Halten eines Endoskops ausgebildet ist. Der Arm weist eine Mehrzahl an Gelenken auf, die pneumatisch geschlossen werden können. Der Haltearm ist mit einem Fußschaltventil verbunden. Bei Betätigung des Fußschaltventils gelangt Druckluft in sämtliche Gelenke, wodurch diese freigegeben werden.
Nachteilig ist allerdings, dass eine genaue Positionierung des an dem Haltearm angeordneten mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments mit den vorbekannten Haltearmen nur schwer möglich ist und stark von dem Geschick des Operateurs abhängig ist. Die Positionsgenauigkeit ist allein auf die Fähigkeiten des Operateurs beschränkt, der das distale Ende des Arms im Raum positioniert.
Um dieses Problem zu beheben ist es bekannt, robotisch unterstützte Haltearme zu verwenden, die neben freigeb- und arretierbaren Gelenken auch Motoren in den Gelenken aufweisen, die über ein Terminal steuerbar sind. Mit diesen robotisch angetriebenen Haltearmen ist eine genaue Positionierbarkeit möglich, allerdings ist eine derartige robotische Steuerung sehr aufwändig und bedarf eines ausgiebigen Trainings des Operateurs. Die Bedienung ist komplex und kann daher zu Problemen führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Haltearm der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach insbesondere intuitiv bedienbar ist, und gleichzeitig eine genauere Positionierung des an dem distalen Ende des Arms befestigten mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch einen Haltearm der eingangs genannten Art gelöst, der eine Bedieneinrichtung zum Verbringen des Haltearms in eine gewünschte Pose aufweist, wobei die Bedieneinrichtung dazu eingerichtet ist, bei Kontakt zwischen einer Bedienperson und einem der ersten und zweiten Armsegmente das zugehörige Gelenk freizugeben. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die Bedieneinrichtung dazu eingerichtet ist, bei Kontakt zwischen einer Bedienperson und dem ersten Armsegment das erste Gelenk freizugeben und bei Kontakt zwischen einer Bedienperson und dem zweiten Armsegment das zweite Gelenk freizugeben. Es ist also erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei Kontakt einer Bedienperson mit einem entsprechenden Armsegment nur das zugeordnete Gelenk freigegeben wird. Dadurch ist es möglich, intuitiv einzelne Gelenke zu bewegen und den Haltearm so segmentweise zu verstellen und in eine gewünschte Pose zu bringen. Dadurch ist eine genauere Positionierung möglich, da inkrementell jedes Segment separat verstellt werden kann. Es ist ebenso möglich, mehrere Segmente auf einmal zu kontaktieren, sodass mehrere Gelenke gleichzeitig freigegeben werden und so verstellbar sind. Dadurch ist es möglich, den Haltearm auf einfache Art und Weise, insbesondere intuitiv, in eine gewünschte Pose zu überführen.
Neben den ersten und zweiten Armsegmenten sind vorzugsweise weitere Armsegmente vorgesehen, die ebenfalls jeweils einem Gelenk zugeordnet sind. Die Armsegmente selbst sind im Wesentlichen starr und vorzugsweise im Wesentlichen stabförmig. Der Begriff „stabförmig” umfasst hier sowohl im Wesentlichen gerade Armsegmente als auch leicht bis stark gekrümmte Armsegmente. Bei einem derartigen Haltearm wechseln sich Armsegmente und Gelenke stets ab, wobei der Haltearm am distalen und am proximalen Ende sowohl mit einem Gelenk als auch mit einem Segment oder einem Anschlusselement enden kann. Mit dem proximalen Ende ist der Haltearm an einer Basis befestigbar. Die Basis kann alternativ fest mit dem Arm gekoppelt sein, oder der Arm ist von der Basis entnehmbar. Die Basis ist in einer Ausführungsform als Operationstisch ausgebildet, und der Haltearm ist mit einem Operationstisch koppelbar. Vorzugsweise ist der Haltearm mit einer an dem Operationstisch vorgesehenen Normschiene koppelbar. Derartige Normschienen sind in der Regel bei Operationstischen vorgesehen, sodass an dem Haltearm zur Kopplung mit der Normschiene eines Operationstisches eine Standardschnittstelle vorgesehen sein kann. Übliche Operationstische sind zudem aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt. Zur Kopplung weisen sie Segmente an den Stirnseiten entsprechende Koppelstellen auf, die in der Regel herstellerspezifisch sind. Bevorzugt ist der Halteamt über eine solche Koppelstelle an dem Operationstisch befestigbar. Dazu kann an dem proximalen Ende ein herstellerspezifischer Adapter vorgesehen sein. Alternativ ist die Basis als eine separate Vorrichtung, wie etwa ein Ständer, der auf dem Boden eines Operationssaales aufstellbar ist. In einer weiteren Alternative ist die Basis als eine Halterung ausgebildet, die beispielsweise an einer Wand oder Decke eines Operationssaales befestigbar ist.
Der Haltearm ist vorzugsweise als sogenannter passiver Haltearm ausgebildet und weist daher ausschließlich aktiv gebremste Gelenke auf, jedoch keine angetriebenen Gelenke, wie dies bei robotischen Haltearmen häufig der Fall ist. Jedes Gelenk ist daher nur freigeb- und arretierbar, allerdings nicht antreibbar. Hierdurch ist der Haltearm einfach aufgebaut und bedarf keiner komplexen Steuerung zu seinem Betrieb.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Bedieneinrichtung Kontaktmittel auf, die dazu vorgesehen sind, dass ein Bediener mit diesen in Kontakt kommt, wobei ein erstes Kontaktmittel der Bedieneinrichtung an dem ersten Armsegment angeordnet ist und ein zweites Kontaktmittel an dem zweiten Armsegment angeordnet ist. Bei Kontakt mit dem ersten Kontaktmittel wird vorzugsweise das erste Gelenk freigegeben, und bei Kontakt mit dem zweiten Kontaktmittel wird vorzugsweise das zweite Gelenk freigegeben. Die Kontaktmittel dienen dazu, den Kontakt zwischen dem Benutzer und dem Armsegment zu erfassen. Die Kontaktmittel sind vorzugsweise jeweils an einer Oberfläche des entsprechenden Armsegments angeordnet. Die Kontaktmittel können sich über das gesamte Armsegment erstrecken oder nur einen Abschnitt von diesem einnehmen. Vorzugsweise erstreckt sich das Kontaktmittel jeweils in etwa um einen halben Umfang bezogen auf eine Zentralachse eines Armsegments.
Dadurch ist das Kontaktmittel in jeder Pose des Haltearms leicht zugänglich, und ein Bediener kann leicht mit diesem in Kontakt kommen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist jedes Kontaktmittel zwei an dem Armsegment im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnete Kontaktmittelelemente auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, dass das zugeordnete Gelenk nur bei Kontakt von den beiden Kontaktmittelelementen freigegeben wird. Das Kontaktmittel besteht vorzugsweise aus den zwei Kontaktmittelelementen, sodass ein Kontakt mit dem Kontaktmittel nur dann vorliegt, wenn beide Kontaktmittelelemente von dem Bediener kontaktiert werden. Indem die beiden Kontaktmittelelemente im Wesentlichen gegenüberliegend, vorzugsweise bezogen auf eine Ebene, die eine Zentralachse des Armsegments enthält, angeordnet sind, ist es möglich, einen unbeabsichtigten Kontakt, beispielsweise durch den Arm eines Bedieners, von einem beabsichtigten Kontakt, einem konkreten Greifen des Armsegments, zu unterscheiden, folglich wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Gelenk nur bei einem Ergreifen des Armsegments, insbesondere durch die Hand des Bedieners, bei dem die beiden gegenüberliegenden Seiten des Armsegments kontaktiert werden, freigegeben. Zur Bedienung des Haltearms und zum Verbringen des Haltearms in eine gewünschte Pose mittels der Bedieneinrichtung ist folglich das Armsegment durch den Bediener so zu ergreifen, dass er in Kontakt mit den beiden Kontaktmittelelementen des Kontaktmittels kommt, woraufhin dann durch die Bedieneinrichtung das zugeordnete Gelenk freigegeben wird und das Armsegment bewegt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Kontaktmittelelemente als Taster ausgebildet. Taster sind besonders einfache Elemente, die sowohl optisch durch den Bediener erfasst werden können, als auch unmittelbar ein taktiles Feedback beim Drücken des Tasters bieten. Ein solcher Taster kann beispielsweise als einfacher Schließer eines elektrischen Kreislaufs oder als kapazitiver Schalter ausgebildet sein. Solange gemäß diesem Ausführungsbeispiel beide Taster gedrückt sind, wird das dem entsprechenden Armsegment zugeordnete Gelenk freigegeben; sobald der Bediener die beiden oder auch nur einen der beiden Taster loslässt, wird das Gelenk durch die Bedieneinrichtung wieder arretiert.
Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform sind die Kontaktmittelelemente als berührungsempfindliche Sensoren ausgebildet. Die Sensoren sind vorzugsweise im Wesentlichen flächig ausgebildet und erstrecken sich über einen wesentlichen Abschnitt der Oberfläche des entsprechenden Armsegments. Vorzugsweise sind die Sensoren als druckempfindliche Sensoren, kapazitive Sensoren, wärmeempfindliche Sensoren und/oder optische Sensoren ausgebildet. Derartige Sensoren haben den Vorteil, dass sie eine größere Fläche abdecken können, der Bediener also das Armsegment nicht so genau kontaktieren muss, sondern es ausreicht, dass der Bediener das Armsegment im Wesentlichen umgreift und so mit dem Sensor beziehungsweise den Sensoren in Kontakt kommt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Bedieneinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der Intensität des Kontakts das zugeordnete Gelenk freizugeben. Intensität bezieht sich hier auf einen Druck und/oder eine Kraft, der bzw. die durch den Bediener aufgebracht wird. So ist es möglich, dass der Bediener durch die Kraft, die er beim Zugreifen aufbringt, einen Grad der Freigabe steuert. So ist es denkbar und bevorzugt, dass das zugeordnete Gelenk bei einer geringen Intensität des Kontakts nur teilweise freigegeben wird, sodass das Armsegment nur langsam und gegen einen Widerstand bewegbar ist. Bei einer hohen Intensität und demzufolge einem festen Zugreifen wird das Gelenk dann vollständig geöffnet, sodass das Armsegment im Wesentlichen widerstandsfrei beweglich ist. Ein teilweises Freigeben kann auch durch ein intermittierendes Freigeben in verschiedenen Frequenzen realisiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Bedieneinrichtung Anzeigemittel zum Anzeigen eines Kontakts zwischen einem Bediener und dem Armsegment auf. Bevorzugt sind die Anzeigemittel dazu eingerichtet, ein taktiles, visuelles und/oder ein Autosignal auszugeben. Gemäß dieser Ausführungsform wird also bei Kontakt zwischen dem Bediener und dem Armsegment nicht nur das zugeordnete Gelenk freigegeben, sondern gleichzeitig als Rückmeldung für den Bediener ein Signal ausgegeben, insbesondere ein taktiles, visuelles und und/oder ein Audiosignal. Beispielsweise ist es bevorzugt, dass Kontaktmittelelemente von Kontaktmitteln ein Leuchtmittel, wie etwa eine LED oder dergleichen, aufweisen, welche bei Kontakt zwischen dem Bediener und dem Kontaktmittelelement aufleuchten. Ein taktiles Signal umfasst beispielsweise eine Vibration. Ein Audiosignal kann einen einfachen Ton oder auch eine Sprachausgabe wie etwa „Gelenk freigegeben” umfassen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Bedieneinrichtung ferner einen Schalter zum Freigeben aller Gelenke auf. Ein derartiger Schalter, mittels dessen alle Gelenke freigebbar sind, kann als Masterschalter bezeichnet werden. Er kann ausgebildet sein, wie beispielsweise in EP 1 958 587 B1 offenbart, also als Schalter am distalen Ende des Haltearms, oder wie in DE 195 26 915 B4 offenbart, als Fußschalter, der beabstandet zum Haltearm angeordnet ist. Ein derartiger Schalter, der als Masterschalter wirkt, ist vorteilhaft, um eine Grobpositionierung des Haltearms, beispielsweise zu Beginn eines Operationsvorgangs, vorzunehmen. Dann ist es möglich, alle Gelenke gleichzeitig freizugeben und den Haltearm in eine grobe Vorpositionierung zu bringen und anschließend durch Loslassen des Schalters sämtliche Gelenke wieder zu sperren und nur durch Kontakt mit einzelnen Armsegmenten diese entsprechend zu verstellen, um eine gewünschte Pose zu erreichen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Schalter zwei unterschiedliche Schaltstellungen aufweist, wobei die Gelenke in einer ersten Schaltstellung derart freigegeben werden, dass ein Tool Center Point eines an dem Haltearm befestigten mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments, rotierbar ist, und in einer zweiten Schaltstellung des Schalters die Gelenke derart freigegeben werden, dass der Tool Center Point translatorisch in drei Raumrichtungen bewegbar ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders bevorzugte Grobpositionierung des Haltearms erreichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Gelenk an einem proximalen Ende des ersten Armsegments angeordnet ist und dass das zweite Gelenk an einem proximalen Ende des zweiten Armsegments angeordnet ist. Jedes Armsegment hat ein proximales und ein distales Ende, wobei das proximale Ende des Armsegments dasjenige Ende ist, welches in Armrichtung proximal zum proximalen Ende des Haltearms liegt, und das distale Ende des Armsegments dasjenige Endet ist, das entlang des Haltearms zum distalen Ende hin ausgerichtet ist. Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich das erste Gelenk folglich zwischen dem ersten Armsegment und dem proximalen Ende des Haltearms, sodass bei Kontakt mit dem ersten Armsegment das erste Armsegment bewegbar ist. Entsprechendes gilt für das zweite Armsegment und das zweite Gelenk. Durch diese Ausgestaltung wird eine besonders intuitive Bedienbarkeit des Haltearms erreicht, da stets dasjenige Armsegment bewegbar ist, welches der Bediener kontaktiert.
In einer bevorzugten Alternative ist vorgesehen, dass die Bedieneinrichtung bei Kontakt zwischen der Bedienperson mit sowohl dem ersten und als auch dem zweiten Armsegment alle zwischen diesen Armsegmenten angeordneten Gelenke freigibt. Ergreift die Bedienperson bei einem Haltearm gemäß dieser Ausführungsform zwei Armsegmente, die benachbart oder entfernt voneinander sind, werden folglich alle zwischen diesen Armsegmenten liegenden Gelenke (ein oder mehrere Gelenke) freigegeben. Der Bediener ist also in der Lage bei Ergreifen von zwei Armsegmenten das distale Armsegment im Wesentlichen frei zu dem proximalen Armsegment der beiden ergriffenen zu bewegen. Er kann auch alle Gelenke des Haltearms freigeben, nämlich dann wenn der sowohl das distale als auch das proximale Armsegment ergreift. Hierdurch ist eine einfache und intuitive Freigabe von einem oder mehreren Gelenken erreicht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Gelenke Bremsen auf, mittels derer die Gelenke freigebbar und arretierbar sind. Der Haltearm ist vorzugsweise als passiver Haltearm ausgebildet. Die Bremsen dienen dazu, eine Bewegung der Armsegmente relativ zueinander, also eine Bewegung der Gelenke zu bremsen beziehungsweise zu verhindern. Sind die Bremsen gelöst, sind die Gelenke freigegeben.
Vorzugsweise sind die Bremsen in einem Ruhezustand derart vorgespannt, dass die Gelenke arretiert sind. Dadurch befindet sich der Haltearm, wenn dieser in einem Ruhezustand ist, in einem arretierten Zustand, wodurch die Sicherheit des Haltearms bei der Verwendung im medizinischen Bereich verbessert ist. Kommt es beispielsweise aufgrund einer Störung zu einem Ausfall einer Energieversorgung, befindet sich der Haltearm in einem arretierten Zustand, und die Pose des Haltearms bleibt bestehen. Ferner ist durch eine derartige Gestaltung der Vorspannung ein Energiebedarf des Haltearms reduziert.
Besonders bevorzugt sind die Bremsen als elektromagnetische Bremsen ausgebildet und weisen jeweils einen Permanentmagneten auf, der die Bremsen im unbestromten Zustand in den arretierten Zustand vorspannt. Dies ist eine besonders zweckdienliche Gestaltung der Bremsen. Zum Freigeben sind die Bremsen zu bestromen, sodass ein Bremselement entgegen der Kraft des Permanentmagneten gelöst wird. Bei Ausfall einer Stromversorgung schließt die Bremse aufgrund des Permanentmagneten wieder, sodass das Gelenk dann im arretierten Zustand ist. Elektromagnetische Bremsen haben den Vorteil, dass sie im Verhältnis zu ihrem Gewicht eine hohe Haltekraft bzw. ein hohes Haltemoment ausüben können, verglichen mit Federdruckbremen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Haltearm sechs Freiheitsgrade auf. Besonders bevorzugt weist der Haltearm sieben Freiheitsgrade auf. Während sechs Freiheitsgrade ausreichen, um jeden Punkt im Raum zu erreichen, ist es bei sieben Freiheitsgraden möglich, jeden Punkt mit verschiedenen Posen zu erreichen, sodass der Haltearm stets so ausrichtbar ist, dass beispielsweise das Operationsfeld leicht zugänglich ist. Daher ist es besonders bevorzugt, dass der Haltearm sieben Freiheitsgrade aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Haltearm sieben Armsegmente und sieben Gelenke auf, wobei jedem Armsegment ein Gelenk zugeordnet ist. Jedes Gelenk weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise einen Freiheitsgrad auf, sodass der Haltearm insgesamt sieben Freiheitsgrade aufweist. Es ist auch möglich, dass jedes Gelenk zwei oder mehr Freiheitsgrade hat, wobei Gelenke mit einem Freiheitsgrad aufgrund ihrer Stabilität bevorzugt sind. Vorzugsweise sind sämtliche Gelenke als rotatorische Gelenke ausgebildet. Vorzugsweise sind einige der Gelenke als rotatorische Gelenke und einige als translatorische Gelenke ausgebildet. Vorzugsweise sind die Gelenke, wenn diese sämtlich rotatorisch ausgebildet sind, derart in dem Haltearm angeordnet, dass Achsen von entlang des Haltearms aufeinanderfolgenden Gelenken, vom proximalen zum distalen Ende des Haltearms hin, jeweils senkrecht aufeinander stehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Haltearm eine Gewichtskompensationseinrichtung zum wenigstens teilweisen Abstützen des Gewichts eines oder mehrerer Armsegmente des Haltearms auf, wenn ein oder mehrere Gelenke freigegeben sind. Ist beispielsweise ein Gelenk nahe dem proximalen Ende des Haltearms freigegeben, muss der Bediener händisch das gesamte Gewicht des restlichen Haltearms bis zum distalen Ende halten. Um ein Absacken des Haltearms nach der Freigabe zu verhindern, ist vorzugsweise eine Gewichtskompensationseinrichtung vorgesehen, die entsprechend das Gewicht wenigstens teilweise kompensiert. Dadurch muss nach Freigabe der Bediener nur ein geringeres Gewicht abstützen, wodurch die Handhabung weiter vereinfacht ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist die Gewichtskompensationseinrichtung ein Gasdruckfederelement auf, welches mit wenigstens zwei Armsegmenten gekoppelt ist. Ein derartiges Gasdruckfederelement ist eine einfache Möglichkeit, eine Gewichtskompensationseinrichtung auszubilden. Vorzugsweise ist das Gasdruckfederelement mit den zwei am proximalen Ende des Haltearms angeordneten Armsegmenten gekoppelt. Vorzugsweise sind diese beiden Armsegmente mit einem Gelenk verbunden, dessen Schwenkachse senkrecht zu einer Längserstreckung der Armsegmente ausgerichtet ist. Dadurch ist eine besonders zweckdienliche Anordnung des Gasdruckfederelements erreicht, und an dem Haltearm angreifende Kräfte sind vorteilhaft abstützbar.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Gewichtskompensationseinrichtung wenigstens ein Federelement, insbesondere eine ein Drehmoment aufbringende Feder, wie etwa eine Spiralfeder oder eine Drehstabfeder, in wenigstens einem Gelenk aufweist. Zusätzlich oder alternativ zu dem Gasdruckfederelement sind demnach ein oder mehrere Federelemente in den Gelenken vorgesehen. Beispielsweise ist eine Spiralfeder in einem rotatorischen Gelenk vorgesehen, und bringt ein Moment derart auf das Gelenk auf, dass ein Abschnitt des Haltearms abgestützt wird, wenn das Gelenk freigegeben ist. Derartige Spiralfedern sind eine weitere einfache Möglichkeit, eine Gewichtskompensation vorzusehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass an den Armsegmenten Ausrichtungsindikatoren angeordnet sind, die eine Grundpose des Haltearms angeben. Dies ist besonders bevorzugt, wenn zur Gewichtskompensation Federelemente in den Gelenken vorgesehen sind. Dadurch, dass Ausrichtungsindikatoren vorgesehen sind, kann ein Benutzer stets auf einfache Art und Weise erkennen, ob sich ein Haltearm in einer Grundpose oder in einer dazu abweichenden Pose befindet. So kann verhindert werden, dass beim Freigeben eines Gelenks eine Gewichtskompensationseinrichtung dazu führt, dass die Gewichtskompensationseinrichtung den Haltearm in Bewegungsrichtung vorspannt und so nicht das Gewicht kompensiert, sondern dieses zusätzlich verstärkt. Als eine Alternative ist beispielsweise eine Innenseite, beziehungsweise eine Seite des Haltearms, die im Normalbetrieb zum Operationsfeld hin orientiert ist, in einer ersten Farbe gestaltet, während eine nach außen gerichtete, beziehungsweise vom Operationsfeld weg orientierte Seite des Haltearms in einer zweiten Farbe gestaltet ist. Alternativ sind Vorsprünge, Beschriftungen oder dergleichen vorgesehen, die als Ausrichtungsindikatoren dienen.
Weiterhin ist bevorzugt, dass innerhalb der Armsegmente wenigstens ein Kabelkanal zum Durchführen von Kabeln von dem proximalen zum distalen Ende des Haltearms vorgesehen ist. Es ist bevorzugt, derartige Kabel, beispielsweise für elektrische Spannungsversorgung, Druckluftversorgung, Lichtübertragung und dergleichen innerhalb des Haltearms zu führen, sodass außerhalb von diesem keine Verkabelung verläuft, die im Betrieb Komplikationen hervorrufen könnte.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Armsegment, bezogen auf das proximale Ende des Haltearms, erste mechanische Kopplungsmittel zum lösbaren Koppeln des Haltearms mit zweiten korrespondierenden Kopplungsmitteln eines Operationstisches auf. Dadurch ist der Haltearm auf einfache Art und Weise mit einem Operationstisch, insbesondere der Normschiene, koppelbar.
Weiterhin ist bevorzugt, dass das letzte Armsegment am distalen Ende des Haltearms eine mechatronische Schnittstelle zum Koppeln des chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments mit dem Haltearm aufweist. Eine derartige mechatronische Schnittstelle weist vorzugsweise mechanische Kopplungsmittel zum mechanischen Halten des Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments auf, und andererseits elektronische Schnittstellen zum Übertragen von elektrischer Energie und/oder Daten beziehungsweise Signalen an das mechatronische Assistenzsystem.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Positionieren eines an einen Haltearm, vorzugsweise einen Haltearm nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen eines Haltearms, gekoppelten chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments, wobei der Haltearm wenigstens sechs Freiheitsgrade aufweist, mit den Schritten gelöst: Halten einer Pose des Haltearms, Erfassen eines Kontakts eines Bedieners mit einem ersten Armsegment des Haltearms; Freigeben eines dem ersten Armsegment zugeordneten ersten Gelenks, solange der Kontakt erfasst wird; Arretieren des ersten Gelenks, sobald der Kontakt nicht mehr erfasst wird. Durch ein solches Verfahren wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Positionieren eines an einem Haltearm gekoppelten Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments bereitgestellt, mittels dessen dieses intuitiv und auf einfache Art und Weise durch einen Bediener positioniert werden kann.
In einem Ruhezustand wird vorzugsweise die Pose des Haltearms gehalten. Erst bei Erfassen eines Kontakts zwischen einem Bediener und einem ersten Armsegment wird das zugeordnete erste Gelenk solange der Kontakt erfasst wird freigegeben. Bei Abbruch des Kontakts wird das Gelenk arretiert. Dadurch ist das Gelenk solange freigegeben, wie Kontakt zwischen dem Bediener und dem Armsegment besteht, sodass der Bediener bei Kontakt mit dem Armsegment dieses und sich daran anschließende Armsegmente bewegen kann, um das Assistenzsystem und/oder das chirurgische Instrument im Raum zu positionieren. Diese Art der Positionierung ist intuitiv, wodurch auch die Sicherheit eines chirurgischen Eingriffs unter Verwendung eines derartigen Haltearms verbessert ist, da Fehlbedienung vermieden werden kann. Vorzugsweise wird das Verfahren in der Kopfchirurgie ausgeführt. Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt Halten eines Endoskops während einer kopfchirurgischen Behandlung. Insbesondere im Gebiet der Kopfchirurgie ist eine genaue Positionierung erforderlich, da ein Raum zum Manipulieren von Gewebe begrenzt ist und je nach Position eine Manipulation von Gewebe hochsensibel ist.
Vorzugsweise weist das Verfahren ferner die Schritte auf: Erfassen eines Kontakts eines Bedieners mit einem zweiten Armsegment des Haltearms; Freigeben eines dem zweiten Armsegment zugeordneten zweiten Gelenks, solange der Kontakt erfasst wird; und Arretieren des zweiten Gelenks, sobald der Kontakt nicht mehr erfasst wird. Die Schritte werden bevorzugt gleichzeitig oder nach den oben genannten Schritten ausgeführt. Es ist möglich und bevorzugt, dass ein Bediener nur ein Armsegment oder zwei oder mehr Armsegmente kontaktiert. Daher werden alle den jeweils kontaktierten Armsegmenten zugeordneten Gelenke freigegeben. Hierdurch ist eine besonders einfache und rasche Positionierung des Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments möglich.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Kontakt an zwei im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Armsegments erfasst. Hierdurch ist es möglich, einen unbeabsichtigten Kontakt von einem beabsichtigten Greifen zu unterscheiden und so unbeabsichtigte Kontakte, bei denen der Bediener ein Armsegment beispielsweise nur mit einem Arm oder einem Handrücken berührt, ohne den Kontakt absichtlich herbeiführen zu wollen, auszuschließen. Allein wenn der Kontakt auf zwei gegenüberliegenden Seiten erfasst wird, was in der Regel aufgrund eines Ergreifens des entsprechenden Armsegments geschieht, wird das zugeordnete Gelenk freigegeben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Intensität des Kontakts erfasst und abhängig von der Intensität das Gelenk teilweise oder vollständig freigegeben. Vorzugsweise wird das Gelenk in Abhängigkeit der Intensität des Kontakts stufenlos teilweise bis vollständig freigegeben. Ergreift beispielsweise ein Bediener das entsprechende Armsegment nur leicht und bringt eine nur geringe Kraft auf, wird das Gelenk nur teilweise freigegeben, derart, dass das Gelenk gegen einen Widerstand beweglich ist. Wird hingegen fest zugegriffen und demnach eine hohe Kraft aufgebracht, wird das Gelenk vollständig freigegeben, sodass das Armsegment im Wesentlichen widerstandsfrei beweglich ist. Hierdurch ist weiterhin eine intuitive Bedienung möglich, und ein Bediener kann durch die Kraft, die er beim Greifen aufbringt, die Freigabe der Gelenke steuern. Beispielsweise kann durch ein kurzes Antippen das Gelenk nur kurz freigegeben werden, wodurch eine Feinpositionierung des Arms erreichbar ist.
Ferner umfasst das Verfahren vorzugsweise den Schritt Ausgeben eines Signals zum Anzeigen des Kontakts zwischen dem Bediener und dem Armsegment. Durch diesen Schritt erhält der Bediener eine direkte Rückmeldung über den Kontakt und dadurch über die Freigabe des zugeordneten Gelenks.
Es soll verstanden werden, dass der erfindungsgemäße Haltearm und das erfindungsgemäße Verfahren gleiche und ähnliche Aspekte haben, wie sie insbesondere in den Unteransprüchen niedergelegt sind. Daher wird für die bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens sowie deren Vorteile auch auf die obige Beschreibung zum Haltearm vollumfänglich Bezug genommen.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Haltearms, bei dem die Kontaktmittel zu sehen sind;
2 eine teilweise aufgebrochene Ansicht des Haltearms aus 1;
3 eine schematische Darstellung des vierten Armsegments;
4 eine weitere schematische Darstellung des vierten Armsegments;
5 den Haltearm aus 1, mit einer externen Steuereinheit gekoppelt;
6 eine Draufsicht auf die Schnittstelle am proximalen Ende des Haltearms;
7 eine perspektivische Ansicht eines externen Energiespeichers;
8 eine perspektivische schematische Darstellung des ersten Armsegments mit einer mechanischen Schnittstelle zur Kopplung des Haltearms an eine Normschiene eines Operationstisches;
9 eine perspektivische Darstellung des siebten Armsegments samt Schnittstelle am distalen Ende;
10 eine Draufsicht auf die Schnittstelle am distalen Ende des Haltearms;
11a ein Ausführungsbeispiel des Haltearms mit einer teilweise strukturierten Oberfläche;
11b ein Ausführungsbeispiel eines Haltearms mit einer teilweise farblich gestalteten Oberfläche; und
12 einen Teilschnitt durch eine Bremse in einem Gelenk des Haltearms.
1 zeigt einen Haltearm 1 für medizinische Zwecke, insbesondere zum Halten eines chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments. Der Haltearm 1 weist ein proximales Ende 2 und ein distales Ende 4 auf. An dem proximalen Ende 2 sind eine erste Schnittstelle 6 und eine mechanische Schnittstelle 7 ausgebildet, welche mit Bezug auf die 6 und 8 genauer beschrieben werden. Die Schnittstelle 7 dient dazu, den Haltearm 1 an einer Basis, wie insbesondere an einem Operationstisch, zu befestigen. Die Schnittstelle 7 dient zur Übergabe von Energie sowie zur Kopplung des Haltearms 1 mit einer externen Steuereinheit (vgl. 5). An dem distalen Ende 4 ist eine zweite Schnittstelle 8 vorgesehen, über die ein mechatronisches Assistenzsystem und/oder ein chirurgisches Instrument, wie insbesondere ein Manipulator, an den Haltearm 1 koppelbar ist. Vorzugsweise wird hier ein Manipulator zum Halten und Manipulieren eines Endoskops angeordnet.
Der Haltearm 1 gemäß 1 weist sieben Armsegmente 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 auf, die jeweils im Wesentlichen stabförmig sind und bis auf das letzte Armsegment 22 alle im Wesentlichen eine gleiche Länge aufweisen. Die sieben Armsegmente 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 sind jeweils mit Gelenken 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 miteinander gekoppelt, wobei das nullte Gelenk 11 den Haltearm 1 mit der Basis (in 1 nicht gezeigt, s. 7) koppelt. Die Gelenke 13, 15, 17, 19, 21, 23 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel sämtlich als rotatorische Gelenke mit jeweils einem Freiheitsgrad ausgebildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist dem nullten Segment 10 das nullte Gelenk 11 zugeordnet, dem ersten Armsegment 12 das erste Gelenk 13 zugeordnet, dem zweiten Armsegment 14 das zweite Gelenk 15 zugeordnet, dem dritten Armsegment 16 das dritte Gelenk 17 zugeordnet, dem vierten Armgelenk 18 das vierte Gelenk 19 zugeordnet, dem fünften Armsegment 20 das fünfte Gelenk 21 zugeordnet, und dem sechsten Armsegment 22 ist das sechste Gelenk 23 zugeordnet. Das Gelenk 11 ist als translatorisches Gelenk ausgebildet, sodass das Armsegment 10 teleskopartig verlängerbar ist, um so den Haltearm 1 in der Höhe zu verstellen, wie später mit Bezug auf 8 erläutert werden wird. Die Gelenke 13, 15, 17, 19, 21, 23 weisen jeweils Schwenkachsen A₁, A₂, A₃, A₄, A₅, A₆ auf, wobei jeweils benachbarte Gelenke Schwenkachsen haben, die senkrecht zueinander sind. Hierdurch wird eine einfache Positionierung des distalen Endes 4 im Raum erreicht.
Der Haltearm 1 gemäß 1 weist ferner eine Bedieneinrichtung 28 auf. Mittels der Bedieneinrichtung 28 ist der Haltearm 1 in eine gewünschte Pose verbringbar, wobei die Bedieneinrichtung 28 dazu eingerichtet ist, bei Kontakt zwischen einer Bedienperson und einem der sieben Armsegmente das zugeordnete Gelenk freizugeben. Dazu weist die Bedieneinrichtung 28 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sieben Kontaktabschnitte 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 auf, wobei an jedem Armsegment 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 jeweils ein Kontaktmittel 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 angeordnet ist. So ist am nullten Armsegment 10 ein nulltes Kontaktmittel 30 angeordnet, am ersten Armsegment 12 ein erstes Kontaktmittel 32, am zweiten Armsegment 14 ein zweites Kontaktmittel 34, am dritten Armsegment 16 ein drittes Kontaktmittel 36, am vierten Armsegment 18 ein viertes Kontaktmittel 38, am fünften Armsegment 20 ein fünftes Kontaktmittel 40 und am sechsten Armsegment 22 ein sechstes Kontaktmittel 42 angeordnet.
Ferner ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass jedes Kontaktmittel 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 jeweils zwei im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnete Kontaktmittelelemente 30a, 30b, 32a, 32b, 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b aufweist. Die Kontaktmittel 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 dienen dazu, einen Kontakt eines Bedieners mit dem entsprechenden Armsegment 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 zu erfassen. Beim Ergreifen eines Armsegments 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 kommt der Bediener in Kontakt mit beiden Kontaktmittelelementen 30a, 30b bis 42a, 42b, und nur bei Kontakt mit beiden Kontaktmittelelementen 30a, 30b bis 42a, 42b eines Kontaktmittels 30 bis 42 wird das zugeordnete Gelenk freigegeben. Das heißt, beim Ergreifen des ersten Armsegments 12 und gleichzeitigem Inkontaktkommen mit den beiden Kontaktmittelelementen 32a, 32b wird durch die Bedieneinrichtung 28 das erste Gelenk 13 freigegeben. Dadurch ist es möglich, dass der Bediener den Haltearm 1 beziehungsweise die Armsegmente 12 bis 22 um die Achse A₁ verschwenken kann. Bei Loslassen eines der beiden oder beider Kontaktmittelelemente 32a, 32b wird das Gelenk 13 wieder arretiert, und ein Verschwenken um die Achse A₁ ist nicht mehr möglich. Auch bei einer unbeabsichtigten Berührung nur eines der beiden Kontaktmittelelemente 32a, 32b, beispielsweise mit einem Arm oder Ellenbogen des Bedieners, wird das Gelenk 13 nicht freigegeben, und der Haltearm 1 bleibt im arretierten Zustand und hält seine Pose.
Entsprechendes gilt für das zweite Armsegment 14. Auch hier weist das zweite Kontaktmittel 34 zwei Kontaktmittelelemente 34a, 34b auf, die im Wesentlichen gegenüberliegend umfänglich an dem Armsegment 14 vorgesehen sind. Bei Ergreifen dieses Armsegments 14 und Inkontaktkommen mit den beiden Kontaktmittelelementen 34a, 34b wird dieser Kontakt durch die Bedieneinrichtung 28 erfasst, und das dem Armsegment 14 zugeordnete Gelenk 15 freigegeben. Nun ist ein Verschwenken um die Achse A₂ möglich, sodass das distale Ende 4, bezogen auf 1, nach oben beziehungsweise unten verschwenkt werden kann. Gleichzeitig bleiben alle weiteren Gelenke 13, 17, 19, 21, 23 arretiert, sodass in diesen keine Bewegung stattfindet.
Die Bedieneinrichtung 28 kann dazu einen Controller oder Mikroprozessor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, einen Kontakt zwischen Kontaktmittelelementen 30a, 30b bis 42a, 42b zu erfassen und in elektrische Signale zu übertragen.
Die Kontaktmittel 30 beziehungsweise die Kontaktmittelemente 30a, 30b bis 42a, 42b sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel als berührungsempfindliche Sensoren ausgebildet und erfassen einen Druck eines Kontakts zwischen dem Bediener und dem entsprechenden Kontaktmittelelement 30a, 30b bis 42a, 42b. Vorzugsweise sind die Kontaktmittelelemente 30a, 30b bis 42a, 42b als kapazitive berührungsempfindliche Sensoren ausgebildet.
Bei dem dargestellten Haltearm 1 ist es auch möglich, dass ein Bediener zwei Armsegmente, beispielsweise das Armsegment 14 und das Armsegment 18, gleichzeitig ergreift und so gleichzeitig die Kontaktmittelelemente 34a, 34b und 38a, 38b kontaktiert. Folglich werden die Gelenke 15 und 19 freigegeben, und ein Verschwenken sowohl um die Achse A₂ als auch um die Achse A₄ ist möglich. Bei dieser gleichzeitigen Freigabe ist es möglich, eine Winkelorientierung der Armsegmente 18 und 20 im Raum beizubehalten, während nur die Armsegmente 34, 36 verschwenkt werden. So ist auch eine translatorische Bewegung des distalen Endes 4 möglich. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Haltearms werden bei dem gleichzeitigen Kontaktieren von zwei Armsegmenten, gemäß diesem Beispiel der Armsegmente 14 und 18 nicht die Gelenke 15 und 19 freigegeben, sondern alle zwischen diesen Armsegmenten 14 und 18 liegenden Gelenke, also gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Gelenke 17 und 19. Das Gelenk 15 bleibt arretiert. Der Haltearm 1 kann nun so in seiner Pose verändert werden, dass eine Rotation um die Achse A₃ und die Achse A₄ möglich ist. Dies ist eine besonders intuitive Bedienung des Haltearms. Entsprechend werden, beispielsweise bei dem Kontakt zwischen Bediener und den Haltearmsegmenten 12 und 20, die Gelenke 15, 17, 19 und 21 freigegeben.
Weiterhin ist in der 1 zu erkennen, dass der Haltearm 1 über eine Gewichtskompensationseinrichtung 50 verfügt. Die Gewichtskompensationseinrichtung 50 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Gasdruckfederelement auf, welches mit dem Armsegment 14 und dem Armsegment 12 gekoppelt ist. Alternativ kann die Gewichtskompensationseinrichtung auch einen Seilzug und/oder ein ausbalanciertes Gegengewicht aufweisen. Bei dem Haltearm 1 gemäß 1 lastet auf dem Gelenk 15 um seine Rotationsachse A₂ das größte Moment. Folglich ist es bevorzugt, genau dieses Gelenk 15 mittels der Gewichtskompensationseinrichtung 50 abzustützen. Bei Freigabe des Gelenks 15, durch Kontaktieren des Armsegments 14, wird also ein Gewicht, welches auf dem Armsegment 14 lastet, aufgrund der weiteren Armsegmente 16, 18, 20, 22 und eines an der Schnittstelle 8 angeordneten Manipulators durch die Gewichtskompensationseinrichtung 50 abgestützt, sodass das distale Ende 4 bei Ergreifen des Segments 14 nicht sofort „absackt”.
Der Haltearm 1 (vgl. 2) weist eine Erkennungseinheit 52 zum Erkennen eines mit der zweiten Schnittstelle 8 gekoppelten Assistenzsystems auf, wobei die Bedieneinrichtung 28 dazu angepasst ist, die Gelenke 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 in Abhängigkeit des mit der zweiten Schnittstelle 8 gekoppelten Assistenzsystems freizugeben oder zu arretieren. Eine derartige Erkennungseinheit 52 weist vorzugsweise einen Barcode-Scanner, einen QR-Code-Scanner oder einen RFID-Scanner auf. Vorzugsweise ist ein an der zweiten Schnittstelle 8 gekoppeltes Assistenzsystem mit einem entsprechenden Barcode, QR-Code oder einem RFID-Chip ausgestattet, welcher eine Identifikation des Assistenzsystems sowie vorzugsweise Informationen über dieses enthält. Hierdurch ist der Haltearm 1 in der Lage, zu erkennen, welches Assistenzsystem an der zweiten Schnittstelle 8 gekoppelt ist und so ein Freigeben bestimmter Gelenke 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 teilweise oder vollständig zu verhindern. Beispielsweise ist an der zweiten Schnittstelle 8 ein Endoskop angeordnet. Der RFID-Chip des Endoskops enthält Informationen über dieses Endoskop, wie insbesondere die geometrischen Abmaße des Endoskops. Diese Informationen werden von der Erkennungseinheit erkannt und an die Bedieneinrichtung 28 des Haltearms 1 und/oder die externe Steuereinheit weitergegeben. Die Bedieneinrichtung 28 ist dazu ausgebildet, solche Posen des Haltearms 1 zu verhindern, in welchen das Endoskop mit dem Haltearm kollidieren würde. Ferner kann die Bedieneinrichtung 28 zusätzlich dazu ausgebildet sein, solche Posen des Haltearms 1 zu verhindern, in denen das Endoskop mit beispielsweise einem Operationstisch oder weiteren Gegenständen kollidieren würde.
In 2 sind bei dem Haltearm 1 zusätzlich zu den bereits in 1 gezeigten Elementen die Bremsen 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72 dargestellt, mittels derer die Gelenke 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 freigebbar und arretierbar sind. Gleiche und ähnliche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen, und insofern wird vollumfänglich auf die obige Beschreibung Bezug genommen. Auch wenn in 2 die Bezugszeichen an den Kontaktmittelelementen der Kontaktmittel 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 aus Klarheitsgründen nicht gezeigt sind, sind diese gleichwohl vorhanden, wie sich aus einem Vergleich der 1 und 2 ergibt.
Jedem Gelenk 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 ist jeweils eine Bremse 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72 zugeordnet. Dem Gelenk 11 ist die Bremse 60 zugeordnet, dem Gelenk 13 die Bremse 62, dem Gelenk 15 die Bremse 64, dem Gelenk 17 die Bremse 66, dem Gelenk 19 die Bremse 68, dem Gelenk 21 die Bremse 70 und dem Gelenk 23 die Bremse 72. Alle Bremsen 60 bis 72 sind als elektromagnetische Bremsen mit einem Permanentmagnet ausgebildet, derart, dass diese unbestromt in einen arretierten Zustand vorgespannt sind. Der Permanentmagnet ist derart ausgelegt, dass dieser das jeweilige Gelenk alleine arretieren kann und die Pose des Haltearms 1 gehalten wird. In dem nullten Armsegment 10 ist eine elektronische Steuereinheit 74 vorgesehen. Diese ist über ein Bussystem 76 (in 2 nur im Armsegment 10 gezeigt; vgl. 3 und 4) mit allen Kontaktmitteln 30 bis 42 der Bedieneinrichtung 28 sowie mit allen Bremsen 60 bis 72 gekoppelt. Zur Energieversorgung der Bremsen 60 bis 72 sowie der Kontaktmittel 30 bis 42 ist ferner eine Energieleitung 78 vorgesehen, die über die Schnittstelle 6 am proximalen Ende 2 des Haltearms 1 mit einer Energiequelle koppelbar ist.
Die 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen eines Armsegments, wobei in den 3 und 4 jeweils exemplarisch das vierte Armsegment 18 dargestellt ist. Es soll erkannt werden, dass auch die anderen Armsegmente 10, 12, 14, 16, 20, 22 ebenso ausgebildet sein können.
Das Armsegment 18 weist einen Armsegmentkörper 90 auf (in den 1 und 2 nicht gezeigt; es soll verstanden werden, dass jedes Armsegment 10 bis 22 einen Armsegmentkörper hat), der gemäß den 3 und 4 im Wesentlichen stabförmig beziehungsweise zylindrisch ausgebildet ist. Im Inneren weist der Armsegmentkörper 90 einen Hohlraum 92 auf, in dem verschiedene Elemente, wie etwa die Bremse 70, angeordnet sind. Schematisch dargestellt in den 3 und 4 sind die Gelenke 19, 21 sowie die beiden Schwenkachsen A₄, A₅ der Gelenke 19, 21, die jeweils mit dem Haltearmsegment 18 zusammenwirken. Dem Haltearmsegment 18 ist das Gelenk 19 zugeordnet (vgl. obige Beschreibung zu den 1 und 2). Der Armsegmentkörper 90 weist eine äußere Oberfläche 93 auf, die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Der Armsegmentkörper 90 ist beispielsweise aus einem Metall wie insbesondere Aluminium oder Titan, einer Legierungen auf Basis von Aluminium oder Titan, oder einem Faserverbundwerkstoff, wie etwas GFK oder CFK, gebildet und vorzugsweise in Leichtbauweise ausgelegt.
Das Armsegment 18 weist gemäß den 3 und 4 das Kontaktmittel 38 auf, welches Teil der Bedieneinrichtung 28 ist (vgl. 1 und 2). Das Kontaktmittel 38 weist zwei Kontaktmittelelemente 38a, 38b auf, die als berührungsempfindliche Sensoren ausgebildet sind und flächenbündig in der äußeren Oberfläche 93 des Armsegments 18 angeordnet sind. Die beiden Kontaktmittelelemente 38a, 38b sind im Wesentlichen gegenüberliegend bezogen auf die Achse A₅ angeordnet, sodass ein Bediener beim Ergreifen des Armsegments 18 in Kontakt mit beiden Kontaktmittelelementen 38a, 38b kommt, wie dies oben beschrieben ist.
Die beiden Kontaktmittelelemente 38a, 38b sind mittels Leitungen 94a, 94b mit dem Bussystem 76 gekoppelt. Über das Bussystem 76 sind die Kontaktmittelelemente 38a, 38b mit der elektronischen Steuereinheit 74 (vgl. 2) gekoppelt und über diese wiederum mit der Bremse 70, sodass die Bremse 70 durch die Bedieneinrichtung 28 freigegeben wird, wenn ein Bediener mit den Kontaktmittelelementen 38a, 38b in Kontakt kommt.
Neben dem Bussystem 76 sind innerhalb des Armsegmentkörpers 90 ein Energieübertragungssystem 78 sowie ein Kabelkanal 80 und ein Arbeitskanal 82 angeordnet. Mittels des Energieübertragungssystems 78 sind die Kontaktmittelelemente 38a, 38b sowie die Bremse 70 an eine Energieversorgung angeschlossen.
Alternativ oder zusätzlich ist in jedem Armsegment ein Elektronikmodul 96 angeordnet, welches über eine Leitung 96a mit dem Bussystem 76 gekoppelt ist. In einem solchen Fall wirken die Kontaktmittelelemente 38a, 38b, welche über die Leitung 94a, 94b mit dem Datenbussystem 76 verbunden sind, nur mit dem Elektronikmodul 96 zusammen, welches den durch die Kontaktmittelelemente 38a, 38b erfassten Kontakt in ein Stellsignal für die Bremse 70 umwandelt und dieses Stellsignal über das Bussystem 76 an die Bremse 70 sendet zum Freigeben des Gelenks 19. Ist in jedem Armsegment ein derartiges Elektronikmodul 96 angeordnet, ist ein im Wesentlichen modularer Aufbau des Haltearms 1 realisiert, und die einzelnen Armsegmente 10 bis 22 sind unabhängig von der elektronischen Steuereinheit 74, welche im proximalen Armsegment 10 angeordnet ist.
Der Kabelkanal 80 dient dazu, Kabel, die vom proximalen Ende 2 bis zum distalen Ende 4 verlaufen, um insbesondere die Schnittstelle 8 zu versorgen, führen zu können. Der Arbeitskanal 82 dient dazu, Schläuche oder Lichtleiter und dergleichen aufzunehmen, die je nach Art des Manipulator, der an der Schnittstelle 8 angeordnet ist, benötigt werden. Ist beispielsweise an der Schnittstelle 8 ein Endoskop angeordnet, wird vorzugsweise durch den Arbeitskanal 82 ein Lichtleiter geführt, der ein Bild, welches eine Endoskopkamera aufnimmt, übertragen kann. Der Arbeitskanal 82 dient demnach dazu, je nach Anwendungsgebiet entsprechende Übertragungsmittel aufzunehmen.
Weiterhin ist in dem Armsegment 18 ein Sensor 98 angeordnet. Vorzugsweise ist in jedem Armsegment 10 bis 22 ein Sensor angeordnet, und es soll verstanden werden, dass die Sensoren in den Armsegmenten 10, 12, 14, 16, 20 und 22 ebenso ausgebildet sein können wie der Sensor 98 im Armsegment 18. Der Sensor 98 ist vorzugsweise als Beschleunigungssensor ausgebildet. Indem in jedem Armsegment ein solcher Beschleunigungssensor vorgesehen ist, ist es möglich, zu jeder Zeit die Pose des Haltearms 1 zu bestimmen. Dazu ist der Sensor 98 über eine Leitung 98a mit dem Datenbussystem 76 gekoppelt, sodass die von dem Sensor 98 erfassten Daten an die elektronische Steuereinheit 74 übertragen werden, welche dann aus allen Sensordaten aus allen Armsegmenten die Pose des Haltearms 1 bestimmt. Ferner ist durch das Vorsehen eines derartigen Sensors 98 auch die absolute und relative Position eines an der Schnittstelle 8 angeordneten Endeffektors beziehungsweise Manipulators bestimmbar. Auch ist es möglich, wenn der Haltearm 1 an einem Operationstisch angeordnet ist, eine Bewegung dieses Operationstischs zu erkennen. Erfassen alle Sensoren in allen Armsegmenten eine Bewegung in dieselbe Richtung, ist dies ein Indikator dafür, dass der gesamte Haltearm 1 unter Beibehaltung seiner Pose bewegt wurde, beispielsweise dadurch, dass der Operationstisch oder eine Operationstischplatte relativ zu einer Säule der Operationstisches rotiert oder verschoben wurde. Auch eine solche Bewegung ist mittels der Sensoren 98 erfassbar. Ferner können äußere Impulse, wie etwa Stöße auf den Haltearm 1, erfasst werden.
Gemäß 4 ist zusätzlich in dem Armsegment 18 gemäß 3 ein Speicherelement 100 vorgesehen sowie eine Energieerzeugungseinrichtung 102. Das Speicherelement dient dazu, elektrische Energie zu speichern, sodass Sensoren, die in dem spezifischen Armsegment vorgesehen sind, auch in einem vom Stromnetz abgekoppelten Zustand mit einem Strom versorgt werden können. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn beispielsweise Bump-Sensoren einer Kamera oder dergleichen vorgesehen sind, die auch in einem Ruhezustand des Haltearms funktionieren müssen, um einen möglichen Schaden am Haltearm 1 zu detektieren. Die Energieerzeugungseinrichtung 102 dient dazu, eine Energie für beispielsweise einen Laser, ein Ultraschallgerät oder dergleichen, welche am Haltearm gekoppelt sind, bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann die Energieerzeugungseinrichtung 102 auch eine Einrichtung zum Versorgen des Speicherelements 100 aufweisen, beispielsweise ein Energy harvesting element, welches Bewegungsenergie oder Energie aufgrund eines Magnetfelds, beispielsweise induktiv, in elektrische Spannung für das Speicherelement 100 wandelt.
5 illustriert erneut den Haltearm 1, welcher bereits mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben worden ist. In 5 ist der Haltearm 1 in ein System eingebunden dargestellt. An dem distalen Ende 4 ist mittels der Schnittstelle 8 ein chirurgisches mechatronisches Assistenzsystem 200 angeordnet, welches mit der Schnittstelle 8 über eine Schnittstelle 201 gekoppelt ist. Sowohl das chirurgische mechatronische Assistenzsystem 200 als auch die Schnittstelle 201 sind in 5 nur schematisch dargestellt. Es soll verstanden werden, dass das chirurgische mechatronische Assistenzsystem 200 beispielsweise als Endoskop oder Laparoskop oder dergleichen ausgebildet sein kann. Das Assistenzsystem 200 weist einen Arbeitsabschnitt 202 auf, der beispielsweise die Spitze des Endoskops sein kann. An dem proximalen Ende 2 ist der Haltearm 1 gemäß 5 über die mechanische Schnittstelle 7 mit einer Basis 204 gekoppelt. Die Basis 204 ist hier ebenfalls nur schematisch dargestellt. Sie kann beispielsweise als eine Normschiene eines Operationstisches ausgebildet sein.
Die erste Schnittstelle 6 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einer externen Steuereinheit 206 gekoppelt. Dazu ist die Schnittstelle 6 mittels eines Kabels 208 mit der externen Steuereinheit 206 verbunden. Die externe Steuereinheit 206 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als OP-System ausgebildet, welches beispielsweise einen herkömmlichen Computer aufweist sowie eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle zur Bedienung des OP-Systems. Das OP-System weist vorzugsweise Software-Komponenten auf, die dazu ausgebildet sind, Daten, die von dem Haltearm 1 an der Schnittstellt 6 übergeben werden, zu speichern und zu verarbeiten.
Je nach Ausgestaltung der Schnittstelle 6 kann auch vorgesehen sein, dass diese drahtlos mit dem OP-System 206 kommuniziert, beispielsweise über Bluetooth^®, Wi-Fi^® oder Ähnliches.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Haltearm 1 ferner ein Anzeigemittel 55 auf, welches gemäß diesem Ausführungsbeispiel als LCD Display ausgebildet ist. Das Anzeigemittel 55 ist mit einer Steuereinheit verbunden und zeigt Repräsentationen von Daten an, die an der ersten Schnittstelle 6 oder zweiten Schnittstelle 8 übergeben werden. Beispielsweise werden auf dem Anzeigemittel ein Gewicht eines Assistenzsystems 200, welches an der Schnittstelle 8 gekoppelt ist, angezeigt. Alternativ wird auf dem Anzeigemittel eine Repräsentation der Pose des Haltearms dargestellt, mit entsprechenden Belastungen an einzelnen Gelenken. Weitere Möglichkeiten sind hier denkbar. Es ist auch denkbar, dass hier Warnhinweise angezeigt werden.
Die Schnittstelle 6 (s. 6) weist einen Anschluss 77 für das Bussystem 76 auf. Über diesen Anschluss 77 sind Daten, welche von Sensoren (vgl. 3 u. 4) sowie den Kontaktmittelelementen (vgl. 2–4) an das Bussystem 76 gegeben werden, an die externe Steuereinheit 206 übertragbar. Der Anschluss 77 kann dazu als USB-Schnittstelle, RS-232-Schnittstelle, Bluetooth^®-Schnittstelle, Wi-Fi^®-Schnittstelle oder dergleichen ausgebildet sein. Mittig an der Schnittstelle 6 ist ferner ein Anschluss 79 zum Übertragen von elektrischer Energie vorgesehen. Mittels dieses Anschlusses 79 ist der Haltearm 1 mit einer Energiequelle, beispielsweise dem Stromnetz, koppelbar. Weiterhin sind an der Schnittstelle 6 drei Auslässe 80a, 80b, 80c des Kabelkanals 80 (vgl. obige Beschreibung zu den 2, 3, u. 4) vorgesehen. Über diese Auslässe 80a, 80b, 80c sind Kabel, welche in den Kabelkanal 80 geführt sind, zugänglich. Zudem sind in der Schnittstelle 6 drei Auslässe 82a, 82b, 82c des Arbeitskanals 82 vorgesehen. Über die Auslässe 82a, 82b, 82c ist der Arbeitskanal 82 zugänglich. So ist beispielsweise mittels der Schnittstelle 6 ein Schlauch durch den Auslass 82b in den Arbeitskanal 82 führbar und durch diesen bis zur distalen Schnittstelle 8 (vgl. 10) führbar.
An einem umfänglichen Bereich des Armsegments 10 sind im Bereich der Schnittstelle 6 mechanische Kopplungsmittel 210a, 210b vorgesehen. Die Kopplungsmittel 210a, 210b korrespondieren mit Kopplungsmitteln 212a, 212b eines externen Energiespeichers 214 (s. 7). Der externe Energiespeicher 214 weist ein Gehäuse 216 auf, welches so gebildet ist, dass es sich proximal an das Armsegment 10 anfügen lässt. Der externe Energiespeicher 214 weist im Inneren Zellen zur Speicherung elektrischer Energie auf (in 7 nicht gezeigt). Der externe Energiespeicher 214 weist eine Schnittstelle 218 auf, die mit der Schnittstelle 6 des Haltearms 1 korrespondiert. Die Schnittstelle 218 weist einen Anschluss 220 auf, mittels dessen die in dem externen Energiespeicher 214 gespeicherte elektrische Energie über den Anschluss 79 der Schnittstelle 6 an den Haltearm 1 übertragbar ist. Ferner weist die Schnittstelle 218 einen Anschluss 221 auf, der mit der Schnittstelle 77 korrespondiert, zum Durchleiten von Signalen des Bussystems 76. Weiterhin weist der externe Energiespeicher Durchlässe 222a, b, c, 224a, b, c, auf, die mit den Auslässen 80a, b, c und 82a, b, c der Schnittstelle 6 korrespondieren, sodass durch den Kabelkanal 80 geführte Kabel auch durch den Energiespeicher 214 führbar sind sowie die Auslässe 82a, 82b, 82c des Arbeitskanals 80 ebenso an dem Energiespeicher 214 zugänglich sind.
8 illustriert das Armsegment 10, welches das proximale Ende 2 des Haltearms bildet, sowie insbesondere die mechanische Schnittstelle 7. An der ersten Schnittstelle 6 ist der externe Energiespeicher 214 (vgl. 7) angeordnet, sodass der Haltearm 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel (8) autark betrieben werden kann, ohne die Notwendigkeit, diesen mit einer externen Energiequelle zu verbinden. Eine Verbindung zu einer Steuereinheit 206 kann dennoch vorgesehen sein und ist bevorzugt. Das Armsegment 10 weist ein Kontaktmittel 30, welches zwei Kontaktmittelabschnitte 30a, 30b hat, auf (vgl. auch 2). Die Schnittstelle 7 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als eine Ausnehmung 226 gebildet, die an der äußeren Kontur der Basis 204, die hier als Normschiene eines Operationstisches ausgebildet ist, entspricht. Die Basis 204 ist in die Ausnehmung 226 führbar, und an dem Armsegment 10 sind mechanische Klemmmittel 228 vorgesehen, zum Klemmen des Armsegments 10 gegen die Basis 204. Die Klemmmittel weisen einen linear geführten Klemmkörper 230 auf, der über ein Gestänge 232 mit einem Hebel 224 antreibbar ist. Das Gelenk 11, welches über das Kontaktmittel 30 der Bedieneinrichtung 28 freigebbar ist, ist folglich als translatorisches Gelenk 11 ausgerichtet. Die Bedieneinrichtung ist dazu über ein elektrisches Stellmittel, welches in 8 nicht gezeigt ist, mit dem Hebel 228 gekoppelt, sodass das Klemmmittel 230 außer Eingriff von der Basis 204 bringbar ist.
Die 9 und 10 schließlich illustrieren die zweite Schnittstelle 8 am distalen Ende 2 des Haltearms 1. Während 9 die Schnittstelle 8 in einer perspektivischen Ansicht samt dem Armsegment 22 zeigt, zeigt 10 die Schnittstelle 8 in einer Frontalansicht.
Die Schnittstelle 8 ist im Wesentlichen korrespondierend zur Schnittstelle 6 ausgebildet. An seitlichen Abschnitten von dieser, an dem Armsegment 22, sind zwei Sicherungselemente 240a, 240b angeordnet. Mittels der Sicherungselemente ist bestimmbar, ob ein an der Schnittstelle 8 gekoppeltes Assistenzsystem 200 (s. 5) korrekt mit der Schnittstelle 8 gekoppelt ist. Die Sicherungselemente 240a, 240b dienen gleichzeitig als mechanische Kopplungsmittel zum mechanischen Koppeln mit dem Assistenzsystem 200, beispielsweise mittel Klemmung oder Verrastung.
An der Schnittstelle 8 ist ferner ein Anschluss 277 angeordnet, der mit dem Anschluss 77 der Schnittstelle 6 korrespondiert. Der Anschluss 277 ist mit dem Bussystem 76 gekoppelt, sodass Daten und Signale von dem Anschluss 77 über das Bussystem 76 zum Anschluss 77 übertragbar sind und umgekehrt. Ebenso ist ein Anschluss 279 an der Schnittstelle 8 vorgesehen, mittels dessen elektrische Energie von der Schnittstelle 8 auf das Assistenzsystem 200 übertragbar ist. Der Anschluss 279 korrespondiert mit dem Anschluss 79 der Schnittstelle 6, und die beiden Anschlüsse 279 und 79 sind mittels des Übertragungsmittels 78 gekoppelt, zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen diesen beiden Anschlüssen 79, 279.
Ferner sind an der Schnittstelle 8 Auslässe 280a, 280b, 280c des Kabelkanals 80 vorgesehen, sodass durch diesen geführte Kabel an der Schnittstelle 8 zugänglich sind. Das Gleiche gilt für den Arbeitskanal 82, von dem an der Schnittstelle 8 drei Auslässe 282a, 282b, 282c vorgesehen sind. Durch diese Schnittstelle 8 ist ein Assistenzsystem 200 auf vorteilhafte Art und Weise mit dem Haltearm 1 koppelbar, ohne dass zusätzliche Übertragungsmittel oder Verkabelung an dem Haltearm 1 vorgesehen sein muss.
Die 11a und 11b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des Haltearms 1, der im Wesentlichen entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ausgebildet ist. Zusätzlich zu den dort beschriebenen Merkmalen weist der Haltearm gemäß den 11a, 11b jeweils Ausrichtungsindikatoren 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 330, 332, 334, 336, 338, 340, 342 auf. Gemäß 11a sind die Ausrichtungsindikatoren 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322 als eine Oberflächenstruktur ausgebildet. Die einzelnen Armsegmente 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, welche im Wesentlichen eine zylindrische Grundform aufweisen, weisen etwa entlang einer halben Zylindermantelfläche eine Strukturierung auf. Die Strukturierung ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel so angeordnet, dass die Ausrichtungsindikatoren 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322 des Haltearms 1 in einer Grundpose des Haltearms 1, wie sie in 11a dargestellt ist, zum Operationsfeld hin ausgerichtet sind. Durch die Strukturierung, die als Ausrichtungsindikator 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, wirkt, kann ein Bediener taktil feststellen, ob ein Armsegment 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 in der Grundpose ausgerichtet ist, oder ob der Haltearm invertiert, das heißt, mit der strukturierten Oberfläche vom Operationsfeld weg ausgerichtet ist. Dies kann für eine Gewichtskompensation wichtig sein.
Alternativ dazu zeigt 11 b ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Ausrichtungsindikatoren 330, 332, 334, 336, 338, 340, 342 als farbliche Markierung ausgebildet sind. An den zum Operationsfeld hingewandten Seiten der Armsegmente 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22 ist ein Farbverlauf vorgesehen, der durch einen Operateur visuell wahrnehmbar ist. Hierdurch kann der Operateur direkt erkennen, in welcher Orientierung sich der Haltearm 1 befindet.
12 zeigt schematisch eine Teilschnittdarstellung einer beispielhaften Bremse, wie sie beispielsweise als Bremse 64 in Gelenk 15 vorgesehen ist. Es soll verstanden werden, dass auch die weiteren Bremsen 60, 62, 66, 68, 70, 72 entsprechend ausgebildet sein können. Die Bremse 74 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel (12) als elektromagnetische Permanentmagnetbremse ausgebildet. Ein erstes Gelenkelement 400, hier als Welle ausgebildet, ist starr mit dem Armsegment 12 verbunden, und ein zweites Gelenkelement 402 ist starr mit dem Armsegment 14 verbunden. Es soll verstanden werden, dass dies auch genau umgekehrt sein kann. Das zweite Gelenkelement 402 ist über eine Schraube 404 fest mit einem Gehäuse 406 der Bremse 64 gekoppelt. Eine Flanschnabe 408 ist entsprechend fest mit dem ersten Gelenk 400 gekoppelt. In dem Gehäuse 406 ist ein Permanentmagnet 410 angeordnet, der dazu dient einen Anker 412, der wiederum fest mit dem Flansch 408 verbunden ist, gegen das Gehäuse 406 zu pressen. Hierdurch wird eine Haftreibung hervorgerufen, die als Bremskraft wirkt. Im Gehäuse 406 ist ferner eine Erregerwicklung 414 angeordnet, die im bestromten Zustand ein dem Feld des Permanentmagneten 410 entgegenwirkendes Feld hervorruft. Durch ein Federelement 416, welches den Anker 412 in einem belüfteten Zustand vorspannt, wird dieser von dem Gehäuse 406 abgehoben und so wird die Bremse 64 belüftet. Eine Rotation des zweiten Gelenkelements 402 um das erste Gelenkelement 400 um die Achse A2 ist so möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19526915 B4 [0003, 0005, 0020]
EP 1958587 B1 [0004, 0005, 0020]
DE 102004050714 A1 [0006]

Claims

Haltearm (1) für medizinische Zwecke, insbesondere zum Halten von chirurgischen mechatronischen Assistenzsystemen und/oder chirurgischen Instrumenten, mit einem proximalen Ende (2) zum Befestigen des Haltearms (1) an einer Basis und einem distalen Ende (4) zum Aufnahmen eines chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments; wenigstens einem ersten und einem zweiten Armsegment (12, 14), wobei das erste Armsegment (12) mit einem ersten Gelenk (13) und das zweite Armsegment (14) mit einem zweiten Gelenk (15) verbunden ist, wobei jedes Gelenk (13, 15) freigebbar und arretierbar ist; und einer Bedieneinrichtung (28) zum Verbringen des Haltearms (1) in eine gewünschte Pose, wobei die Bedieneinrichtung (28) dazu eingerichtet ist bei Kontakt zwischen einer Bedienperson und einem der ersten und zweiten Armsegmente (12, 14) das zugeordnete Gelenk (13, 15) freizugeben.
Haltearm nach Anspruch 1, wobei die Bedieneinrichtung (28) Kontaktmittel (30–42) aufweist, die dazu vorgesehen sind, dass ein Bediener mit diesen in Kontakt kommt, wobei ein erstes Kontaktmittel (32) der Bedieneinrichtung (28) an dem ersten Armsegment (12) angeordnet ist und ein zweites Kontaktmittel (34) an dem zweiten Armsegment (14) angeordnet ist.
Haltearm nach Anspruch 2, wobei jedes Kontaktmittel (30–42) zwei an dem Armsegment (10–22) im Wesentlichen gegenüberliegend angeordnete Kontaktmittelelemente (30a, 30b–42a, 42b) aufweist.
Haltearm nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kontaktmittelelemente (30a, 30b–42a, 42b) als Taster ausgebildet sind.
Haltearm nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kontaktmittelelemente (30a, 30b–42a, 42b) als berührungsempfindliche Sensoren ausgebildet sind.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bedieneinrichtung (28) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Intensität des Kontakts das zugeordnete Gelenk (11–23) freizugeben.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bedieneinrichtung (28) Anzeigemittel zum Anzeigen eines Kontakts zwischen einem Bediener und dem Armsegment (10–22) aufweist.
Haltearm nach Anspruch 7, wobei die Anzeigemittel dazu eingerichtet sind ein taktiles, visuelles und/oder Audiosignal auszugeben.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bedieneinrichtung (28) ferner einen Schalter zum Freigeben aller Gelenke aufweist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Gelenk (13) an einem proximalen Ende des ersten Armsegments (12) angeordnet ist und das zweite Gelenk (15) an einem proximalen Ende des zweiten Armsegments (14) angeordnet ist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei die Bedieneinrichtung (28) bei Kontakt zwischen der Bedienperson mit sowohl dem ersten und als auch dem zweiten Armsegment (12, 14) alle zwischen diesen Armsegmenten angeordneten Gelenke (13, 15) freigibt.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gelenke (11–23) Bremsen aufweisen, mittels der die Gelenke (11–23) freigebbar und arretierbar sind.
Haltearm nach Anspruch 12, wobei die Bremsen in einem Ruhezustand derart vorgespannt sind, dass die Gelenke arretiert sind.
Haltearm nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Bremsen als elektromagnetische Bremsen ausgebildet sind und jeweils einen Permanentmagnet aufweisen, der die Bremse im unbestromten Zustand in den arretierten Zustand vorspannt.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Halterarm sechs Freiheitsgrade aufweist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Halterarm sieben Freiheitsgrade aufweist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend sieben Armsegmente und sieben Gelenke, wobei jedem Armsegment ein Gelenk zugeordnet ist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Gewichtskompensationseinrichtung (50) zum wenigstens teilweisen Abstützen des Gewichts von einem oder mehreren Armsegmenten des Haltearms, wenn ein oder mehr Gelenke freigegeben sind.
Haltearm nach Anspruch 18, wobei die Gewichtskompensationseinrichtung (50) ein Gasdruckfederelement aufweist, welches mit wenigstens zwei Armsegmenten gekoppelt ist.
Haltearm nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Gewichtskompensationseinrichtung wenigstens ein Federelement, insbesondere eine Spiralfeder, in wenigstens einem Gelenk aufweist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei an den Armsegmenten Ausrichtungsindikatoren (310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 330, 332, 334, 336, 338, 340, 342) angeordnet sind, die eine Grundpose des Haltearms angeben. [Innen schwarz außen weiß]
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Armsegmente wenigstens ein Kabelkanal vorgesehen ist, zum Durchführen von Kabeln von dem proximalen zum distalen Ende des Haltearms.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Armsegment, bezogen auf das proximale Ende des Haltearms, erste mechanische Kopplungsmittel zum lösbaren Koppen des Haltearms mit zweiten korrespondierenden Kopplungsmitteln eines Operationstisches aufweist.
Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, das letzte Armsegment, bezogen auf das proximale Ende des Haltearms, eine mechatronische Schnittstelle zum Koppeln eines chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments mit dem letzten Armsegment aufweist.
Verfahren zum Positionieren eines an einen Haltearm, vorzugsweise ein Haltearm nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekoppelten chirurgischen mechatronischen Assistenzsystems und/oder chirurgischen Instruments, wobei der Haltearm wenigstens sechs Freiheitsgrade aufweist, mit den Schritten: – Halten einer Pose des Haltearms; – Erfassen eines Kontakts eines Bedieners mit einem ersten Armsegment des Haltearms; – Freigeben eines dem ersten Armsegment zugeordneten ersten Gelenks, solange der Kontakt erfasst wird; – Arretieren des ersten Gelenks, sobald der Kontakt nicht mehr erfasst wird. [Vorzugsweise wird das Verfahren in der Kopfchirurgie ausgeführt; vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt Halten eines Endoskops während einer kopfchirurgischen Behandlung]
Verfahren nach Anspruch 25, aufweisend die Schritte: – Erfassen eines Kontakts eines Bedieners mit einem zweiten Armsegment des Haltearms; – Freigeben eines dem zweiten Armsegment zugeordneten zweiten Gelenks, solange der Kontakt erfasst wird; – Arretieren des zweiten Gelenks, sobald der Kontakt nicht mehr erfasst wird; Wobei die Schritte gleichzeitig oder nach den Schritten des Anspruchs 22 ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei der Kontakt an zwei im Wesentlichen gegenüberliegenden Seiten des Armsegments erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, wobei eine Intensität des Kontakts erfasst wird und abhängig von der Intensität das Gelenk teilweise oder vollständig freigegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, umfassend den Schritt: Ausgeben eines Signals zum Anzeigen des Kontakts von dem Benutzer mit dem Armsegment.