DE19606974A1 - Kompensations-Vorrichtung zum Ausgleich eines drehwinkelabhängigen Drehmomentes und medizinisches Stativ mit einer derartigen Kompensations-Vorrichtung - Google Patents

Kompensations-Vorrichtung zum Ausgleich eines drehwinkelabhängigen Drehmomentes und medizinisches Stativ mit einer derartigen Kompensations-Vorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kompensations- Vorrichtung zum Ausgleich eines drehwinkelabhängigen Dreh­ momentes, das bei der Rotationsbewegung einer Masse um eine Drehachse resultiert. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein medizinisches Stativ mit mindestens einer Drehachse, wobei an dieser Drehachse eine derartige Kompensations- Vorrichtung angeordnet ist.
In der Medizintechnik sind Stative bekannt, die zur Anordnung verschiedenster medizinischer Therapie- und/oder Diagnose­ instrumente dienen. Derartige Stative umfassen üblicherweise eine Reihe von Drehachsen, so daß beispielsweise Operations­ mikroskope in mehreren Freiheitsgraden definiert im Raum positioniert werden können, um derart möglichst optimale Betrachtungspositionen relativ zum zu operierenden Patienten einzunehmen. Hierbei wird von den eingesetzten Stativen eine möglichst weitgehende räumliche Manipulierbarkeit erwartet. Zudem ist ein kräftefreies und feinfühliges Positionieren, d. h. ein einfaches Handling der am Stativ angeordneten Instrumente gefordert. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die durch die jeweiligen Massen erzeugten Drehmomente um die verschiedenen Drehachsen in der Regel über Gegengewichte oder über Feder- Kinematiken kompensiert.
Nachteilig an den bekannten Gegengewichts-Ausgleichs­ mechanismen, wie sie z. B. aus der DE 21 61 396 bzw. aus der DE 23 20 266 bekannt sind, ist jedoch, daß trotz des damit möglichen Drehmoment-Ausgleichs relativ hohe Trägheitsmomente beim Positionieren um die auszubalancierenden Achsen resultieren. Ein weiterer Nachteil ist ferner in der nicht unerheblichen Vergrößerung des Gewichts des Gesamtsystems durch die erforderlichen Gegengewichte zu sehen. Zudem resultiert bei der Verwendung derartiger Ausgleichsmassen ein insgesamt relativ voluminös bauendes Gesamtstativ.
Die als Alternativen hierzu bekannten Feder-Mechanismen bieten zwar hinsichtlich des Gewichtes und des Stativ-Gesamtvolumens einen passablen Kompromiß an, jedoch ist die Kompensation der auftretenden Drehmomente damit nicht immer vollkommen möglich. Es sei in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die US 3,776,614 oder die EP 0 048 404 verwiesen, wo jeweils derartige Feder-Ausgleichsmechanismen beschrieben werden.
Problematisch ist im Fall des Einsatzes von Feder-Kinematiken auch die Kompensation von drehwinkelabhängigen Drehmomenten. In derartigen Fällen ist jeweils eine variable, drehwinkel­ abhängige Kompensationskraft erforderlich, was durch die bekannten Anordnungen nicht hinreichend sichergestellt wird. Diese Problemstellung ergibt sich beispielsweise dann, wenn im Verlauf der Drehbewegung der Gewichtskraftanteil am angreifenden Drehmoment variabel ist. Die Drehachse ist in einem derartigen Fall üblicherweise in einem Winkel ungleich 90° zur Erdoberfläche orientiert.
Ähnliche Probleme treten jedoch nicht nur in medizinischen Stativen, sondern auch in anderen Anordnungen auf, bei denen jeweils ein drehwinkelabhängiges Drehmoment kompensiert werden muß, das bei der Rotationsbewegung einer Masse um eine Drehachse resultiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorab beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine kompakt bauende Kompensations-Vorrichtung zum Aus­ gleich eines drehwinkelabhängigen Drehmomentes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kompensations-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen der abhängigen Ansprüche.
Ein medizinisches Stativ mit mindestens einer derartigen Kompensations-Vorrichtung ist Gegenstand des Anspruches 10.
Erfindungsgemäß wird nunmehr die auftretende Rotationsbewegung der Masse in eine definierte Linearbewegung einer beweglich gelagerten Verschiebe-Einheit umgesetzt. Auf die entlang einer Verschiebeachse verschiebbar gelagerte Verschiebe-Einheit wirkt je nach dem aktuellen Linear-Versatz, der wiederum vom Drehwinkel abhängig ist, eine Kompensationskraft, die durch ein geeignetes elastisches Kompensations-Element ausgeübt wird. Dergestalt läßt sich das jeweils angreifende Drehmoment in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel definiert kompensieren. Hierzu werden die entsprechenden Parameter der erfindungs­ gemäßen Kompensations-Vorrichtung in Abhängigkeit der Vorgabe­ werte, d. h. in Abhängigkeit des Drehmomentes vom Drehwinkel, geeignet dimensioniert.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich nunmehr die vorab erwähnten hohen Massen zur Drehmoment-Kompensation vermeiden. Ferner läßt sich durch die geeignete Wahl der elastischen Kompensationselemente die nahezu hundertprozentige Kompensation der veränderlichen Drehmomente realisieren. Dies ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Kompensations-Vorrichtung durch die Dimensionierung von Steuerkurven möglich, die einen definierten Linearversatz der Verschiebe-Einheit in Abhängigkeit vom Drehwinkel bewirken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich in medizinischen Stativen prinzipiell an allen auszubalancierenden Achsen vorteilhaft einsetzen. Darüberhinaus ist auch der Einsatz in anderen Gebieten jedoch jederzeit möglich.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der bei liegenden Zeichnungen.
Hierbei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines medizinischen Statives mit mehreren Drehachsen, wobei die erfindungsgemäße Kompensations-Vorrichtung in einigen der Drehachsen integriert ist;
Fig. 2 eine Schnitt-Darstellung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung;
Fig. 3 eine Teilansicht der Kompensations-Vorrichtung aus Fig. 2;
Fig. 4a-4c mehrere Ansichten eines Elementes des Ausführungsbeispieles aus Fig. 2 und 3.
Fig. 1 zeigt eine schematisierte Darstellung eines medizinischen Statives (1) inklusive eines daran angeordneten Operationsmikroskopes (2). Das Stativ (2) weist eine im wesentlichen bekannte Doppel-Parallelogramm-Struktur auf und ist um eine Reihe von Achsen (3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d) beweglich, die in der Darstellung der Fig. 1 allesamt senkrecht zur Zeichenebene orientiert sind. Desweiteren ist das Operationsmikroskop (2) drehbar um eine Achse (5) am Stativ angeordnet, wobei diese Achse (5) die gleiche Orientierung aufweist wie die restlichen Stativachsen (3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b, 4c, 4d). Zwei der Stativ-Drehachsen (3b, 4a) sowie der Operationsmikroskop-Drehachse (5) ist nunmehr jeweils die erfindungsgemäße Kompensations-Vorrichtung (6a, 6b, 6c) zugeordnet, über die eine Kompensation der daran angreifenden, drehwinkelabhängigen Drehmomente gewährleistet wird. Hierbei ist in der Darstellung der Fig. 1 die den Drehachsen (3b, 4a, 5) zugeordnete erfindungsgemäße Kompensations-Vorrichtung (6a, 6b, 6c) jeweils lediglich schematisiert angedeutet. Die detaillierte Beschreibung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt anhand der folgenden Fig. 2-4.
Die Orientierung der Drehachsen (3b, 4a, 5) mit den zugeordneten, erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtungen (6a, 6b, 6c) verändert sich während des räumlichen Positionierens des Operationsmikroskopes (2) mit Hilfe des Statives in der dargestellten Ausführungsform nicht, d. h. die drei Achsen (3a, 4a, 5) bleiben immer horizontal ausgerichtet.
Selbstverständlich zeigt Fig. 1 lediglich eine mögliche Anordnungsvariante der erfindungsgemäßen Kompensations- Vorrichtung. Es ist demzufolge jederzeit möglich, die Vorrichtung in einem anders aufgebauten Stativ einzusetzen bzw. mehr oder weniger Achsen eines Statives damit auszubalancieren etc.
Einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung (6c) zum Ausgleich drehwinkelabhängiger Drehmomente zeigt Fig. 2.
In Fig. 3 ist eine Schnitt-Ansicht durch die in Fig. 2 eingezeichnete Ebene (III-III) der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung (6c) dargestellt. Die Zeichenebene fällt hierbei mit der Drehebene zusammen.
In den Fig. 2 und 3 ist dabei eine Ausführungsform der Kompensations-Vorrichtung (6c) dargestellt, wie sie etwa zur Anordnung an der Operationsmikroskop-Drehachse mit dem Bezugszeichen (5) in Fig. 1 geeignet ist.
Erkennbar ist in den beiden Fig. 2 und 3 jeweils auch ein Teil (25) des Statives, an dem die erfindungsgemäße Kompensations-Vorrichtung (6c) über Schraubverbindungen am Stativ befestigt wird.
In einem zylinderförmigen Gehäuse (10) der Kompensations- Vorrichtung (6c) ist eine Verschiebe-Einheit (11) linear verschiebbar entlang einer Verschiebeachse (12) gelagert. Die Verschiebeachse (12) fällt mit der Längsachse des zylinder­ förmigen Gehäuses (10) und der Drehachse (5) zusammen. Um die Verschiebeachse (12) erfolgt die eigentliche Drehbewegung der jeweiligen Masse. Die bei dieser Drehbewegung auftretenden, drehwinkelabhängigen Drehmomente sollen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung (6c) ausgeglichen werden.
Die präzise Linear-Führung der Verschiebeeinheit (11) entlang der Verschiebeachse (12) wird über zwei Führungsnuten (21a, 21b) im Gehäuse (10) der Kompensations-Vorrichtung sicher­ gestellt, in die zwei Führungsstifte (20a, 20b) der Verschiebeeinheit (11) eingreifen.
Die zu drehende Masse bzw. das in diesem Fall vorgesehene Operationsmikroskop ist in Fig. 2 aus Übersichtlichkeits­ gründen nicht dargestellt. Erkennbar ist lediglich ein Verbindungselement (13), an dem das Operationsmikroskop angeordnet und mit der Kompensations-Vorrichtung (6c) verbunden wird. Das Verbindungselement (13) wird hierbei über eine Aus­ sparung aus dem Gehäuse (10) der Kompensations-Vorrichtung (6c) herausgeführt.
Das Verbindungselement (13) wiederum ist mit einer Hülse (14) verbunden, die drehbar um die Verschiebeachse (12) bzw. Drehachse (5), jedoch ortsfest in Längsrichtung der Verschiebeachse (12) angeordnet ist. Zur drehbaren Lagerung der Hülse (14) um die Verschiebeachse (12) ist ein radialsymmetrisch um die Verschiebeachse (12) angeordnetes Kugellager (15a, 15b, 16, 17) vorgesehen, das ein möglichst reibungsfreies Drehen der Hülse (14) ermöglicht. Das Kugellager (15a, 15b, 16a, 17a) umfaßt hierbei einen an einer flanschförmigen Lagerfläche (16) der drehbaren Hülse (14) anliegenden Kugellager-Innenring (16a) sowie einen an einer ortsfesten Lagerfläche (17) des Gehäuses (10) anliegenden Kugellager-Außenring (17a) und die einzelnen, dazwischen angeordneten Kugeln (15a, 15b).
Am zu dem der flanschförmigen Lagerfläche (16) entgegen­ gesetzten Längsende der Hülse (14) weist die Hülse (14) zwei symmetrische Steuerkurven auf, gegen die sich die Verschiebe­ einheit (11) abstützt. Mit den Bezugszeichen (18a) und (18b) werden in Fig. 2 die Flächen der Steuerkurven bezeichnet, gegen die sich die Verschiebeeinheit (11) über zwei kugel­ gelagerte, drehbare Ringe (19a, 19b) abstützt, welche an einem Abstützabschnitt (20) der Verschiebeeinheit (11) angeordnet sind. Die Drehachse dieser Ringe (19a, 19b) ist jeweils senkrecht zur Verschiebeachse (12) orientiert.
Die Anordnung der beiden symmetrischen Steuerkurven bzw. der entsprechenden Lagerflächen (18a, 18b), an denen sich die Verschiebeeinheit (11) abstützt sowie der Aufbau der Hülse (14) geht desweiteren aus den verschiedenen Teilansichten der Hülse (14) in den Fig. 4a-4c deutlich hervor.
Mindestens die Lagerflächen (18a, 18b) der Steuerkurven sind vorzugsweise gehärtet ausgeführt, um auch im Fall höherer angreifender Drehmomente bzw. Linearkräfte eine gewisse Lebens­ dauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung sicherzustellen.
Die Verschiebeeinheit (11) umfaßt neben dem Abstützabschnitt (20) mit den vorab beschriebenen Führungsstiften (20a, 20b) ferner eine zylinderförmige Zugstange (22), die im Inneren der Hülse (14) in Verschieberichtung, d. h. in Gehäuse-Längsrichtung beweglich gelagert ist. Der sich über die kugelgelagerten Ringe (19a, 19b) an den Steuerkurven (18a, 18b) abstützende Abstützabschnitt (20) ist schraubbar an einem Ende der Zugstange (22) befestigt. Am anderen Ende der Zugstange (22) ist ebenfalls über eine Schraubverbindung eine Platte (23) angeordnet, an der sich wiederum eine Reihe von benachbart angeordneten Tellerfedern (24a, . . ., 24e) abstützen. Die Teller­ federn (24a, . . ., 24e) stützen sich ferner an einem festen Vorsprung des Gehäuses (10) der Kompensations-Vorrichtung (6c) ab und üben beim Versetzen der Verschiebeeinheit (11) nach rechts eine dem angreifenden Drehmoment entgegenwirkende Kompensationskraft auf die Verschiebeeinheit (11) aus.
Erfolgt also ein Verdrehen des Verbindungselementes (13) bzw. der Masse senkrecht zur Zeichenebene um die Drehachse, so wird dabei durch die gewählte Steigung der Steuerkurven die Verschiebeeinheit (11) in Längsrichtung nach rechts auf der Drehachse versetzt. Gleichzeitig wirkt gegen den Versatz nach rechts jedoch die Federkraft der dabei zusammengedrückten Tellerfedern (24a, . . ., 24e). Durch die entsprechende Dimensionierung der Tellerfedern (24a, . . ., 24e) läßt sich dergestalt eine definierte Kompensation des jeweils angreifenden Drehmomentes erreichen. Hierzu müssen die Teller­ federn (24a, . . ., 24e) derart kombiniert werden, daß je nach Kompensationsgrad eine entsprechende Gegenkraft zum angreifenden Drehmoment resultiert. Desweiteren ist die Steigung der Steuerkurven so zu wählen, daß in Abhängigkeit des Verdreh-Winkels stets ein definierter Linearversatz der Verschiebeeinheit (11) entlang der Verschiebe- respektive Drehachse (12) erfolgt. Je nach resultierendem Versatz wirkt dann die entsprechend dimensionierte Kompensationskraft der Tellerfedern (24a, . . ., 24e) und gleicht das angreifende Dreh­ moment aus.
Eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Kompensations- Vorrichtung in der Drehebene zeigt die Fig. 3. Deutlich erkennbar ist nunmehr das Verbindungselement, an dem die zu drehende Masse angeordnet wird. Ansonsten sind für die identischen Teile die gleichen Bezugszeichen wie bereits in Fig. 2 verwendet.
Neben der Möglichkeit der Verwendung von Tellerfedern wie im vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es jederzeit möglich, auch andere elastische Kompensationselemente innerhalb der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung einzusetzen, die das jeweilige Drehmoment kompensieren. Beispielsweise kommen hierfür auch andere Federn, Hydraulik-, Gasdruck- oder aber Druckluft-Systeme etc. in Betracht. Die erforderlichen elastischen Kompensationselemente werden in Abhängigkeit der zu kompensierenden Drehmomente gewählt bzw. dimensioniert.
Die Dimensionierung der Steuerkurven sowie die entsprechende Dimensionierung der verwendeten elastischen Kompensations­ elemente erfolgt in einem iterativen Rechenverfahren. Hierbei werden in Abhängigkeit des Drehwinkels und der sonstigen vorgegebenen Bedingungen schrittweise die anzupassenden Parameter optimiert.
Neben dem beschriebenen Ausführungsbeispiel existieren weitere Möglichkeit der mechanisch-konstruktiven Ausführung der erfindungsgemäßen Kompensations-Vorrichtung. Wesentlich am erfindungsgemäßen Konzept ist jeweils die Umsetzung der Dreh­ bewegung der jeweiligen Masse in eine Linearbewegung der Verschiebeeinheit, die wiederum gegen eine Kompensationskraft elastischer Kompensationselemente wirkt.
Der jeweils resultierende Linearversatz wiederum wird in einer definierten Beziehung zur Drehwinkelabhängigkeit der angreifenden Drehmomente gewählt. Die jeweilige Drehwinkelabhängigkeit der Drehmomente ist hierbei immer nur für eine bestimmte räumliche Orientierung der Drehachse gleich­ bleibend, d. h. im Fall einer anderen Drehachsenorientierung resultiert auch eine andere Abhängigkeit. Es ist jedoch jeder­ zeit möglich, auch eine entsprechend gestaltete Steuerkurve für eine anders geartete Beziehung zwischen Drehwinkel und resultierendes Drehmoment zu bestimmen, d. h. etwa für andere Orientierungen als die beschriebene Horizontal-Orientierung der Drehachse. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit flexibel an verschiedenste Gegebenheiten anpaßbar.

Claims (10)

1. Kompensations-Vorrichtung zum Ausgleich eines drehwinkelabhängigen Drehmomentes, das bei der Rotations­ bewegung einer Masse um eine Drehachse (3b, 4a, 5) resultiert, wobei die Rotationsbewegung einen vom Dreh­ winkel definiert-abhängigen Linearversatz einer beweglich gelagerten Verschiebe-Einheit (11) entlang einer Verschiebeachse (12) bewirkt und mindestens ein elastisches Kompensations-Element (24a, . . ., 24e) vorgesehen ist, welches auf die Verschiebe-Einheit (11) eine gegen dessen Versatzrichtung wirkende Kompensationskraft ausübt, die vom Linearversatz abhängig ist und das jeweils angreifende Drehmoment kompensiert.
2. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Linear-Führung (20a, 20b, 21a, 21b) für die Verschiebe- Einheit (11) in einem Gehäuse (10) angeordnet ist.
3. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zu bewegende Masse über mindestens ein Verbindungselement (13) drehbar um die Verschiebeachse (12) gelagert und die Drehebene ortsfest in Bezug auf die Verschiebeachse (12) ist.
4. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verbindungselement (13) mit einer Hülse (14) mit mindestens einer Steuerkurve (18a, 18b) verbunden ist und die Hülse (14) drehbar um die Verschiebeachse (12) gelagert ist.
5. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Verschiebe-Einheit (11) in kraftschlüssigem Kontakt mit der mindestens einen Steuerkurve (18a, 18b) der Hülse (14) steht.
6. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Verschiebe-Einheit (11) eine Zugstange (22) und einen an einem Ende der Zugstange (22) angeordneten Abstützabschnitt (20) umfaßt, über den sich die Verschiebeeinheit (11) gegen die Kompensationskraft des elastischen Kompensationselementes (24a, . . ., 24e) an der mindestens einen Steuerkurve (18a, 18b) abstützt.
7. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Hülse (14) zwei symmetrische Steuerkurven (18a, 18b) aufweist und der Abstützabschnitt (20) zwei Kugellager (19a, 19b) aufweist, welche bei der Rotationsbewegung auf den Steuerkurven (18a, 18b) abrollen.
8. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Zugstange (22) am anderen Ende tellerförmig ausgebildet ist und mindestens ein elastisches Kompensationselement (24a, . . ., 24e) sich gegen die Teller-Innenfläche abstützt.
9. Kompensations-Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei als elastische Kompensationselemente (24a, . . ., 24e) mehrere hintereinander angeordnete Tellerfedern vorgesehen sind.
10. Stativ zur Anordnung eines medizinischen Therapie­ und/oder Diagnoseinstrumentes mit mindestens einer Drehachse (24a, . . ., 24e), an der eine Kompensations- Vorrichtung (6a, 6b, 6c) nach einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.
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