DE3002665C2 - Laserstrahlmessermanipulator - Google Patents
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Description
55
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserstrahlmessermanipulator,
mit einer Ausgleichsarmanordnung, mit einem das Laserstrahlmesser an einem Ende tragenden
flexiblen Lichtleiterteii, das mit seinem anderen Ende an einem Ende eines starren ersten Lichtleiterteiles
angekoppelt ist, dessen anderes Ende um eine horizontale erste Achse verschwenkbar an einem Ende einer
aus weiteren starren Lichtleiterteilen und Spiegeln zusammengesetzten Armanordnung befestigt ist, welche
mit ihrem anderen Ende um eine horizontale zweite, zur ersten parallelen Achse und um eine vertikale dritte
Achse verschwenkbar an einem Laser-Oszillator befestigt ist, von dem aus die Einkopplung des Laserstrahles
in die starren Lichtleiterteile der Armanordnung erfolgt
Bei Laserstrahlmessermanipulatoren dieser Art (vgl. US-PS 39 13 582) besteht die Ausgleichsarmanordnung
aus einem doppelarmigen Hebel, Jer in der dritten Achse (Z) um eine über der zweiten Achse (X) und zu dieser
parallelen Achse schwenkbar gelagert ist An dem einen freien Ende des doppelarmigen Hebels ist die Armanordnung
flexibel aufgehängt, während das andere freie Ende ein Ausgleichsgewicht trägt. Derartige Ausgleichsarmanordnungen
haben den Nachteil, daß ein exakter Momentausgleich nur in einer einzigen Stellung
des Manipulators gegeben ist, während in den anderen Stellungen ein mehr oder weniger großer unausgeglichener
Momentanteil verbleibt Dieser unausgeglichene und hinsichtlich der Größe in den verschiedenen Stellungen
unterschiedliche Momentanteil ist gerade bei chirurgischen Eingriffen, für die derartige Laserstrahlmesser
eingesetzt werden, in höchstem Maße unerwünscht und erschwert insbesondere bei schwierigen
diffizilen Schneidvorgängen die präzise Handhabung des Messers.
Einen stark unausgeglichenen und hinsichtlich der Größe in den verschiedenen Stellungen sehr unterschiedlichen
Momentanteil weist auch die Konstruktion nach der Zeitschrift »Umschau« 1975, Heft 5, Seiten
133—136 auf, bei der zum Ausgleich lediglich einfache Gewichte vorgesehen sind, die über Seiizüge auf die
Armanordviung wirken, wodurch sich insbesondere bei schräger Seilzugstellung ein zum Teil erheblicher und
für die Handhabung von Laserstrahlmessern vollkommen unbrauchbarer Schrägzug ergibt.
In verstärktem Maße gilt dies auch für die Konstruktion
nach dem DE-Gbm 77 19 745, bei der anstelle von Gegengewichten eine Federzuganordnung vorgesehen
ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laserstrahlmessermanipulator
der eingangs beschriebenen Anordnung derart weiterzubilden, daß der Momentenausgleich
verbessert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Laserstrahlmessermanipulator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Armanordnung mit ihrem anderen Ende starr mit der Ausgleichsarmanordnung
verbunden ist, die bezüglich der durch die zweite und dritte Achse aufgespannten Ebene zum Gewichtsausgleich
auf der der Armanordnung gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und an ihrem freien Ende einen um
eine zur zweiten Achse parallele vierte Achse verschwenkbaren, dem ersten Lichtleiterteil gemäß den
geometrischen Ähnlichkeitsgesetzen nachgebildeten Ausgleichsstab umfaßt, der mit dem ersten Lichtleiterteil
über eine dessen Bewegung auf den Ausgleichsstab übertragende Parallelogrammanordnung verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist erstmalig ein Laserstrahlmessermanipulator geschaffen, bei
dem mit relativ einfachen technischen Mitteln ein exakter Momentenausgleich praktisch in allen Stellungen
des Manipulators erreicht wird. So wird das erste starre Lichtleiterteil über den Ausgleichsstab und der an das
erste Lichtleiterteil anschließende Teil der Armanordnung durch die auf der Gegenseite angeordnete, und
starr mit dieser verbundene Ausgleichsarmanordnung kompensiert. Außer einer die Bewegung des ersten
Lichtleiterteiles auf den Ausgleichsstab übertragenden einfachen Parallelogrammanordnung sind hierzu weitere
mechanische Elemente nicht erforderlich.
Vorteilhafte Ausbildungen der Ausgieichsarmanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erörtert Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines bekannten Manipulators,
F i g. 2 ein Diagramm zur Beschreibung des Ausgleichs der Armanordnung des bekannten Manipulators,
Fig.3 ein Diagramm, welches die Projektion des
Schwerpunkts des Manipulators einschließlich der Ausgleichsarmanordnung auf eine X- K-Ebene darstellt,
Fig.4 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Manipulators,
F i g. 5 eine perspektivische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Manipulators, und
F i g. 6 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Manipulators.
F i g. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines aus starren Lichtleiterteilen zusammengesetzten Armanordnung
eines bekannten Manipulators. Der von einem Oszillator 1 abgegebene Laserstrahl gelangt über einen
Spiegel an einen Austrittspunkt N und anschließend über einen Arm NO zu einem Drehpunkt O. Anschlie-Bend
wird der Laserstrahl durch die Arme OP, PQ, QR und ein erstes starres Lichtleiterteil RS geleitet. Eine
Spiegelanordnung ist in jedem der Verbindungspunkte O, P, Q, R1S angeordnet, um den Laserstrahl jeweils um
90° umzulenken. An dem ersten starren Lichtleiterteil ist. ein flexibles Lichtleiterteil befestigt, das an einem
Ende mit einem Laserstrahlmesser ausgestattet ist. Das Laserstrahlmesser kann in die gewünschte Stellung im
Operationsgebiet bewegt werden, indem eine entsprechende Kombination von Drehbewegungen der drei
Arme NO, OP und QR vorgenommen wird.
Das System wird dabei um den Arm NO, d. h. die Z-Achse gedreht. Der Arm OP bildet dabei die zweite,
die ΑΓ-Achse. Die Verbindungslinie zwischen den Punkten OR bildet die Y- Achse.
F i g. 1 zeigt einen Zustand des Manipulators, bei dem die Armanordnung OPQR in der X- Y- Ebene liegt und
sich senkrecht zur Z-Achse erstreckt, wobei das erste starre Lichtleiterteil RS sich nach unten parallel zur
Z-Achse erstreckt. Diese Position wird im folgenden als »Ausgangsposition« bezeichnet. Der Schwerpunkt Go
des Manipulators liegt an einem inneren Unterteilungspunkt eines Segments, das den Schwerpunkt G\, der
Armanordnung OPQR und den Schwerpunk: G2 des
Lichtleiterteiles RS verbindet. Durch die Handhabung des Manipulators wird nun die Lage des Schwerpunkts
Go in komplexer Weise verändert. Die Projektion G des Schwerpunkts Go auf die X-V-Ebene wird längs eines
Segments AB parallel zur V-Achse verschoben, weil sich der Schwerpunkt G2 längs eines Bogens S\, Gi, S2
mit dem Mittelpunkt R bewegt. Dies beruht auf der Drehung des Arms QR und hängt keineswegs von den
Winkelstellungen der Arme NO und OPab.
F i g. 2 stellt eine Projektion des Systems nach F i g. 1 auf die X- Y-Ebene dar, die für die Beschreibung des
Ausgleichsmittels einer Ausgleichsanordnung wesentlich ist. Der Zweck des Ausgleichs liegt darin, ein Drehmomentungleichgewicht
als Folge der Bewegung des Schwerpunkts des Manipulators zu beseitigen. Zunächst
liegt der Schwerpunkt der Armanordnung in der Ausgangsposition im Punkt M auf einer Geraden, die die
Projektion des Schwerpunkts auf der A"-V-Ebene und
den DrehDunkt O verbindet, womit ein Gewicht Wm
geliefert wird, welches durch die Ausgleichsbeziehung WM · ~ÖM = W ■ VG bestimmt wird, wobei Wdas Gesamtgewicht
des Manipulators darstellt
Wie vorausgehend beschrieben wurde, bewegt sich die Projektion G längs des Segments AB parallel zur
V-Achse. Bewegt sich daher der Schwerpunkt des Manipulators von seiner Ausgangsposition in eine Position
G\ so ist es erforderlich, daß sich der Schwerpunkt der Ausgleichsanordnung zu einem Punkt M' bewegt, und
zwar auf einer Geraden, die die Projektion G' und den Drehpunkt O verbindet, wobei ein Gewicht W'm- welches
durch die Ausgleichsbeziehung
W'm ■ OM = W ■ OG' bestimmt ist, zur Anwendung
kommt.
In Fig.2 bezeichnen die Bezugszeichen GOM und
COM' dynamische Systeme in einem ersten- Ausgleichszustand
in der Ausgleichsposition und in einem zweiten Ausgleichszustand nach der Bewegung des
Schwerpunktes. Der Schwerpunkt des Manipulators wird kontinuierlich längs des Segments AB bewegt Um
zu jeder Zeit einen Ausgleich aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, während der Verschwenkung vom dynamischen
System GOM zum dynamischen System COM' das Gleichgewicht kontinuierlich beizubehalten. Jedoch
ist eine kontinuierliche Beibehaltung des Gleichgewichts durch gleichzeitige Veränderung des Gewichts
der Ausgleichsanordnung und der Länge der Arme derselben zwar theoretisch möglich, aber nicht zweckmäßig.
F i g. 3 zeigt den Ausgleich einer erfindungsgemäßen Ausgleichsarmanordnung bei welcher das Gewicht Wm
der Ausgleichsarmanordnung unverändert bleibt, wobei das Gleichgewicht des Manipulators ständig beibehalten
wird, unabhängig von der Bewegung des Schwerpunkts des Manipulators, womit ein Ungleichgewicht
als Folge der Bewegung des Schwerpunkts stets verhindert wird.
F i g. 3 stellt eine Projektion des Systems nach F i g. 1 auf die X- V-Ebene, ähnlich wie bei F i g. 2 dar. Das Segment
AB, das parallel zur Y-Achse liegt, bildet den Bewegungsbereich
der Projektion G des Schwerpunkts des Manipulators auf die X-V-Ebene. Die besonderen
Merkmale der erfindungsgemäßen Ausgleichsanordnung werden nun erläutert.
Das Segment G C, längs welchem sich der Schwerpunkt des Manipulators bewegt, liegt parallel zum Segment
M M', längs welchem der Schwerpunkt der Ausgleichsarmanordnung bewegt wird. Die Punkte G, O
und M liegen auf einer Geraden und die Punkte C, O und M' liegen auf einer anderen Geraden. Darüber hinaus
wird das Dreieck GO C bezogen auf den Drehpunkt O geometrisch ähnlich zum Dreieck MO M' gehalten.
Das Gewicht Wm der Ausgleichsarmanordnung wird erhalten, indem das Gewicht W des Manipulators
durch den reziproken Wert des Ähnlichkeitsverhältnisses der vorausgehend erwähnten Dreiecke multipliziert
wird.
F i g. 4 stellt den Ausgleich bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ausgleichsarmanordnung
dar. Die Ausgleichsarmanordnung OP'Q'R' ist geometrisch ähnlich der Manipulatorarmanordnung
OPQR ausgebildet und fest mit einem Ende Odes Arms
OP verbunden. Die Ausgleichsarmanordnung OP'Q'R' wird mit einem Gewicht belastet, welches sich im
Gleichgewicht mit der Armanordnung OPQR mit dem Punkt O als Drehpunkt befindet. Ferner ist ein Ausgleichsstab
R1S' vorhanden, welcher am Verbindungspunkt /?'des Arms Q'R' derart befestigt ist, daß er um
den Arm Q'R' um eine Achse X"drehbar ist, wobei die
Länge und das Gewicht des Ausgleichsstabes Ä'S' derart bemessen werden, daß ein Gleichgewicht mit dem
ersten starren Lichtleiterteil RS, bezogen auf den Drehpunkt
O, vorliegt. An dem Lichtleiterteil RS und dem Ausgleichsstab R'S bzw. anderen Verlängerungen sind
Schwenkverbindungen L und /.'vorgesehen. Ferner ist
die Ausgleichsarmanordnung mit einem Stab LL'versehen, welcher mittels eines verschiebbaren Halterungspunkts
Lo, der sich auf der Verlängerung des Arms NO befindet, befestigt ist. Der Stab /./.'bildet mit den Punkten
R und R' ein Rechteck RLL'R'. Das Rechteck RLL'R' stellt eine Parallelogrammanordnung dar, mit
der die Bewegung des Lichtleiterteiles ÄS als Folge der
Betätigung des Manipulators unmittelbar mit der Bewegung des Ausgieichsstabes Ä'S'derart gekoppelt ist, daß
zu jedem Zeitpunkt ein Gleichgewicht dieser beiden Teile gegenüber dem Drehpunkt O aufrechterhalten
wird.
Die Armanordnung OPQR ist über den Drehpunkt O
fest mit der Ausgleichsarmanordnung OP'Q'R' verbunden, die geometrisch ähnlich zu dieser ausgebildet ist.
Beide Anordnungen werden als Einheit um den Arm NO (Z-Achse) und die Arme PP'(X-Achse) gedreht. Der
Lichtleiterteil ÄS und der Ausgieichsstab Ä'S'sind über den Stab LL' drehbar miteinander verbunden und bilden
das Parallelogramm RLL'R'. Daher tritt ein Ungleichgewicht des Systems bei einer Bewegung des
Schwerpunkts des Manipulators nicht auf. Auf diese Weise weist das in Verbindung mit F i g. 3 beschriebene
Gleichgewicht zufriedenstellend erhalten.
Der Stab LL' kann über dem Drehpunkt gemäß F i g. 4 oder unterhalb desselben angeordnet werden.
F i g. 5 zeigt den Ausgleich bei einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Ausgleichsarmanordnung.
Diese Ausführungsform weist einen Arm OM\ auf, der
fest mit einem Ende O eines Manipulatorarms OP verbunden
ist, wobei die Länge und das Gewicht des Arm OM\ derart bestimmt werden, daß sich der Arm im
Gleichgewicht mit der Armanordnung OPQR, bezogen auf den Punkt O als Drehpunkt befindet Ferner ist eine
Armanordnung OR'S' vorgesehen, die einen Arm OR' aufweist, welcher mit einem Ende O des Arms OP verbunden
und parallel zum Arm PQ verläuft Der Ausgieichsstab Ä'S'ist drehbar an einer Verbindung bei R'
in einer Ebene SROR' angelenkt, wobei die Länge und das Gewicht des Ausgleichsstabes R 'S' derart bemessen
sind, daß sich der Stab im Gleichgewicht mit dem Lichtleiterteil RS, bezogen auf den Drehpunkt O befindet
Die Ausgleichsarmanordnung weist ferner in den Punkten L und L' auf, die jeweils an dem Lichtleiterteil RS
und dem Stab Ä'S'oder an deren Verlängerungen angeordnet sind. Der ebenfalls vorgesehene Stab LL'ist dabei
analog der Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ausgebildet
Die Annanordnung OPQR und der Ausgleichsarm OMi sind fest miteinander verbunden, so daß sie ein
Gleichgewicht zueinander bezüglich des Drehpunkts O aufweisen. Der Lichtleiterteil RS und der Ausgleichsstab R'S' sind über den Stab LL' miteinander verbun-
den, welcher Teil der Parallelogrammanordnung RLL'R'ist Auf diese Weise werden die Gewichtsbedingungen,
die mit Bezug auf F i g. 3 beschrieben worden sind, vollständig erfüllt In ähnlicher Weise wie beim
Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 kann die Position des Gelenks im Punkt L im Einklang mit der anschließend
beschriebenen Ausführungsform nach F i g. 6 geändert werden.
F i g. 6 stellt den Ausgleich bei einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Manipulators dar.
Diese Ausführung weist eine Ausgleichsarmanordnung OP' T auf, die fest mit einem Ende O des Arms OP
verbunden ist. Der Arm PT'schließt mit dem Arm OP einen Winkel von 90° ein, so daß er parallel zum Arm
QP verläuft. Das System umfaßt einen Ausgleichsstab T'S', der um eine Verbindung im Punkt T in einer zur
Ebene SRO parallelen Ebene schwenkbar verbunden ist. Die Länge und das Gewicht des Ausgleichsstabes
TS' werden derart festgelegt, daß sich diese im Gleichgewicht mit dem gesamten Manipulator mit Punkt OaIs
Drehpunkt befindet. Der Arm P'V liegt parallel zum Arm PQ und die Position des Arms P'V ist derart, daß
die Linie, längs welcher der Schwerpunkt der Ausgleichsarmanordnung durch die Drehung des Ausgleichsstabes
TS' bewegt wird, mit der Bewegungslinie MM' des Schwerpunkts zusammenfällt, die in Verbindung
mit Fig.3 beschrieben wurde. Die Anordnung weist ferner einen Stab LL' auf', der einen Arm TL hat,
welcher fest mit einem Arm QR an einem Punkt am drehbaren Arm QR oder einer Verlängerung desselben
verbunden ist. Der Stab LL' weist ferner ein Gelenk L und ein Gelenk L'am Arm TS'auf. Die Gelenke L und
L' sind miteinander durch einen verschiebbaren Halterungspunkt Lo an der Verlängerung des Arms NO derart
gekoppelt, daß eine Parallelogrammanordnung TLL'T gebildet wird. Somit wird die Drehung des ersten
Lichtleiterteiles ÄS des Manipulators über den Stab LL'auf den Ausgleichsstab PS'der Ausgleichsarmanordnung
übertragen und entsprechend wird ein Ungleichgewicht als Folge der Bewegung des Schwerpunkts
des Manipulators völlig beseitigt, wodurch der Gleichgewichtsbeziehung, die in Verbindung mit F i g. 3
beschrieben wurde, genügt wird.
In den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4, 5
und 6 ist es unnötig, den verschiebbaren Halterungspunkt Lo vorzusehen, falls der Stab LL'stark genug ist,
um sich geradlinig zu halten. Zur Erhöhung der Festigkeit des Verbindungsstabs LL'können zusätzliche Verbindungsstäbe,
ähnlich dem Stab LL', oberhalb und unterhalb des Drehpunkts O vorgesehen sein, die zusammenwirken.
In diesem Falle wird die gleiche Wirkung erhalten. Ferner kann der Verbindungsstab durch einen
oberen und einen unteren Stab gebildet werden, die durch einen drehbaren, zusätzlichen Stab verbunden
werden, der parallel zum Lichtleiterteil ÄS liegt, womit ebenfalls die gleiche Wirkung erzielbar ist Wie aus den
vorausgehend aufgeführten Ausführungsbeispiel hervorgeht, wird bei dem erfindungsgemäßen Manipulator
eine Bewegung des Schwerpunkts, die durch die von der Bedienungsperson veranlagten Bewegung des Manipulators
verursacht wird, genau ausgeglichen, so daß ein durch die Bewegung des Schwerpunkts des Manipulators
verursachtes Ungleichgewicht beseitigt wird und zu jedem Zeitpunkt eine sehr ruhige mechanische Bewegung
erhalten wird. Daher kann die Bedienungsperson unbehindert und ruhig den Laserstrahl in die gewünschte
Position im Operationsfeld lenken.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Laserstrahlmessermanipulator, mit einer Ausgleichsarmanordnung,
mit einem das Laserstrahlmesser an einem Ende tragenden flexiblen Lichtleiterteil,
das mit seinem anderen Ende an einem Ende eines starren ersten Lichtleiterteiles angekoppelt ist,
dessen anderes Ende um eine horizontale Achse (X') verschwenkbar an einem Ende einer aus weiteren
starren Lichtleiterteilen und Spiegeln zusammengesetzten Armanordnung befestigt ist welche mit ihrem
anderen Ende um eine horizontale zweite, zur ersten parallelen Achse (X) und um eine vertikale
dritte Achse (Z) verschwenkbar an einem Laser-Oszillatcr
(1) befestigt ist, von dem aus die Einkopplung des Laserstrahles in die starren Lichtleitertcile der
Annanordnung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Armanordnung (OP, PQ, QR)
mit ihrem anderen Ende (O) starr mit der Ausgleichsarmanordnung verbunden ist, die bezüglich
der durch die zweite (X) und dritte (Z) Achse aufgespannten Ebene zum Gewichtsausgleich auf der der
Armanordnung gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und an ihrem freien Ende einen um eine zur
zweiten Achse (X) parallele vierte Achse (X") verschwenkbaren, dem ersten Lichtleiterteil (RS) gemäß
den geometrischen Ähnlichkeitsgesetzen nachgebildeten Ausgleichsstab (R', S'bzw. V, S') umfaßt,
der mit dem ersten Lichtleiterteil über eine dessen Bewegung auf den Ausgleichsstab übertragende
Parallelogrammanordnung (R, L, L', R'bzv/. T, L, L',
V) verbunden ist.
2. Laserstrahlmessermanipulator nach Anspruch 1, mit einer aus drei, jeweils im rechten Winkel
aneinandergesetzten starren Lichtleiterteilen (LQ, QP, PO) bestehenden Armanordnung, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgleichsarmanordnung aus drei, jeweils im rechten Winkel aneinandergesetzten
Armen (OP', P', Q', Q', R') besteht. -to
3. Laserstrahlmessermanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsarmanordnung
einen ersten Arm (OR') sowie einen zweiten Arm (OMX) umfaßt, die jeweils mit
einem Ende am anderen Ende (O) der Armanordnung befestigt sind, wobei der Ausgleichsstab (R', S')
am freien Ende des ersten Armes (OR')befestigt ist.
4. Laserstrahlmessermanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsarmanordnung
aus zwei im rechten Winkel aneinandergesetzten Armen (OP', P', V) besteht.
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