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DE3002665C2 - Laserstrahlmessermanipulator - Google Patents

Laserstrahlmessermanipulator

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DE3002665C2
DE3002665C2 DE3002665A DE3002665A DE3002665C2 DE 3002665 C2 DE3002665 C2 DE 3002665C2 DE 3002665 A DE3002665 A DE 3002665A DE 3002665 A DE3002665 A DE 3002665A DE 3002665 C2 DE3002665 C2 DE 3002665C2
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DE
Germany
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arm
arrangement
axis
light guide
laser beam
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DE3002665A
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Koichi Saitama Kamoi
Tohru Tokio/Tokyo Nakajima
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Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
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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)

Patentansprüche:
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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