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Die Erfindung betrifft einen modularen Mehrgelenkmechanismus, der insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie (MIC) einsetzbar ist.
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In der Chirurgie hat sich mittlerweile ein Verfahren etabliert, das auf große Körperöffnungen verzichten kann, die sogenannte minimal invasive Chirurgie (MIC). Hierbei wird der chirurgische Zugang mittels kleiner Schnitte durch die Körperoberfläche geschaffen. Durch diese Zugänge werden lange, schlanke Instrumente, sogenannte endoskopische Instrumente, in das Patienteninnere vorgeschoben. Dies sind u. a. dünne, stabförmige Endoskopkameras, die zur Gewinnung optischer Eindrücke aus dem Körperinneren über Video-/Monitorsysteme dienen. Vorteile dieser Technik im Vergleich zur konservativen, offenen Chirurgie liegen insbesondere in der geringeren Traumatisierung des Patienten, d. h. geringere postoperative Schmerzen, geringere Wundheilungsstörungen, geringerer Blutverlust, geringere Wundinfektionsrate etc. und der damit verbundenen schnelleren Rekonvaleszenz.
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Bekannte MIC-Instrumente haben verschiedene Nachteile in der Handhabung. Einerseits ist das Arbeiten mit den üblicherweise starren Instrumenten schwierig, da sie intrakorporal nicht abwinkelbar sind und lediglich ein funktionaler Freiheitsgrad zum Schneiden oder Greifen existiert. Andererseits ist das Führen der Instrumente unintuitiv, da der Durchtrittspunkt durch die Körperoberfläche als invariant anzusehen ist und somit eine Bewegungsumkehrung im Körperinneren stattfindet. Folglich ist das Erlernen dieser Technik langwierig und trainingsintensiv. Des Weiteren sind komplexe Eingriffe mit hohen Forderungen an Manipulabilität mit dieser Technik kaum durchführbar.
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Um diese schwierige Handhabbarkeit zu vereinfachen, wird die minimal invasive Chirurgie durch Robotersysteme unterstützt. Die MIC-Instrumente werden von Roboterarmen getragen, welche vom Chirurgen direkt ferngesteuert werden. Die Fernsteuerung erfolgt über eine vom Patienten abgesetzte, cockpitartige Eingabekonsole, bei der die MIC-Instrumente mittels spezieller ”Joysticks” kommandiert werden. Hauptvorteile dieser Robotersysteme sind die Möglichkeit, eine zusätzliche intrakorporale Abwinkelung der Instrumente bei einfacher Bedienung zu bieten sowie die Handhabung der Instrumente über Zwischenschaltung rechnergestützter Eingabeanpassungssysteme wesentlich zu vereinfachen (Wiederherstellung der Hand-Auge-Koordination bzw. Elimination der Bewegungsumkehrung). Hierdurch sind nach einer vergleichsweise kurzen Lernphase auch komplexe MIC-Eingriffe mit hohen Forderungen an Manipulabilität möglich.
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Nachteil dieser Technik – bedingt durch die räumliche bzw. mechanische Trennung von Chirurg und Patient – ist der völlige Verlust haptischer Rückkopplung vom Operationsfeld an den Operateur. Die Wahrnehmung haptischer Eindrücke durch ein technisches System ist gebunden an Sensoren, deren Position insbesondere am äußerst distalen Instrumentenende am sinnvollsten ist, um Einflüsse auf die Messung zu vermeiden, die nicht direkt aus dem Interessierenden Operationsgebiet stammen. Die für das medizinische Umfeld am geeignetsten erscheinenden Sensoren (z. B. hinsichtlich Baugröße für die MIC, Biokompatibilität, Patientenrisiko) sind im weitesten Sinne elektro- oder optomechanisch, d. h. zumeist kabel- oder fasergebundene Sensoren. Ferner sind sensorintegrierte Instrumente aufwendig und damit kostenträchtig; es ist also im Zusammenhang mit der MIC nicht von Einmal-, sondern von Mehrfachinstrumenten auszugehen. Weder Kabel noch Fasern sind jedoch dauerfest auf Knickung bei abwinkelbaren Instrumenten. Es ist also aus technischer Sicht sinnvoll, diese Bauteile nicht zu knicken (abzuwinkeln), sondern ihre Hauptrichtung bogenförmig (bzw. knickfrei) zu verändern.
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Bekannte kinematische Realisierung einer solchen Abkrümmung im Bereich der Robotertechnik ist die sog. Spine-Kinematik, bei der ein Vielgelenkmechanismus, bestehend aus mehreren, hintereinandergeschalteten Einzelgelenken, Verwendung findet.
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Wird eine derartige Spine-Kinematik unterbestimmt angetrieben, d. h. steht für jede Abkrümmungsebene lediglich ein Steller für mehrere Gelenke zur Verfügung, so besteht der Nachteil in dieser Konfiguration darin, dass die Abkrümmung der Spine-Kinematik nicht deterministisch, d. h. die Krümmung über alle Einzelgelenke nicht zwingend gleichverteilt, ist (bedingt z. B. durch unterschiedliche Reibung in den Einzelgelenken, Stick-Slip-Effekte, Lagerspiel, Rippel bei der Aktuierung). Die entstehende Krümmung muss in diesem Fall folglich nicht einem Bogen im mathematischen Sinn entsprechen, sondern kann einem Polygonzug folgen, der sich darüber hinaus (weil nondeterministisch) bei jedem Wiederholungsversuch, dieselbe Position anzufahren, unterschiedlich ausprägen kann. Es ist anhand der Stellerposition folglich nie genau bekannt, wo der Armendpunkt der Spine-Kinematik zu liegen kommt, was speziell in der Handhabungstechnik von großem Nachteil ist.
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Selbst bei Integration einer Positionssensorik zur Bestimmung der Armendpunktposition bleibt das Problem, dass ein bekannter Soll-Ist-Fehler nur durch Zufall ausgeglichen werden kann, weil eine Veränderung des Stellers keine deterministische Armendpunktpositionsveränderung zum Ausgleich des Soll-Ist-Fehlers zur Folge hat – das System hat mehr Freiheitsgrade als Antriebe und ist daher mechanisch unterbestimmt. Lösbar wäre dieses Problem dadurch, dass für jedes Gelenk ein eigener, im besten Fall regelbarer, Steller integriert wird, wie beispielsweise in
WO 2003/001986 beschrieben. Hierdurch wird allerdings die Anzahl der Antriebsseile stark erhöht. In Größenordnungen wie der MIC (hinsichtlich erforderlicher Spine-Gelenk-Anzahl, Instrumentendurchmesser und Antriebsseildurchmesser bei anwendungszweckgegebener Seilbelastung) ist hierbei der Instrumentenquerschnitt zur Aufnahme der Antriebsseile schnell erschöpft. Diese Problematik besteht insbesondere bei dem in
WO 2003/001986 beschriebenen Gegenstand, da je Freiheitsgrad der Kinematik zwei Antriebsseile vorgesehen sind.
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Eine alternative Lösungsmöglichkeit der Unterbestimmtheitsproblematik ist die Zwangsführung: Hierbei bedingt eine mechanische Kopplung aller Folgegelenke untereinander eine deterministische Krümmung. Diese modularen Gelenkmechanismen sind beispielsweise in
DE 43 03 311 ,
DE 44 15 057 und
WO 94/17965 beschrieben. Jedes einzelne Glied dieser kettenartig aneinander gehängten Glieder kann somit entsprechend der einzelnen Wirbel der menschlichen Wirbelsäule bezogen auf das benachbarte Glied eine begrenzte Richtungsänderung durchführen. Die Gesamtkrümmung des Gelenkmechanismus wird somit aus einer Vielzahl kleiner Knickungen zusammengesetzt. Diese Gelenkmechanismen sind jedoch nur in einem einzigen Freiheitsgrad deterministisch abwinkelbar.
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Für volle Dexterität (6 Freiheitsgrade) im Patientenkörper muss die in
DE 44 15 057 und
DE 43 03 311 beschriebene Kinematik über einen weiteren Freiheitsgrad verfügen, der über eine Rotation des äußerst distalen Endes realisiert ist. Da die Sensorik zur Vermeidung parasitärer Effekte an selber Stelle untergebracht sein muss, entstehen zwei Nachteile: 1) Die für die Rotation erforderlichen Konstruktionselemente bei anwendungsbedingt stark begrenztem Bauraum sind störend für die Sensorintegration. 2) Kabel bzw. Fasern, mit denen die Sensoren angesteuert werden, können durch die Rotation über die Laufzeit des Instruments beschädigt, im schlimmsten Fall abgedreht, werden, mit konsekutivem Sensorausfall.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen modularen Mehrgelenkmechanismus, der insbesondere zum Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie geeignet ist, zu schaffen, mit dem eine deterministische Abwinklung der einzelnen Glieder des Mehrgelenkmechanismus in zwei Ebenen, also mit zwei intrakorporalen Freiheitsgraden aber ohne distale Rotation, möglich ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße modulare Mehrgelenkmechanismus ist insbesondere zum Einsatz in der MIC geeignet. Da der erfindungsgemäße Mehrgelenkmechanismus eine hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit aufweist, ist er insbesondere auch in der robotergestützten MIC einsetzbar. Der erfindungsgemäße modulare Mehrgelenkmechanismus weist mehrere zueinander in zwei Freiheitsgraden verschwenkbare Glieder auf. Die Glieder sind insbesondere kettenartig angeordnet, wobei zwischen benachbarten Gliedern Gelenkelemente vorgesehen sind. Ferner weist der Mehrgelenkmechanismus erste und zweite Verbindungselemente auf. Die ersten Verbindungselemente sowie die zweiten Verbindungselemente dienen dazu, zueinander benachbarte Glieder miteinander zu verbinden. Erfindungswesentlicher Aspekt besteht hierbei darin, dass die ersten Verbindungselemente zu den zweiten Verbindungselementen in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Da die ersten und zweiten Verbindungselemente in zwei Ebenen angeordnet sind, ist eine Zwangsführung der Abwinklung in zwei Ebenen über alle Gelenke realisiert. Hierbei ist es bevorzugt, dass die beiden Ebenen senkrecht zueinander stehen. Insbesondere bilden die ersten Verbindungselemente ein Verbindungselemente-Paar und die zweiten Verbindungselemente ebenfalls ein Verbindungselemente-Paar. Die beiden Verbindungselemente-Paare, die jeweils eine Ebene definieren, sind derart angeordnet, dass die Ebenen einen Winkel zueinander ausbilden, insbesondere senkrecht aufeinander stehen.
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Das Verbindungselemente-Paar, das insbesondere zwei Verbindungselemente aufweist, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass durch die Verbindungselemente zwei identische Glieder miteinander verbunden werden. Erste Enden der beiden Verbindungselemente sind somit mit ein und demselben Glied und zweite Enden mit ein und demselben anderen Glied verbunden, so dass sich die beiden Verbindungselemente zwischen zwei Gliedern erstrecken.
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Die Verbindungselemente sind vorzugsweise gelenkig mit den Gliedern verbunden. Insbesondere handelt es sich hierbei um ein Kugelgelenk.
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Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente-Paare derart angeordnet, dass sie ein Glied jeweils mit dem übernächsten Glied verbinden. Zwischen zwei über ein Verbindungselemente-Paar miteinander verbundenen Gliedern ist somit ein weiteres Glied angeordnet. Auch dieses dazwischenliegende Glied ist vorzugsweise über ein weiteres Verbindungselemente-Paar wiederum mit dem übernächsten Verbindungsglied verbunden. Hierdurch entsteht eine Überlappung von Verbindungselemente-Paaren, die jeweils übernächste Glieder miteinander verbinden.
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Die Verbindung der Verbindungselemente mit den Gliedern, die insbesondere gelenkig ausgestaltet ist, erfolgt vorzugsweise über Anlenkpunkte. Die Anlenkpunkte weisen hierbei vorzugsweise zu dem Gelenkelement des zugehörigen Verbindungselements einen Abstand auf. Die konkrete Anordnung der Elemente zwischen zwei Segmenten der kinematischen Kette hat Einfluss auf das gewünschte Verhalten der Kinematik (z. B. progressiven, degressiven oder neutralen Biegeverlauf, sowie Laufweite der kinematischen Kette) und kann in diesem Rahmen geeignet gewählt werden. Ein Endbereich eines Verbindungselements weist in dieser bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei Anlenkpunkte auf, mit denen das erste und das zweite Verbindungselement verbunden ist und ferner zumindest ein Teil des Gelenkelements vorgesehen ist.
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In diesem Bereich weisen die Anlenkpunkte den erfindungsgemäß bevorzugten Abstand zu dem zugehörigen Gelenkelement auf.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus ist eine Verbindung des ersten oder zweiten Verbindungselements mit dem dazwischenliegenden Glied vorgesehen. Die Verbindung zwischen einem der Verbindungselemente und dem Glied ist hierbei derart ausgebildet, dass das Glied in der entsprechenden Ebene des ersten oder zweiten Verbindungselements gehalten ist.
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Im Rahmen konstruktiver Anpassung kann der zentrale Bereich der Kinematik freigehalten werden kann, z. B. zur Durchführung von Kabeln/Fasern (oder auch Hydraulik-/Pneumatikschläuche im Bereich klassischer Handhabungsrobotik) zur Anbindung des Endeffektors bzw. einem dort integrierten, kabel- oder faserbasierten Sensor an die nachgelagerte (proximale), erforderliche Elektronik bzw. Aktuatorik. Kabel, Fasern, Schläuche, Zugseile zur Aktuierung eines Endeffektors etc. innenliegend zu führen, weist insbesondere den Vorteil auf, dass diese im Betrieb vor Beschädigungen von außen geschützt sind. Ferner liegen sie in der neutralen Faser der Kinematik, d. h. sind möglichst wenig auf zug- und druckbetastet. Des Weiteren ist die Abkrümmung im Bereich der neutralen Faser am geringsten. Hierbei wird die Lebensdauer der Kabel etc. verlängert. Da ein Abknicken in dieser Lage vermieden ist, ist die Funktionalität stets sichergestellt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das zwischen zwei benachbarten Gliedern angeordnete Gelenkelement derart ausgebildet, dass ausschließlich Schwenkbewegungen in zwei Ebenen möglich sind. Insbesondere ist das Gelenkelement derart ausgebildet, dass die beiden Schwenkebenen zueinander senkrecht stehen, wobei es sich insbesondere um eine kardanische Verbindung handelt. Aufgrund der insbesondere kardanischen Verbindung benachbarter Glieder ist eine Torsion der einzelnen Glieder verhindert.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des modularen Mehrgelenkmechanismus ist es möglich, mit einem letzten Glied des Mehrgelenkmechanismus einen Endeffektor zu verbinden, wobei zusätzlich ein Sensor am Endeffektor in vorteilhafter Lage vorgesehen werden kann. Bei dem Endeffektor kann es sich insbesondere um ein chirurgisches Instrument handeln. Durch das Vorsehen des Sensors, insbesondere an einem freien Ende des Endeffektors, an dem die Kräfte auftreten, können beispielsweise Interaktionskräfte bzw. Interaktionsreaktionen mit der Umgebung bzw. dem manipulierten Gewebe u. dgl. aufgenommen werden. Hierdurch kann der bei der Verwendung von robotergeschützten Instrumenten hervorgerufene Verlust haptischer Rückkopplungen ausgeglichen werden. Insbesondere ist es möglich, einen elektromechanischen und/oder optomechanischen Sensor vorzusehen, der insbesondere über Kabel oder Fasern Informationen übermittelt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des modularen Mehrgelenkmechanismus ist eine bogenförmige Hauptausrichtung der Kabel und/oder Fasern gewährleistet. Insbesondere ist aufgrund der Erfindung eine Zwangsführung in zwei Ebenen realisiert. Hierbei handelt es sich um eine deterministische Zwangsführung, so dass stets sichergestellt ist, dass beispielsweise nicht aufgrund von in Gelenken auftretenden Reibungen etc. ein zu starkes Abwinkeln zwischen zwei benachbarten Gliedern und somit ein Knicken eines Kabels oder einer Faser erfolgt. Aufgrund der deterministischen Zwangsführung in zwei Ebenen ist es nicht erforderlich, dass der Endeffektor zusätzlich einen rotatorischen Freiheitsgrad zur Erlangung voller Dexterität im Patientenkörperinneren aufweisen muss. Somit ist auch eine rotatorische Belastung von Kabeln oder Fasern, die zumindest einen Sensor führen, vermieden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass zwei translatorische Freiheitsgrade durch den invarianten Trokarpunkt, d. h. den Einstichpunkt der Instrumente gebunden sind. Diese müssen im Patienteninneren durch das Instrument ersetzt werden. Hierbei kann es sich um eine Biege- bzw. Knick-Freiheitsgrad und einen rotatorischen Freiheitsgrad handeln. Der rotatorische Freiheitsgrad birgt jedoch die Gefahr des Abdrehens von innenliegenden Kabeln, Seilen etc. in sich. Bevorzugt ist daher das Vorsehen zweier biegender Freiheitsgrade, da hierdurch das Beschädigen von Kabeln, Seilen etc. vermieden ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus ist ein Hindurchführen von Zugseilen zur Aktuierung der Kinematik durch den abwinkelbaren Teil aufgrund der Zwangsführung der einzelnen Elemente nicht mehr erforderlich. Da die Kinematik bei dem erfindungsgemäßen Gelenkmechanismus in beiden Abwinklungsebenen deterministisch ist, ist eine Positionsregelung über die Steller für diese Kinematik ermöglicht sowie die Positionier- und Wiederholgenauigkeit erheblich verbessert. Bei dem erfindungsgemäßen Mehrgelenkmechanismus muss lediglich das erste proximale Glied angetrieben werden. Alle weiteren Glieder werden zwangsweise aufgrund ihrer Kopplung untereinander bewegt. Das erste proximale Glied kann durch Seile, Steuerstangen etc. angetrieben werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten schematisch dargestellten Ausführungsform näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 und 2 unterschiedliche perspektivische Prinzipdarstellungen der wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen modularen Mehrgelenkmechanismus.
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In den beiden Figuren ist das Grundprinzip des Mehrgelenkmechanismus anhand der wesentlichen Elemente dargestellt. Es handelt sich hierbei um konstruktiv stark vereinfachte Prinzipskizzen.
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In den beiden Figuren sind drei schematische rahmenförmige Glieder 10, 12, 14 dargestellt. Die Glieder 10, 12, 14 sind jeweils über ein kardanisch ausgebildetes Gelenkelement 16 miteinander verbunden. Ein Glied 10 ist jeweils mit dem übernächsten Glied 14 über erste Verbindungselemente 18 und zweite Verbindungselemente 20 verbunden, wobei die Verbindungselemente 18, 20 im dargestellten Ausführungsbeispiel stabförmig ausgebildet sind. Die beiden Verbindungselemente 18, 20 sind über im Ausführungsbeispiel als Kugelgelenke ausgebildete Gelenke 22 mit dem jeweiligen Glied 10, 14 verbunden. Die Gelenke 22 entsprechen jeweils mit dem entsprechenden Glied 10, 14 verbundenen Anlenkpunkten. Die Anlenkpunkte 22 weisen zu dem dazugehörigen Gelenkelement 16 einen Abstand auf.
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Das erste Verbindungselement 18 durchdringt das zwischen den beiden Gliedern 10, 14 vorgesehene Glied 12, so dass durch das erste Verbindungselement 18 zwei Anlenkpunkte 22 der Glieder 10, 14 verbunden sind, die auf unterschiedlichen Seiten, bezogen auf das dazwischenliegende Glied 12, angeordnet sind. Entsprechendes gilt auch für das zweite Verbindungselement 20, wobei das Verbindungselement 20 zusätzlich derart angeordnet ist, dass es durch in dem Glied 12 vorgesehene Öffnungen 24 hindurchgeführt ist. Hierdurch ist die Lage des dazwischenliegenden Glieds 12 bezogen auf das zweite Verbindungselement 20 definiert.
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Wie aus den Figuren ersichtlich, sind das erste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement in einer unterschiedlichen Ebene angeordnet, wobei die beiden Ebenen senkrecht aufeinander stehen.
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Das dargestellte Verbindungselemente-Paar 18, 20 verbindet die beiden Glieder 10, 14 derart, dass dazwischen ein Glied 12 angeordnet ist. Die in den Figuren linke Seite des Glieds 12 wäre über ein entsprechendes Verbindungselemente-Paar mit einem weiteren, nicht dargestellten, in den Figuren links von dem Glied 12 angeordneten Glied verbunden. Entsprechend kann die rechte Seite des Glieds 12 über ein weiteres entsprechend angeordnetes Verbindungselemente-Paar mit einem weiteren, in den Figuren rechts neben dem Glied 14 angeordneten Glied verbunden werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Mehrgelenkmechanismusses ist es insbesondere möglich, Faserseile, Kabel, Schläuche, Antriebselemente für Endeffektoren etc. innenlieged zu führen. Hierdurch ist die Gefahr eines Beschädigens erheblich reduziert bzw. ausgeschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2003/001986 [0008, 0008]
- DE 4303311 [0009, 0010]
- DE 4415057 [0009, 0010]
- WO 94/17965 [0009]
