DE10031770A1 - Teleskop-und/oder Gelenkarm - Google Patents

Abstract

Der Teleskop- und/oder Gelenkarm umfasst mindestens zwei miteinander verbundene und relativ zueinander bewegbare Armteile sowie Detektionsmittel für eine auswertbare Signalisation zur Erfassung der Relativstellung der Armteile zueinander. Zwecks Erzielung einer kompakten Bauweise und einer erhöhten Funktionssicherheit des Arms sind an einem Armteil mindestens ein Lichtsender und an dem anderen Armteil mindestens zwei Lichtempfänger derart angeordnet, dass der Sender in einer ersten Stellung der Armteile zueinander den einen Empfänger und in einer zweiten Stellung einen anderen Empfänger beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Teleskop- und/oder Gelenkarm nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der DE 40 32 207 A1 ist eine Gelenkarmvorrichtung mit mehreren Armteilen beschrieben, die in Verbindung mit einem Tomografen verwendbar ist. Die Arm­ teile der Vorrichtung sind durch Gelenke drehbar oder schwenkbar miteinander verbunden, wobei im Bereich der Gelenke jeweils ein Detektor vorgesehen ist. Das eine Ende der Vorrichtung ist an einem festen Standort, z. B. an dem Tomografen, oder an einem verfahrbaren Ständer befestigt, während das andere Ende der Vor­ richtung eine medizinische Einrichtung, z. B. ein chirurgisches Mikroskopgerät, trägt. Die Detektoren sind mit einer gemeinsamen Prozesseinheit verschaltet und geben entsprechende Signale bei Verstellung der zugehörigen Armteile an diese ab, wobei die Prozesseinheit die jeweilige Stellung der Armteile zueinander und letztlich die auf einer Anzeigefläche darstellbaren Raumkoordinaten eines mittels des Mikroskopgeräts im Körper eines Patienten anvisierten Punktes berechnet. Ein solcher anvisierter Punkt wird dann mit dem durch den Tomograf im Körper des Patienten ermittelten Behandlungsort durch jeweilige Berechnung eines gerade infolge entsprechender Führung des Mikroskopgeräts durch Verstellung der Armteile anvisierten Übergangspunkts in Übereinstimmung gebracht. Danach erfolgt die medizinische Behandlung an dem Behandlungsort. Die Detektoren bestehen aus diskreten Bauelementen und werden über Betätigungselemente in Form von Zahnrädern allein oder in Verbindung mit elektrischen Motoren, die die Zahnräder und die Armteile antreiben, betätigt.

Aufgrund der erheblichen Baugröße der Detektoren oder der elektrischen Antriebs­ mittel mit Detektorfunktion für die Ermittlung der jeweiligen Stellung der betref­ fenden Armteile sowie der Baugröße der Zahnräder, wobei alle diese Teile in den Armteilen vorgesehen sind, ist ein beträchtlicher Raumbedarf in den Armteilen erforderlich, was zu einer erheblichen Baugröße der Mehrgelenkarmvorrichtung führt, wodurch wiederum der Arzt in seiner Bewegungsfreiheit eingeschränkt ist. Außerdem sind die Detektoren bzw. die Antriebsmittel mit integrierter Detektor­ funktion anfällig für Defekte, so dass in einem Defektfall bereits eines Detektors oder dergleichen die Funktion der Mehrgelenkarmvorrichtung zumindest in Frage gestellt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Teleskop- und/oder Gelenkarms der einleitend angeführten Art, dessen Funktionssicherheit bezüglich der Ermittlung von Relativstellungen der Armteile zueinander verbessert ist und der einen platzsparenden Aufbau aufweist.

Die Lösung der Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 angegeben.

Der erfindungsgemäße Mehrgelenkarm ist in seiner Funktionssicherheit bezüglich der Ermittlung der Relativstellungen der Armteile zueinander und damit letztlich bezüglich der Ermittlung des Arbeitspunktes des am Gelenkarm verwendeten medizinischen Geräts oder Instruments erheblich verbessert, weil der bzw. die Lichtsender und die Lichtempfänger selbst keine beweglichen Funktionsteile enthalten und zu ihrer Betätigung solche Teile auch nicht benötigen und daher in beträchtlichem Umfang erheblich weniger anfällig für Defekte sind. Da ferner solche Signalgeber und Signalempfänger Bauteile sind, die wesentlich kleiner gebaut werden können als Detektoren und ihre Antriebsmittel, ergibt sich daraus, dass die Armteile des Gelenkarms in ihrer Dicke erheblich kleiner konstruiert werden können als bisher, so dass sich ein schlankerer Gelenkarm ergibt. Dies hat wiederum für den Arzt den Vorteil, dass ihm mehr Bewegungsfreiheit bei der Diagnose und/oder Therapie eines Patienten zur Verfügung steht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gelenkarms besteht darin, dass ein Lichtsender durch das stirnseitige Ende eines Lichtleiters gebildet ist, dessen anderes Ende mit einer Lichtquelle, vorzugsweise einer Leuchtdiode, verbunden ist, und dass die Lichtempfänger durch das stirnseitige Ende eines Lichtleiters gebildet sind, dessen anderes Ende mit einem lichtempfindlichen Bauteil, vorzugsweise einem Halbleiterbauteil, verbunden ist. Hierdurch ergibt sich ein besonders geringer Raumbedarf für die Armteile des erfindungsgemäßen Teleskop- und/oder Gelenkarms.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht einen teilweise dargestellten Gelenkarm mit meh­ reren Gelenken,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch ein Kugelgelenk für den Teleskop- und/oder Gelenkarm,

Fig. 5 einen Querschnitt nach der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine Nonius-Ausbildung zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Gelenkstellungen des Gelenkarmes,

Fig. 7 eine schematische Darstellung für die Signalverarbeitung der von den Gelenken des Teleskop- und/oder Gelenkarms gelieferten Stellungssignale.

Fig. 1 zeigt einen teilweise dargestellten und allgemein mit 1 bezeichneten Arm, der als Teleskop- und/oder Gelenkarm ausgebildet sein kann und der vorzugsweise in der Medizintechnik, aber auch in der Robotertechnik eingesetzt werden kann. Der gezeigte Arm umfasst einen ersten Arm 2, der an einem Gestell oder derglei­ chen (nicht gezeigt) befestigt sein kann, einen sich daran anschließenden zweiten Arm 3 und einen sich an diesen anschließenden dritten Arm 4, an dessen freiem Ende ein Arbeitswerkzeug, beispielsweise ein medizinisches Instrument (nicht gezeigt), befestigt ist. Die Armteile sind jeweils mittels eines Gelenks miteinander verbunden, wobei das erste Armteil 2 und das zweite Armteil 3 durch ein Axialge­ lenk 5, das zweite Armteil 3 und das dritte Armteil 4 sowohl durch ein Drehgelenk 6 als auch durch ein Schwenkgelenk 7 miteinander verbunden sind. Während das erste Armteil 2 in gewünschter Stellung feststehend verwendet wird, ist das zweite Armteil 3 relativ zu dem ersten Armteil 2 aufgrund des Axialgelenks 5 gemäß dem Pfeil 8 axial verstellbar und ggf. feststellbar. Das dritte Armteil 4 kann mittels des Drehgelenks 6 um die Mittelachse 9, die auch gleichzeitig die Mittelachse des ersten Armteils 2 sein kann, verdrehbar, und zwar gemäß dem Pfeil 10. Zum anderen ist das dritte Armteil 4 aber auch verschwenkbar um die Achse 11, und zwar gemäß dem Pfeil 12, wobei die Achse 11 im dargestellten Fall senkrecht zur Zeichenebene und zur Achse 9 verläuft. Die Größe der Verschwenkung des Arm­ teils 4 richtet sich nach dem gewählten Verschwenkungsbereich 13.

Das Axialgelenk 5 ist beispielsweise dadurch verwirklicht, dass das erste Armteil 2 mit einer endseitigen Axialbohrung 14 versehen ist, während das zweite Armteil 3 einen endseitigen Zapfen 15 aufweist, der in der Bohrung 14 gemäß dem Pfeil 8 axial verstellbar ist. Im Prinzip in gleicher Weise ist das zweite Gelenk 6 aufge­ baut, jedoch mit der Ausnahme, dass sich der entsprechende Zapfen in der zu­ gehörigen Bohrung nur gemäß dem Pfeil 10 verdrehen kann. Das als drittes Gelenk folgende Schwenkgelenk 7 enthält einen U-förmigen Umfangsrahmen 16, der kreisbogenförmig ausgebildet ist und eine zentralwärts gerichtete Nut 17 aufweist. In dieser Nut 17 ist eine Scheibe 18, welche das gelenkseitige Ende des dritten Armteils 4 bildet, gemäß dem Pfeil 12 um die Achse 11 verschwenkbar.

Anstelle des Drehgelenks 6 und des Schwenkgelenks 7 kann auch ein Kugelgelenk 19 vorgesehen sein (Fig. 4). Dadurch kann das zweite Armteil 3 entfallen, so dass sich das Armteil 4 über das Kugelgelenk 19 und das Axialgelenk 5 an das erste Armteil 2 anschließt. Der in Fig. 4 rechte Fortsatz 19a des Kugelgelenks würde in einem solchen Fall einen axialen Zapfen entsprechend dem Zapfen 15 in Fig. 1 aufweisen, der in die Axialbohrung 14 eingreifen würde und darin gemäß dem Pfeil 8 axial verstellbar wäre. Das Kugelgelenk 19 besteht aus der Kugelpfanne 20, in welcher ein Kugelkopf 21 des Armteils 4 gelagert ist, so dass das Armteil 4 um den Mittelpunkt 22 gemäß dem Pfeil 23 verdrehbar und gemäß der gewählten Kreisöffnung 24 der Kugelpfanne 20 und dem dadurch in Bezug auf den Mittel­ punkt 22 gegebenen Kegelspitzenwinkel beliebig polar verschwenkbar ist. Es ist klar, dass das Armteil 4 auch in einer anderen Schwenkstellung als diejenige, die in Fig. 4 gezeigt ist, um seine Längsachse 25 verdrehbar ist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist das erste Armteil 2 im Bereich seines Gelenks mit einem Lichtsender 30 versehen, der durch das stirnseitige Ende beispielsweise eines Lichtleiters 31 gebildet ist. Das andere Ende des Lichtleiters ist mit einer Licht­ quelle 32, vorzugsweise in Form einer Leuchtdiode, verbunden (Fig. 7). Dem Sender 30 gegenüberliegend sind wenigstens zwei Lichtempfänger 33 angeordnet, die das stirnseitige Ende eines weiteren Lichtleiters 34 in Form eines Lichtleiterfa­ serbündels bilden. Das andere Ende dieses Lichtleiters ist mit einem lichtempfind­ lichen Bauteil 35, vorzugsweise einem Halbleiterbauteil, verbunden (Fig. 7).

Bezüglich der Signalübertragung ist das Drehgelenk 6 in gleicher Weise aufgebaut wie das Axialgelenk 5. Auch in diesem Fall ist ein Lichtsender 36 vorgesehen, der durch das stirnseitige Ende eines Lichtleiters gebildet ist. Ein weiterer Lichtleiter 37 in Form eines Lichtleiterfaserbündels ist durch entsprechende Endspreizaus­ bildung für das Vorhandensein wenigstens zweier Lichtempfänger 37a in diesem Gelenk 6 vorgesehen (Fig. 3). Während der Lichtsender 36 ebenfalls an dieselbe Lichtquelle 32 angeschlossen ist, ist der Lichtempfänger 37, 37a mit einem weite­ ren lichtempfindlichen Bauteil 35 verbunden (Fig. 7).

Ebenfalls ist das Schwenkgelenk 7 bezüglich der Signalübertragung in gleicher Weise ausgestaltet wie vorstehend beschrieben. Wie es besser aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist ein lichtsendender Lichtleiter 38 vorgesehen, der Licht aus der erwähnten Lichtquelle 32 in einen lichtempfangenden weiteren Lichtleiter 39 einleitet, der ebenfalls wenigstens zwei einzelne Lichtempfänger 40 aufweist. Der Lichtleiter 39 ist ebenfalls an ein weiteres lichtempfindliches Bauteil 35 angeschlossen (Fig. 7).

Schließlich ist auch das Kugelgelenk 19 mit einer Lichtleiteinrichtung der vor­ stehend erläuterten Art ausgestattet. Um eine sicher definierte Schwenk- und Drehstellung des Armteils 4 zu gewährleisten, sind drei Lichtsender 41, 42, 43 vorgesehen, die das eine Ende von drei Lichtleitern 44, 45, 46 bilden (Fig. 4, 5). Wie es aus Fig. 5 genauer zu erkennen ist, sind die Lichtsender an unterschiedli­ chen Stellen innerhalb einer Kreisfläche angeordnet, und zwar derart, dass eine Verdrehung und/oder Verschwenkung des Armteils 4 zu jeweils unterschiedlichen Lichtsignalen auf der Empfangsseite des Kugelkopfes 21 führt, so dass jede Stel­ lung des Armteils 4 eindeutig ermittelbar ist. Den Sendern 41, 42, 43 liegen eine Vielzahl von Lichtempfängern 47 gegenüber, die im Kugelkopf 21 vorgesehen sind und das eine Ende eines lichtempfangenden Lichtleiters 48 bilden. Die Lichtleiter 44, 45, 46 sind ebenfalls an die Lichtquelle 32 angeschlossen, während der licht­ empfangende Lichtleiter an ein ihm zugeordnetes lichtempfindliches Bauteil 35 angeschlossen ist.

Sämtliche vorstehend genannten Lichtleiter sind vorzugsweise aus einzelnen, ein Bündel bildenden Lichtleitfasern an sich bekannter Art hergestellt. Dadurch bietet sich die Möglichkeit, in jedem der Gelenke 5, 6, 7 und 19 auf einfache Weise eine Vielzahl von kleinen Lichtempfängern vorzusehen, um so relativ große Mess­ strecken der Gelenke bezüglich der Signalerfassung für die Verstellung des jeweili­ gen Gelenks zu erzielen. Man erkennt aus den Fig. 1 und 3, dass eine Vielzahl von Lichtempfängern 33, 37a und 40 in einer Reihe angeordnet sind, um große Ver­ stellstrecken signaltechnisch zu erfassen. Auch mit der Ausführung nach Fig. 4 kann ein relativ großer Teil der Kugeloberfläche des Kugelkopfes 21 signaltech­ nisch erfasst werden, da hier die Lichtempfänger 47 des Lichtleiters 48 innerhalb dieser Fläche in einer Matrix angeordnet sind, deren Oberflächenkrümmung derjenigen des Kugelkopfes 21 entspricht. Aufgrund der Tatsache, dass die er­ wähnten Lichtleiter aus Lichtleitfasern bestehen, ist es durch Aufspreizung der Enden der Lichtleiter auf einfache Weise möglich, die Lichtempfänger in der gewünschten Weise linienförmig oder flächenförmig anzuordnen. Anstelle der Lichtleitfasern und der daraus gebildeten Sender und Empfänger können auch elektronische Bauelemente, z. B. LED-Elemente, verwendet werden.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit der Armteilstellungen des Gelenkarmes 1 kann an der Übergangsstelle zwischen den Lichtsendern und den Lichtempfängern ein Nonius 50 vorgesehen sein, wie es schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Der Nonius ist entweder senderseitig oder empfängerseitig vorgesehen und in Fig. 6 als ent­ sprechende Ausführung des Beispiels in Fig. 1 gezeigt. Man erkennt, dass der Faserlichtleiter 31 in mehrere Einzelsender 30a zu dem Nonius 50 aufgespreizt ist, der den Empfängern 33 gegenüberliegt, die sich anschließend zu dem Bündellicht­ leiter 34 vereinigen. Durch den Nonius sind in an sich bekannter Weise auch Bruchteilswegstrecken messtechnisch erfassbar.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des Arms 1 sind die freien Stirnseiten sowohl der sendenden als auch der empfangenden Lichtleiter innerhalb des Gelenks bzw. Teleskops so angeordnet, dass je nach Gelenkstellung ein Sender mindestens einen gegenüberliegenden Empfänger beaufschlagt. Alternativ ist es auch möglich, den oder die Sender bzw. die Empfänger der betreffenden Lichtleiter an äußeren Bereichen der Armteile des Arms 1 vorzusehen.

Zur Verarbeitung der von den Gelenken aufgrund der Verstellung der entsprechen­ den Armteile von den lichtempfangenden Lichtleitern gelieferten Signale ist eine Auswerteinrichtung 49 vorgesehen (Fig. 6). Mit Hilfe eines Rechners 50 werden die entsprechenden Signale in der Auswerteinrichtung derart verarbeitet, dass jeder Sender-Empfänger-Zuordnung eine bestimmte Relativstellung des betreffenden Armteilpaares zugeordnet wird, so dass dadurch letztlich die jeweilige Stellung des gesamten Arms 1 erfasst ist. Der Rechner 50 ist des Weiteren mit einem Monitor 51 verschaltet und kann ferner auch an einen Drucker 52 angeschlossen sein. Die Auswerteinrichtung 49 kann an dem vorstehend beschriebenen Teleskop- und/ oder Gelenkarm angeordnet sein, z. B. an dem ersten Armteil 2 an einer Stelle, wo sie die Verwendung des Arms 1 nicht behindert. Es ist jedoch auch möglich, dass die Auswerteinrichtung 49 getrennt von dem Arm 1 angeordnet sein kann, z. B. an einem Gerüst oder Ständer im Randbereich eines Operationstisches. Eine gleiche örtliche Anordnung der Auswerteinrichtung gilt auch für die Anwendung des Teleskop- und/oder Gelenkarms 1 auf dem Gebiet der Robotertechnik.

Wenn der beschriebene Arm 1 auf medizinischem Gebiet eingesetzt wird, wird er vorzugsweise in Verbindung mit einem Tomografen (nicht gezeigt) verwendet. In diesem Fall wird mit Hilfe des Tomografs der Behandlungsort eines Patienten lokalisiert und auf dem Monitor 51 angezeigt. Das gerade verwendete medizi­ nische Instrument oder Gerät, welches an dem vorstehend beschriebenen Arm befestigt ist, d. h. am freien Ende von dessen Armteil 4, kann dann mit Hilfe der errechenbaren, in einem Anzeigefeld angezeigten Raumkoordinaten des Arms 1 genau an den lokalisierten Behandlungsort herangeführt werden. Falls es erforder­ lich ist, können die entsprechenden Raumdaten mittels des Druckers 52 dokumen­ tiert werden.

Claims (11)

1. Teleskop- und/oder Gelenkarm (1) mit mindestens zwei miteinander verbundenen und relativ zueinander bewegbaren Armteilen (2, 3, 4) sowie mit Detektionsmitteln (31, 34) für eine auswertbare Signalisation zur Erfassung der Relativstellung der Armteile zueinander, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Armteil (3) mindestens ein Lichtsender (30) und an dem anderen Armteil (2) mindestens zwei Lichtempfänger (33) derart angeordnet sind, dass der Sender (30) in einer ersten Stellung der Armteile (2, 3) zueinander den einen Empfänger (33) und in einer zweiten Stellung einen anderen Empfänger (33) beaufschlagt.

2. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Empfängern (30; 40; 47) vorgesehen ist.

3. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteinrichtung (49) vorgesehen ist, welche jeder Sender-Empfänger-Zuordnung eine bestimmte Relativstellung der Armteile (2, 3, 4) zuordnet, derart, dass die jeweilige Armstellung erfassbar ist.

4. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (33; 40) in mindestens einer Reihe angeordnet sind.

5. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (47) in einer Matrix angeordnet sind.

6. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Sender (41, 42, 43) vorgesehen sind.

7. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sender (30; 41, 42, 43) durch das stirnseitige Ende eines Lichtleiters (31; 36; 44, 45, 46) gebildet ist, dessen anderes Ende mit einer Lichtquelle (32), vorzugsweise einer Leuchtdiode, verbunden ist.

8. Teleskop- und/oder Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (33; 40; 47) durch das stirnseitige Ende eines zugehörigen Lichtleiters (34; 37; 39; 48) gebildet sind, dessen anderes Ende mit einem lichtempfindlichen Bauteil (35), vorzugsweise einem Halbleiter­ bauteil, verbunden ist.

9. Gelenkarm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die freien Stirnseiten der Lichtleiter innerhalb des Gelenks (6, 7, 19) angeordnet sind, dass je nach Gelenkstellung ein Sender mindestens einen gegen­ überliegenden Empfänger beaufschlagt.

10. Teleskoparm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die freien Stirnseiten der Lichtleiter innerhalb des Teleskops (5) so angeordnet sind, dass je nach Teleskopstellung ein Sender mindestens einen gegenüberliegenden Empfänger beaufschlagt.

11. Teleskoparm nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass lichtsenderseitig oder lichtempfängerseitig ein Nonius (50) vor­ gesehen ist.