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Die
Erfindung betrifft einen Patientenlagerungstisch, umfassend eine
Tischplatte, die manuell und über
wenigstens einen Motor mit zugeordneter Steuerungseinrichtung bewegbar
ist.
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Solche
Patientenlagerungstische sind bekannt und kommen beispielsweise
in Verbindung mit Röntgeneinrichtungen,
Computertomographen oder Magnetresonanzeinrichtungen zum Einsatz.
Die Tischplatte ist relativ zum Tischsockel beweglich gelagert,
um den auf der Tischplatte liegenden Patienten in gewünschter
oder geforderter Weise relativ zur Röntgeneinrichtung oder dergleichen
positionieren zu können.
Hierzu kann die Tischplatte entweder manuell verschoben werden,
wozu die Tischplatte üblicherweise
schwimmend gelagert ist. Daneben besteht auch die Möglichkeit,
die Tischplatte automatisch über
einen Motor verschieben zu können,
wozu zur Steuerung beispielsweise eine Art Joystick oder dergleichen
vorgesehen ist, in Abhängigkeit
von dessen Bewegung eine Steuerungs- oder Regeleinrichtung den Motor
zur entsprechenden Plattenbewegung entsprechend steuert. Zum Wechsel
zwischen einer motorischen und manuellen Plattenverschiebung ist
eine manuell zu betätigende
Kupplung vorgesehen, die die Tischplatte aus dem Antriebsstrang zum
Motor entkoppelt. Diese Kupplung ist im Antriebsstrang hinter dem
Getriebe angeordnet, damit vermieden wird, dass der Anwender während der manuellen
Tischplattenverschiebung das gesamte Getriebe mitbewegen muss, was
mit einem zusätzlich
noch höheren
Kraftaufwand verbunden ist, als er in üblichen Fällen ohnehin zu leisten ist.
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Beim
manuellen Verschieben erfolgt die Aufbringung und Einleitung der
Verschiebekraft ausschließlich
durch den Anwender selbst. Diese aufzubringende Verschiebekraft
hängt zum
einen wiederum davon ab, wie schwer der auf der Tischplatte liegende
Patient ist, wobei zum Bewegen eines sehr schweren Patienten natürlich mehr
Kraft aufzubringen ist als bei einem leichten Patienten. Um auch
bei schweren Patienten dennoch eine handhabbare und auch für schwächere Personen
vornehmbare Tischplattenverschiebung zu realisieren, sind die Lagereinheiten, über die
die Tischplatte beweglich gelagert ist, sehr leichtgängig ausgeführt, was
jedoch konstruktiv aufwändig
und mit hohen Kosten verbunden ist. Wie beschrieben ist auch eine
teure und aufwändig
konzipierte Kupplung zum Abkoppeln der Tischplatte vorzusehen, nachdem
diese dem Getriebe nachgeschaltet ist, also in einem Bereich angeordnet
ist, wo bereits sehr hohe Drehmomente übertragen werden.
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Darüber hinaus
ist bei bekannten Tischen eine manuelle Verschiebung üblicherweise
auch nur bei horizontaler Plattenlage möglich. Häufig jedoch muss die Tischplatte
verkippt/gekantet werden, um den Patienten bestmöglich relativ zur bildgebenden Einrichtung
auszurichten. In solchen Fällen
ist eine manuelle Plattenverschiebung nicht möglich, da die aufzubringende
Verschiebekraft, die beispielsweise zum Anheben der gekippten/gekanteten
Tischplatte samt aufgenommenem Patienten aufzubringen wäre, sehr
groß ist
und mithin in der Regel nicht geleistet werden kann. Hier bietet
sich lediglich die automatische, motorische Plattenverschiebung
an, die jedoch mitunter zeitaufwändiger
und umständlicher
ist.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Patientenlagerungstisch
zu realisieren, der ein einfaches manuelles und kraftminimiertes
Verschieben der Tischplatte zulässt.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Patientenlagerungstisch der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass an der Tischplatte wenigstens ein Sensor zum Ermitteln der
von einem Anwender auf die Tischplatte ausgeübten Kraft zur Tischplattenbewegung
vorgesehen, welcher Kraftsensor mit der Steuerungseinrichtung des
Motors kommuniziert, die den Motor in Abhängigkeit des Sensorsignals
unter Berücksichtigung
eines vom „Host-Modul" entsprechend der
Patientenlagerung vorbestimmten Referenzkraftwerts derart steuert, dass der
Referenzkraftwert während
der Tischbewegung nicht überschritten
wird.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Patientenlagerungstisch
ist unmittelbar an oder in der Tischplatte integriert ein Sensor
vorgesehen, der direkt die vom Anwender zur Bewegung der Tischplatte
ausgeübte manuelle
Kraft, die dieser zum Verschieben der Tischplatte einbringt, misst.
Der Sensor kommuniziert mit einem Regler, der kontinuierlich das
Sensorsignal empfängt
und zur Motorsteuerung überträgt. In diesem
ist ein Referenzkraftwert abgelegt, der quasi als Vergleichswert
oder Maßstab
für den
Ist-Kraftwert, wie ihn der Sensor misst, dient. So lange der Ist-Kraftwert,
wie vom Sensor gemessen, noch unterhalb des Referenzkraftwerts liegt,
unterstützt
der Motor die Verschiebebewegung noch nicht oder nur geringfügig. Erst
wenn der Referenzkraftwert erreicht wird, steuert die Steuerungseinrichtung
den Motor entsprechend an, der dann unterstützend zur taktilen Krafteinwirkung
des Anwenders arbeitet, mithin also kraftmäßig in die gleiche Richtung
arbeitet wie der Anwender die Tischplatte bewegen möchte. Aus
oder anhand der gemessenen Ist-Kraft und dem vorgegebenen Referenzkraftwert
werden folglich die auf die Ist-Situation bezogenen Steuerparameter
für den Motor
abgeleitet oder bestimmt, d.h., die gemessene Kraft und der Referenzkraftwert
sind die Basis für
die Sollwertvorgabe an die Motorsteuerung. Infolge der kontinuierlichen
Kraftmessung wird dabei der Motor derart gesteuert, dass der Referenzkraftwert
nicht überschritten
wird, das heißt,
dass mit zunehmender Krafteinleitung seitens des Anwenders zur Tischplattenbewegung
bzw. Tischplattenbeschleunigung die vom Motor geleistete, auf die
Tischplatte übertragene Antriebskraft
immer größer wird,
so dass die vom Anwender zu leistende Kraft maximal dem Referenzkraftwert
entspricht und er folglich nicht mehr Kraft einleiten muss als über diesen
Referenzkraftwert definiert. Es ist also eine Art Regelkreis vorgesehen,
in dem die Motorsteuerung den Motor in Abhängigkeit der gemessenen Ist-Kraft
steuert. Sobald eine minimale Erhöhung der gemessenen Ist-Kraft über den Referenzkraftwert
registriert wird, wird sofort der Motor ent sprechend nachgeführt, um
den gemessenen Kraftzuwachs unmittelbar wieder abzubauen, so dass
mithin der Anwender kontinuierlich während der Verschiebebewegung
maximal die Referenzkraft aufbringen muss, wobei diese Nachführung bzw.
Regelung innerhalb weniger 100 Mikrosekunden erfolgt.
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Dieser
Referenzkraftwert ist so ausgelegt, dass dem Anwender quasi virtuell
eine bestimmte Tischmasse und Tischreibung simuliert wird. Er muss also
eine bestimmte Referenzkraft für
die Plattenbewegung aufbringen, die in ihrer Größe an die Verhältnisse
erinnert, wie sie der Anwender von der manuellen schwimmenden Tischplattenverschiebung
mit geringer Last, wie sie bisher ohne motorische Unterstützung bekannt
ist, erinnert.
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Diese
erfindungsgemäße motorische
Unterstützung
zur Begrenzung der aufzubringenden Referenzkraft lässt also
ein einfaches Verschieben der Tischplatte unabhängig von der aufgenommenen
Patientenlast zu. Damit ist es darüber hinaus aber auch möglich, die
Tischplatte manuell auch bei gekippter Plattenposition in beliebiger
Richtung bewegen zu können,
nachdem auch hier der Referenzkraftwert als maximale aufzuwendende
Kraftobergrenze gilt und der Motor entsprechend unterstützt. Dabei
stellt der Referenzkraftwert keinen echten Vergleichswert für den Ist-Kraftwert
dar, vielmehr erfolgt anhand des Referenzkraftwerts eine Bestimmung
eines oder mehrere Steuerungsparameter derart, dass die resultierende
Motorunterstützung
den Kraftanteil liefert, der bezogen auf die aus der Ist-Kraftmessung
abgeleitete gewünschte
Tischbewegung erforderlich ist, damit der Anwender tatsächlich nur
mit maximal der begrenzten Referenzkraft schieben muss. Hierauf wird
nachfolgend noch näher
eingegangen.
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Die
Kraftmessung erfolgt erfindungsgemäß unmittelbar an der Tischplatte
selbst, nachdem wie beschrieben der Sensor direkt an oder in der
Tischplatte angeordnet ist. Bevorzugt befindet sich der wenigstens
eine Sensor an oder in einem vom Anwender zum Bewegen der Tischplatte
zu greifenden Handhabungsab schnitt, wobei natürlich auch mehrere Sensoren
pro Handhabungsabschnitt, der beispielsweise als knaufartiger Handgriff
oder nach Art einer sich längs
der Tischplatte zumindest abschnittsweise erstreckenden Reling ausgebildet
ist, vorgesehen sein können.
Diese Sensoren bieten zum einen eine Redundanz hinsichtlich der
Krafterfassung, so dass ein Abgleich seitens der Steuerungseinrichtung
erfolgen kann bzw. bei Ausfall eines Kraftsensors stets das Signal
eines anderen zur Verfügung
steht. Darüber
hinaus ist bei Verwendung einer Reling auf diese Weise sichergestellt,
dass eine Kraftmessung auch immer in unmittelbarer Nähe zum Ort
der taktilen Krafteinleitung möglich
ist, wenn längs
der Reling mehrere Sensoren verteilt angeordnet sind. Unabhängig davon,
wo nun konkret der eine oder die mehreren Kraftsensoren angeordnet
sind, sind diese stets derart positioniert bzw. ausgelegt, dass
unmittelbar die vom Anwender auf die Tischplatte ausgeübte Kraft
als Regelgröße für die Motorsteuerung
gemessen wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann der wenigstens eine Sensor ein
mehrachsiger, insbesondere bis zu 6-achsiger Kraftsensor z.B. in
Form eines oder mehrere Dehnungsmessstreifen sein. Dieser Sensor
bietet die Möglichkeit,
die Richtung der eingeleiteten Kraft und aus dieser die Richtung
der gewünschten
Plattenbewegung bestimmen zu können. Nachdem üblicherweise
mehrere Motoren vorgesehen sind, die die Tischplatte in unterschiedliche, üblicherweise
orthogonal zueinander stehende Richtungen verschieben, kann anhand
dieser Richtungsinformation über
die eingeleitete Kraft die Steuerungseinrichtung die Motoren derart
steuern, dass diese die unterstützende
Motorkraft auch genau in der Richtung an die Tischplatte anlegen,
die der manuellen Kraftrichtung entspricht, so dass eine optimierte Kraftunterstützung möglich ist.
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Alternativ
zur Verwendung eines reinen mehrachsigen, insbesondere bis zu 6-achsigen Kraftsensors
kann nach einer weiteren Erfindungsalternative der Sensor sowohl
zum Ermitteln der Kraft als auch eines manuell ausgeübten Drehmoments auf
die um eine oder mehrere Achsen kippbare Tischplatte ausgebildet
sein, wobei die Steuerungseinrichtung den Motor unter Berücksichtigung
eines vorbestimmten Referenzdrehmomentwerts derart steuert, dass
der Referenzdrehmomentwert nicht überschritten wird. Diese Erfindungsausgestaltung
trägt dem Umstand
Rechnung, dass manche Tischplatten wie beschrieben auch um die Längs- oder
Querachse kippbar sind. Auch hier ist natürlich abhängig von dem Gewicht des Patienten
ohne motorische Unterstützung
stets ein unterschiedlicher Kraftaufwand vonnöten, um das zum Kippen nötige Dreh-
oder Kippmoment zur Verfügung
zu stellen. Auch hier schafft der erfindungsgemäße Patientenlagerungstisch
Abhilfe, indem der eine oder die mehreren Sensoren nicht nur zur
Kraftermittlung, sondern auch eines auf die Tischplatte ausgeübten Dreh-
oder Kippmoments in der jeweiligen Dreh- oder Schwenkachse ausgebildet
ist. Auch hier wird vorab ein Referenzdrehmomentwert als Referenz-
oder Grenzwert definiert und steuerungseinrichtungsseitig abgelegt.
Ergibt nun die Sensormessung, dass auf die Tischplatte ein Drehmoment
ausgeübt
wird bzw. in der Drehachse wirkt, das letztlich dem Referenzdrehmomentwert entspricht
bzw. knapp darüber
liegt, erfolgt umgehend eine motorische Unterstützung derart, dass das übersteigende
Ist-Drehmoment über
den Motor abgefangen und von diesem zur Verfügung gestellt wird, mithin
also die vom Anwender zum Kippen aufzuwendende Kraft auch hier auf
einen Referenzkraftwert, begrenzt wird. Für den Anwender bedeutet dies nun,
dass er auch zum Verkippen der Tischplatte nicht mehr Kraft als
die definierte Referenzkraft aufbringen muss, unabhängig davon,
wie leicht oder schwer der Patient tatsächlich ist.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich je
nachdem, ob eine reine axiale Plattenverschiebung oder eine Plattenverkippung
unterstützt
werden soll, unterschiedliche Motoren zum Einsatz kommen. Diesen
Motoren sind unterschiedliche Aufgaben bzw. unterschiedliche Bewegungsrichtungen
zugeordnet, wobei die Steuerungseinrichtung je nach Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Patientenlagerungstischs
die Motoren in Abhängigkeit der
erfassten Kraft- oder Momentenrichtung entsprechend ansteuert, um
eine optimierte motorische Unterstützung unter Berücksichtigung
der definierten Referenzkraft- oder Referenzdrehmomentwerte zu ermöglichen.
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Der
vorab beschriebene Sensor zur Ermittlung der Kraft als auch des
Drehmoments ist bevorzugt ein mehrachsiger, insbesondere 6-achsiger Kraft-Momenten-Sensor
ausgeführt,
der die Ermittlung der aufgebrachten Kraftrichtung ermöglicht,
in Abhängigkeit
welcher Richtung die Steuerungseinrichtung die verschiedenen Motoren
entsprechend steuert, um die durch die Ansteuerung der verschiedenen
Motoren resultierende unterstützende
Kraft entsprechend auszurichten.
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In
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung
zugleich zur Ermittlung einer möglichen
Kollision der Tischplatte mit einem Drittgegenstand ausgebildet
ist, oder dass ihr eine Kollisionserfassungseinrichtung zugeordnet
ist, wobei die Steuerungseinrichtung den wenigstens einen Motor
zusätzlich
in Abhängigkeit
des Kollisionsermittlungsergebnisses steuert. Dieser Erfindungsausgestaltung
liegt die Überlegung
zugrunde, dass eine motorische Kraftunterstützung nicht nur zur reinen
Bewegungsunterstützung
dienen kann, sondern auch zu Kollisionsvermeidungszwecken genutzt
werden kann. Die Steuerungseinrichtung kommuniziert hierzu z.B.
mit verschiedenen virtuellen 3D-Bewegungsmodellen, Positions- oder
Näherungssensoren,
die erfassen, ob sich die Tischplatte bei weiterer Bewegung mit
der gegebenen Geschwindigkeit in der gegebenen Bewegungsrichtung einem
Drittgegenstand unzulässig
weit nähert,
so dass es bei Fortsetzung der Bewegung zu einer späteren möglichen
Kollision kommen kann. Denkbar ist dies beispielsweise bei einer
Plattenverschiebung relativ zu einem C-Bogen-Röntgengerät, wo stets die Gefahr gegeben
ist, dass die Platte gegen den C-Bogen
oder beispielsweise gegen den Festkörperstrahlungsdetektor oder
dergleichen läuft.
Die Steuerungseinrichtung überprüft nun kontinuierlich
anhand der gegebenen Sensorsignale unter Berücksichtigung der erfassten
Plattenbewegung, die ihr aufgrund der eingeleiteten Ist-Kraft des
Anwenders sowie den entsprechenden Steuerungs- oder Regelungsparametern
der einzelnen unterstützend
arbeitenden Motoren bekannt ist, wie die Kollisionssituation ist.
Ergibt sich, dass eine Kollision möglich ist, so wird die Steuerungseinrichtung
den oder die Motoren derart ansteuern, dass sie die Plattenbewegung langsam
herunterbremsen und die Tischplatte in eine maximal zulässige Endposition
bewegen, aus der heraus sie nicht weiter in die Kollisionsrichtung
bewegt werden kann, die Bewegung wird also motorisch gesperrt. Nachdem
hierbei der Fall eintreten kann, dass der Anwender bei Einsetzen
der Bremse weiter versucht, durch stärkeres Drücken die Tischplatte vorwärts zu bewegen,
kann hier der Ist-Kraftwert den Referenzkraftwert übersteigen.
Hier ist jedoch das Kollisionsermittlungsergebnis priorisiert, das
heißt,
das Überschreiten
des Referenzkraftwerts bleibt hier unbeachtet, die Regelung der
Motoren erfolgt ausschließlich
unter Berücksichtigung
des Kollisionserfassungsergebnisses sowie der gegebenen Bewegungsparameter
der Tischplatte. Zum weiteren Bewegen der Tischplatte aus der gesperrten
Position heraus muss der Anwender beispielsweise erst ein Freischaltsignal
geben, beispielsweise durch Betätigen
eines Knopfes oder einer Taste, so dass die Motorsperre wieder aufgehoben
wird.
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Eine
weitere Erfindungsausgestaltung sieht vor, verschiedenen ausgezeichneten
Bewegungsrichtungen der Tischplatte verschiedene Referenzkraft-
oder Referenzdrehmomentenwerte zuzuordnen. Dies bietet die Möglichkeit,
die aufzubringende Maximalkraft in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung
variieren zu können
und sich so den realen Gegebenheiten besser anpassen zu können. Ist
beispielsweise die Tischplatte um die Querachse verkippt, so kann
ein Verschieben der Tischplatte von unten nach oben entlang der
Plattenlängsachse
mit einem höheren
Kraftaufwand verbunden sein, als ein Bewegen der Platte von oben
nach unten. Dies entspricht zwangsläufig dem realen Empfinden des
Anwenders, der weiß,
dass er zum Anheben der Tischplatte deutlich mehr Kraft aufwenden
muss, als wenn er diese von oben nach unten drückt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Perspektivdarstellung in Form einer Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Patientenlagerungstisches,
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2 eine
Prinzipdarstellung der wesentlichen Komponenten der Steuerungseinrichtung
nebst dem Kraftsensor zur Erläuterung
der Regelungsvorgänge,
und
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3 und 4 zwei
Diagramme zur Darstellung der Weg- und Kraftverläufe für einen Patientenlagerungstisch
ohne und mit erfindungsgemäßer motorischer
Unterstützung.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Patientenlagerungstisch 1 umfassend
eine Tischplatte 2, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
in Längsrichtung
x und in Querrichtung y relativ zum Sockel 3 verschiebbar
ist. Daneben besteht auch optional bei manchen Patientenlagerungstischen
die Möglichkeit, die
Tischplatte 2 um eine der in x- bzw. y-Richtung liegenden
Tischachsen zu verkippen, wie durch die gestrichelten Pfeile, die
mit x' und y' markiert sind, dargestellt
ist.
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Vorgesehen
ist ferner eine Steuerungseinrichtung 4, die zum Ansteuern
mehrerer hier nicht näher
gezeigter Motoren dient, über
welche Motoren die Tischplatte 2 neben der manuellen Plattenverschiebemöglichkeit
automatisch verschiebbar ist. Der grundsätzliche Aufbau eines solchen
Patientenlagerungstisches, der sowohl manuell als auch motorisch verschiebbar
ist, ist hinlänglich
bekannt und bedarf keiner detaillierten Beschreibung.
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Der
erfindungsgemäße Patientenlagerungstisch 1 weist
ferner einen Handhabungsabschnitt 5 auf, der unmittelbar
an der Tischplatte, die im gezeigten Beispiel einen Rahmen 6 umfasst,
angeordnet ist, und an dem der Anwender angreift, wenn er die Tischplatte
manuell verschieben möchte.
Der Handhabungsabschnitt 5 ist also unmittelbar und direkt
mit der Tischplatte 2 bewegungsgekoppelt, eine auf den Handhabungsabschnitt 5 ausgeübte Kraft
wird unmittelbar in die Tischplatte 2 eingeleitet. Der
Handhabungsabschnitt 2, der hier als nach oben abstehender,
gegebenenfalls am Rahmen 6 lösbar und versetzbar anbringbarer
Griff ausgeführt
ist, ist mit einem Kraftsensor 7 versehen, bei dem es sich
beispielsweise um einen 3-achsigen Sensor handelt. Der Sensor umfasst
einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen, über die erfasst werden kann,
welche Kraft der Anwender auf den Handhabungsabschnitt 5 und über diesen
unmittelbar auf die Tischplatte 2 ausübt. Der Sensor 7 ist
mit der Steuerungseinrichtung 4 verbunden, die kontinuierlich
das Sensorsignal empfängt,
das heißt,
seitens der Steuerungseinrichtung 4 liegt kontinuierlich
die Ist-Kraft, die
der Anwender aufbringt, vor.
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Die
Art und Weise, wie nun die Steuerungseinrichtung 4 in Abhängigkeit
der erfassten Ist-Kraft die Tischplattenmotoren ansteuert, ist näher in 2 dargestellt.
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Gezeigt
ist der Kraftsensor 7, der kontinuierlich die Ist-Kraft FIst ermittelt
bzw. ein entsprechendes, diese Ist-Kraft codierendes Sensorsignal
an die Steuerungseinrichtung 4 ausgibt. Die Steuerungseinrichtung 4 umfasst
im gezeigten Beispiel ein Host-Modul 8, in dem zentrale
Arbeits- oder Betriebsparameter abgelegt werden können, die
der Steuerung der Tischplattenbewegung dienen. Diese können über ein
entsprechendes, hier nicht näher
gezeigtes Eingabemittel eingegeben werden bzw. können von der Steuerungseinrichtung 4 über eine
mit dem Host-Modul 8 gekoppelte Sensorik beispielsweise
in Form von Kollisionsinformationen und dergleichen erfasst werden.
An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass das Host-Modul 8 auch
extern zur in sich geschlossenen Steuerungsein richtung 4 vorliegen
kann, gleichwohl handelt es sich um ein Teil der Tischplattensteuerung.
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In
dem Host-Modul 8 ist nun zumindest ein Referenzkraftwert
FRef abgelegt. Dieser Referenzkraftwert
definiert die maximale, vom Anwender zur manuellen Tischplattenverschiebung
höchstens
aufzubringende Kraft, die während
der Verschiebebewegung nicht überschritten
werden soll, was über
eine entsprechende Ansteuerung der Verschiebemotoren erreicht wird.
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Die
Steuerungseinrichtung 4 umfasst weiterhin einen Regler 9,
dem die über
den Sensor 7 ermittelte Ist-Kraft FIst wie
auch der Referenzkraftwert FRef gegeben
wird. Der Regler 9 leitet nun aus der Ist-Kraft FIst einen Geschwindigkeitssollwert nsoll ab. Dieser Geschwindigkeitssollwert
gibt die Geschwindigkeit der Tischplatte an, die bei Anliegen der Ist-Kraft,
wie sie der Anwender einleitet, erreicht werden soll.
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Aus
dieser abgeleiteten Sollgeschwindigkeit wird nun seitens des Reglers 9 ein
Motormoment als Sollwert abgeleitet, das in 2 MGrenz angegeben ist. Dieses Motormoment MGrenz gibt an, welches Moment der oder die
Antriebsmotoren zur Verfügung stellen
müssen,
um die aus der Ist-Kraft abgeleitete Sollgeschwindigkeit zu erreichen.
Die Ermittlung des Motormoments MGrenz erfolgt
im gezeigten Ausführungsbeispiel
bezüglich
zweier hier vorhandener Motoren M1 und M2, die für die x- und y-Verschieberichtung
vorgesehen sind. Der Regler 9 ermittelt aus dem Signal
des Sensors 7 auch die Richtung der eingeleiteten Kraft
als Resultierende aus separaten x- und y-Richtungsinformationen, so dass auch
zu den separaten Motoren M1 und M2 die entsprechenden Momente ermittelt
werden können,
und sich im entsprechenden zugeordneten Antrieb ein resultierendes Moment
in Richtung der vom Anwender ausgeübten Kraft ergibt.
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Die
Ermittlung des Motormoments MGrenz erfolgt
darüber
hinaus unter Berücksichtigung
des Referenzkraftwerts. Ist der Ist-Kraftwert FIst kleiner
als der Referenzkraftwert FRef, so ist der
vom Anwender getriebene Kraftaufwand unterhalb der maximalen Obergrenze,
eine unterstützende
Regelung über
die Motorik zum Abbau einer den Grenzwert FRef überschreitenden
Kraftanteils ist nicht erforderlich. Ergibt sich jedoch, dass die
Ist-Kraft FIst im Falle der Beschleunigung
gleich der Referenzkraftwert FRef ist oder
größer ist,
wird entsprechend ein höheres
Motormoment benötigt,
weshalb das im Regler 9 aus der Sollgeschwindigkeit und
dem Verhältnis
FIst zu FRef abgeleitete
Motormoment MGrenz entsprechend erhöht wird,
so dass sichergestellt ist, dass der Anwender höchstenfalls mit einer dem Referenzkraftwert
entsprechenden Kraft arbeitet.
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In
die Ermittlung des Motormoments geht neben den oben beschriebenen
Parametern bzw. den Randbedingungen auch eine seitens des Host-Moduls 8 gegebene
Information über
seitens der Tischplattenlagerung gegebene Reibungskräfte bzw.
etwaige Hangabtriebskräfte,
die auf die Tischplatte wirken, wenn diese während der Verschiebebewegung um
die eine oder andere Achse gekippt ist, ein. Ist die Tischplatte
beispielsweise um die y-Achse verkippt, und soll sie nach oben,
also entgegen die Hangabtriebskraft geschoben werden, so ist ein
größerer Kraftaufwand
zum Verschieben erforderlich, als bei einer umgekehrten Bewegung.
Infolgedessen muss zwangsläufig
der Motor ein deutlich größeres Moment
zur Verfügung
stellen. In diesem Fall wird dann das Motormoment MGrenz neben
der Berücksichtigung des
vorbestimmten Referenzkraftwerts FRef auch
unter Berücksichtigung
einer Information zur gegebenen Hangabtriebskraft, die aus der Plattenstellung resultiert
bzw. abgeleitet wird, erzeugt. Auch etwaige Reibungskräfte aus
der Plattenlagerung spielen eine Rolle. Je größer die Reibungskräfte sind,
desto mehr Kraft ist letztlich aufzuwenden, um die Tischplatte zu bewegen
bzw. die gewünschte
Sollgeschwindigkeit zu erreichen bzw. beizubehalten, was sich wiederum in
der Ermittlung des zu leistenden Motormoments MGrenz niederschlägt. Darüber hinaus
wird seitens des Reglers 9 eine vom Host-Modul 8 gegebene
Information über
eine maximale zulässige
Plattengeschwindigkeit berücksichtigt,
die bei der Ermittlung der Sollgeschwindigkeit eine Rolle spielt,
denn die Sollgeschwin digkeit kann maximal dem hinterlegten Wert der
Maximalgeschwindigkeit entsprechen, was indirekt wieder auf die
Erzeugung des Motormoments MGrenz durchgreift.
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Die
beiden Sollwerte der Sollgeschwindigkeit nSoll und
des Motormoments MGrenz, das auch als situationsbezogenes
maximales Grenz-Motormoment bezeichnet werden kann, werden anschließend einem
Antriebsregler 10 gegeben. Diesem Antriebsregler 10 wird
ferner die Ist-Geschwindigkeit nIst der Tischplatte 2 gegeben.
Die Ist-Geschwindigkeit nist und die Sollgeschwindigkeit
nSoll werden in einem Drehzahlregler (PI-Regler) 11 verarbeitet
und anhand der Abweichung der Ist-Geschwindigkeit von der Sollgeschwindigkeit
seitens des Drehzahlreglers 11 ein Soll-Motormoment MSoll ermittelt. Wie 1 als Alternative
zeigt, könnte
statt einer über
ein motorseitiges Gebersystem erfolgende Messung von nIst auch
eine rechnerische Ermittlung von nIst anhand der
an die Motorsteuerung gegebenen Sollwerte erfolgen, wie in 1 mit „nIst (gerechnet)" dargestellt. Hier würden dann die Werte nSoll und nIst (gerechnet)" im PI-Regler 11 verarbeitet
werden.
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Dieses
Soll-Motormoment MSoll wird anschließend einem
Momentenbegrenzer 12 gegeben. Dieser erhält darüber hinaus
das Motormoment (oder maximales Grenz-Motormoment) MGrenz.
Der Momentenbegrenzer 12 nimmt nun zwei Vergleiche vor.
Zum einen ermittelt er, ob das vom Drehzahlregler 11 gegebene
Soll-Motormoment
MSoll kleiner oder maximal gleich dem Motormoment
MGrenz ist. Ist dies der Fall, so wird als
resultierendes Soll-Motormoment MSoll, das
ermittelte Soll-Motormoment MSoll ausgegeben und
an eine Einrichtung 13 gegeben, die der Ermittlung der
verschiedenen Sollwerte für
die Motorspannung (USoll), die Motorfrequenz
(fSoll) sowie den Motorstrom (ISoll)
dient, welche Parameter dann der Ansteuerung der beiden Motoren
M1 und M2 dienen. Das resultierende Soll-Motormoment MSoll,
bildet also das Moment ab, das zusätzlich aufzubringen ist, um
in Abhängigkeit
von der gegebenen Ist-Kraft unter Berücksichtigung der oben beschriebenen
Randbedingungen die Tischplattenbewegung motorisch zu unterstützen und
sicherzu stellen, dass der Referenzkraftwert unterschritten bzw.
maximal beibehalten wird.
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Für den Fall,
dass das Soll-Motormoment MSoll größer als
das Motormoment MGrenz ist, ist das Ausgangssignal
des Momentenbegrenzers 12 auf das Motormoment MGrenz, das dann MSoll,
entspricht, begrenzt. Dies bedeutet, dass der Motor, dessen Moment
in diesem Fall über
MGrenz begrenzt ist, für sehr kurze Zeit das tatsächlich benötigte Antriebsmoment nicht
zur Verfügung
stellen kann, mithin also der Anwender für eine sehr kurze Zeit mit
einer Kraft angreift, die größer als
FRef ist. Der Motor kommt also der Sollgeschwindigkeit
für einen
kurzen Moment nicht nach, holt dies jedoch wieder auf. Das heißt, die unterstützende Plattenbeschleunigung über den
Motor gleicht diese Differenz aus, so dass die Zeitspanne, innerhalb
welcher der Anwender stärker
drücken muss,
als über
FRef vorgegeben, extrem kurz ist.
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Unter
Berücksichtigung
des Motormoments MGrenz wird also seitens
des Antriebsreglers 10 der jeweilige Motor nur soweit bestromt,
dass eine gleichförmige
Bewegung entsprechend der über
den Kraftsensor 7 gemessenen Ist-Kraft erfolgt und auch
eine indirekte „taktile
Rückmeldung" an den Bediener
gegeben ist, derart, dass bei höherem
Kraftaufwand auch eine schnellere Tischplattenbewegung seitens des
Anwenders haptisch erfahrbar ist. Dies jedoch stets unter Berücksichtigung
der gegebenen Referenzkraft FRef.
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Die
Ermittlung der Ist-Kraft FIst wie auch der entsprechenden
Ansteuerparameter für
den oder die Motoren erfolgt kontinuierlich, so dass eine absolut exakte
situationsbezogene Motorregelung unter Berücksichtigung der Ist- und Referenzkraftwerte
möglich
ist.
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Die
Steuerungseinrichtung 4 ist des Weiteren zur Berücksichtigung
einer etwaigen Kollision der Tischplatte mit Drittgegenständen ausgebildet.
Hierzu ist beispielsweise das Host-Modul 8 mit entsprechenden
virtuellen 3D-Bewegungsmodellen und/oder Kollisionssensoren gekoppelt,
die die Erfassung einer möglichen
Annäherung
der Tischplatte, deren Position kontinuierlich seitens der Steuerungseinrichtung 4 erfasst
wird bzw. aus den entsprechenden Antriebsparametern abgeleitet werden kann,
ermöglicht.
Ergibt sich nun eine unzulässige Annäherung,
so wird dies dem Regler 9 mitgeteilt, der dann die entsprechenden
Werte der Sollgeschwindigkeit nSoll und
des Grenz-Motormoments MGrenz entsprechend
ermittelt, und zwar abweichend von der tatsächlich erfassten Ist-Kraft.
Die Regelung der Motoren erfolgt in einem solchen Fall derart, dass eine
kontinuierliche Verzögerung
der Tischplattenbewegung erfolgt, mithin also über die Motoren sofern erforderlich
bis in den Stillstand gebremst wird, um eine Kollision zu vermeiden.
Hierbei bliebe auch unberücksichtigt,
wenn der Anwender, der den möglichen
Kollisionsfall vielleicht nicht bemerkt, zur weiteren Beschleunigung
eine deutlich höhere
Kraft, die oberhalb von FRef liegt, aufwendet.
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Die 3 und 4 zeigen
zwei Diagramme, in denen der Verschiebeweg der Tischplatte bei horizontaler
Verschiebung in x-Richtung und die hierzu aufzubringende Kraft dargestellt
ist, wobei 3 den Zustand ohne erfindungsgemäße motorische Unterstützung und 4 die
Verläufe
mit motorischer Unterstützung
zeigen. Die Diagramme geben die Situation bei einer aufgenommenen
Last von 300 kg auf der Tischplatte an. Längs der Abszisse ist die Zeit
s und längs
den beiden Ordinaten der Weg in mm bzw. die Kraft in N aufgetragen.
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In
den Figuren ist die jeweilige Kurve des Weges mit W, die der aufzuwendenden
Ist-Kraft mit K angegeben. 3 zeigt,
dass der Anwender die mit 300 kg belastete Tischplatte mit hohem
Kraftaufwand und einer Kraftspitze von etwas über 100 N zu Beginn der Plattenbewegung,
wenn also die Tischplatte erst beschleunigt werden muss, anschiebt,
wonach die Kraftkurve wieder abfällt.
Die Kurve K beschreibt ein Minimum mit einem negativen Kraftaufwand,
hier wird also die Tischplatte aktiv gebremst, wonach mit geringem
Kraftaufwand die Tischplatte, die während der Bewegung eine aktive
Reibungsbremsung über die
Plattenlagerung erfährt,
in die Endposition geschoben wird.
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Völlig anders
dagegen der Kraftverlauf gemäß 4 mit
der erfindungsgemäßen motorischen Unterstützung. Ersichtlich
kann hier die Tischplatte mit minimalem Kraftaufwand bewegt werden.
Die Kraftkurve K, der im gezeigten Beispiel angenommenermaßen eine
Maximalkraft von 17 N zugeordnet ist, erreicht diesen Wert nur zu
Beginn der Beschleunigungsphase, wonach unmittelbar die motorische Unterstützung einsetzt
und die Kurve K annähernd konstant
verläuft,
bis zu dem Moment, wo aktiv verzögert
wird und die Kraftkurve K negative Werte annimmt, und anschließend ausläuft.
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Wie
bezüglich 2 beschrieben,
ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
nur ein einziger Referenzkraftwert zugeordnet. Denkbar wäre es aber auch,
verschiedene Referenzkraftwerte vorzusehen und diesen unterschiedliche
Tischplattenstellungen zuzuordnen. Ist beispielsweise die Tischplatte
um die y-Achse verkippt und soll die Tischplatte von unten nach
oben geschoben werden, so ist dies für den Anwender rein logisch
mit einem höheren
Kraftaufwand verbunden. Um ihm dies realitätsnah abzubilden, könnte hier
ein höherer
Referenzkraftwert zugeordnet werden, das heißt, der Anwender muss mehr
Eigenleistung bringen, bis er die volle motorische Unterstützung erfährt, verglichen
mit einer horizontalen Plattenverschiebung.
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Abschließend ist
noch zu bemerken, dass in dem Ausführungsbeispiel eine horizontale
Tischplattenverschiebung beschrieben wurde. Gleichwohl wäre ein gleichartig
ausgeführtes
System auch in Verbindung mit einer Kipp-, Kant-, Hub-, Quer- und/oder Rotationsbewegung
der Tischplatte denkbar. In diesem Fal würde die Antriebsregelung derart ausgestaltet
sein, dass über
einen Sensor das aufgebrachte Dreh- oder Kippmoment, das vom Anwender über seine
eingeleitete Kraft auf die Tischplatte ausgeübt wird, erfasst wird und über eine
entsprechende Signalverarbeitung auch hier das unterstützende Motormoment,
das die Kippbewegung unterstützt,
ermittelt wird. Auch hier erfolgt die Ermittlung derart, dass ein
Referenzkraftwert bzw. ein Referenzdrehmomentwert, der den Referenzkraftwert
abbildet, nicht überschritten
werden soll, so dass auch im Falle einer Tischplattenverkippung
mit aufgenommenem Patienten der Anwender maximal einen vorab definierten
Kraftaufwand leisten muss.