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Die
Erfindung betrifft ein Schultergelenk.
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Zwei
typische Anforderungen an medizinische Geräte sind einerseits die Verwendbarkeit
für beliebige
Patienten, unabhängig
von deren jeweiligen Körpereigenschaften,
und andererseits die Möglichkeit,
verschiedenartige Untersuchungen mittels eines Gerätes durchzuführen, d.
h. Multifunktionalität.
Entsprechend werden derartige Geräte ausgestaltet. Ein konkretes
Beispiel sind Aufnahmen mittels eines Röntgengerätes oder eines Fluorogerätes zur
Röntgendurchleuchtung.
Je nach Untersuchung bzw. Körpereigenschaften
des Patienten wird bei diesen Geräten eine Vorrichtung zum Wegschieben bzw.
Komprimieren des Fettgewebes des zu untersuchenden Patienten verwendet.
Derzeit kommt meist eine Art Ausleger bzw. Arm zum Einsatz, der
bedarfsweise an das Gerät
angepasst wird. Dieser Ausleger ist üblicherweise senkrecht zur
Patientenliegefläche verschiebbar,
so dass vertikal eine Anpassung auf die individuellen Körpereigenschaften
des Patienten (z. B. Obesität)
vorgenommen werden kann. Die Bewegbarkeit in senkrechter Richtung
wird gewöhnlich durch
Anbringen des Auslegers an einen bewegbaren Schlitten realisiert.
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Es
ist Aufgabe dieser Erfindung, auf aufwandsarme Weise eine Schultergelenkskonstruktion mit
flexibler Verwendung eines Gerätearms
zu realisieren.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Schultergelenk gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Schultergelenk
ist mit einem Grundträger
und mit einem ausklappbaren Arm gebildet. Der ausklappbare Arm umfasst
einen Oberarm und einen Unterarm. Der Oberarm ist um eine Achse
drehbar angeordnet bzw. gelagert, und der Unterarm ist drehbar auf
einer Welle an einem ersten Ende des Oberarms befestigt bzw. angebracht.
Vorzugsweise ist dabei die Achse bei einem zweiten, von dem ersten
verschiedenen Ende des Oberarms angeordnet, so dass z. B. bei einem
Oberarm mit zwei Enden das eine Ende drehbar an der Achse befestigt
ist und das zweite Ende die Welle mit dem Unterarm trägt. Erfindungsgemäß ist das
Ausklappen des Armes mit einer relativen Bewegung von Oberarm und
Unterarm (beim menschlichen Arm als Beugen und Strecken bezeichnet)
verbunden. Diese relative Bewegung von Ober- und Unterarm wird dadurch
realisiert, dass auf der Achse ein erstes Rad und auf der Welle
ein zweites Rad angeordnet sind, wobei die beiden Räder derart
in Wirkverbindung stehen, dass eine Drehung des Oberarms um die
Achse (d. h. relativ zu dem ersten Rad, welches fest auf der Achse
befestigt ist) zu einer Drehung des zweiten Rades und damit des
Unterarms relativ zu dem Oberarm führt. Die Räder können als Riemenräder oder Kettenräder ausgeführt bzw.
ausgestaltet sein, wobei die Wirkverbindung dann durch einen die
Räder umspannenden
Riemen bzw. eine die Räder
umspannende Kette realisiert wird.
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Der
Aufbau des Armes aus Ober- und Unterarm erlaubt eine platzsparende
Anordnung des Armes im eingeklappten Zustand. Der Arm selber ist ausklappbar
durch Drehen des Oberarmes um die Achse. Dabei wird automatisch
bzw. durch die Wirkverbindung eine Relativbewegung von Ober- und
Unterarm (Beugen bzw. Strecken) bewirkt. Es ist daher nur ein Antrieb
für zwei
verschiedenartige Bewegungen (Drehen des Oberarmes und Beugen/Strecken des
Armes) erforderlich. Das erfindungsgemäße Schultergelenk ist bezüglich Platzverbrauch
(Platzersparnis durch Unterteilung des Arms in Ober- und Unterarm)
und Antrieb (ein Antrieb für
zwei Bewegungen) aufwandsarm.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Erfindungsgegenstands können die Räder für eine Arretierung der relativen
Stellung von Ober- und Unterarm bei ausgeklapptem Arm ausgestaltet
sein. Dies wird beispielsweise realisiert durch die Ausgestaltung
von den Rädern
und der Wirkverbindung derart, dass bei definierten Anwendungsfällen mit
Druckausübung auf
den Arm (übli cherweise
den Unterarm) der Betrag des resultierenden Drehmomentes um die
Welle minimiert wird. Um diese Selbstarretierung zu erreichen, kann
für die
Räder eine
andere als eine runde Form vorgesehen werden, z. B. eine elliptische
Form des zweiten Rades. Diese Form des Rades hat den Vorteil, dass
damit zwei Anforderungen miteinander in Einklang gebracht werden
können,
nämlich
die möglichst
vollständige
Ein- und Ausklappbarkeit des Armes und das für die Selbstarretierung erforderliche Verhältnis der
Durchmesser der Räder.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist ein Mittel zur Abschätzung einer auf den Arm (in
der Regel Unterarm) ausgeübten
Kraft vorgesehen. Dieses Mittel kann beispielsweise durch ein in
den Riemen oder die Kette eingeschleifte Feder gegeben sein. Alternativ
ist eine Kraftmessung über
die Längenänderung eines
Druckstabs zum Ausklappen des Armes möglich oder es wird die Winkelveränderung
des Oberarms um dessen Achse gemessen.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schultergelenks
umfasst neben dem Grundträger und
dem ausklappbaren Arm zwei auf dem Grundträger angeordneten Schlitten – im Folgenden
als erster und zweiter Schlitten bezeichnet – und ein erstes Koppelmittel
zur Kopplung der beiden Schlitten. Der Arm ist in dieser Ausführungsform
mittels einer Achse bzw. um eine Achse drehbar an dem zweiten Schlitten
befestigt. Der erste Schlitten ist ebenfalls mit dem Arm verbunden
und zwar derart, dass der Arm bei Aufeinanderzubewegung der beiden
Schlitten bzw. bei Verringerung des Abstandes der beiden Schlitten
durch Schwenkung um die Achse ausgeklappt wird. Das erste Koppelmittel
ist zur Kopplung der beiden Schlitten bei ausgeklapptem Arm ausgestaltet
(z. B. ist dieses Koppelmittel derart ausgebildet, dass bei einer
minimalen Entfernung der beiden Schlitten, bei der der Ausklapp-Prozess
beendet ist, eine Kopplung eintritt bzw. bewirkt werden kann). Schließlich sind
die zusammengekoppelten Schlitten für eine gemeinsame Bewegung
entlang zumindest einer Richtung ausgestaltet.
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Die
obige Weiterbildung erlaubt einen für Einstellungen beweglichen
Arm bzw. Ausleger bei einem Gerät
(z. B. Röntgengerät) vorzusehen,
der bedarfsweise aus- bzw. eingeklappt werden kann. Das Aus- bzw.
Einklappen des Armes durch Relativbewegung der beiden Schlitten
wird beispielsweise mittels eines Druckstabs, der den ersten Schlitten
mit dem Arm verbindet, bewirkt. Auf diese Weise wird durch die Relativbewegung
der beiden Schlitten die gewünschte
Bewegung des Armes (Ausklappen bzw. Einklappen) veranlasst. Die
für das
Ausschwenken bzw. des Armes erforderliche Relativbewegung der beiden
Schlitten wird z. B. dadurch realisiert, dass der zweite Schlitten
an einer Position fixiert ist, solange der Arm nicht ausgeklappt
wird und der erste Schlitten auf den zweiten Schlitten zwecks Ausklappen
des Armes zubewegt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist ein zweites
Koppelmittel zur Fixierung der Position des zweiten Schlittens auf
dem Grundträger vorgesehen,
wobei das zweite Koppelmittel für
eine Loskopplung des zweiten Schlittens von der fixierten Position
bei ausgeklapptem Arm ausgestaltet ist, so dass bei ausgeklapptem
Arm die nunmehr gekoppelten Schlitten bewegbar sind bzw. die Position
des Armes anpassbar ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist das erste Koppelmittel durch zumindest einen Elektromagneten
derart realisiert, dass nach Ausklappen des Armes durch Anlegen
einer Spannung die Kopplung der zwischen den beiden Schlitten bewirkbar
ist. Das zweite Koppelmittel kann mittels eines Dauermagneten realisiert
werden, wobei der Dauermagnet für eine
Loskopplung des zweiten Schlittens von der fixierten Position bei
ausgeklapptem Arm durch Anlegen einer Spannung an den Dauermagneten
ausgebildet ist.
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Im
Folgenden wird der Erfindungsgegenstand im Rahmen eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Schultergelenk
im eingeklappten Zustand,
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2 ein
erfindungsgemäßes Schultergelenk
im ausgeklappten Zustand,
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3 vertikale
Beweglichkeit eines erfindungsgemäßen Schultergelenks im ausgeklappten Zustand,
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4 ein
erfindungsgemäßes Schultergelenk,
bei dem der Arm aus Ober- und Unterarm gebildet und beide Armteile
mittels Zahnräder
gekoppelt sind,
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5 ein
erfindungsgemäßes Schultergelenk,
bei dem eine Feder in die Zahnradkette zwecks Flexibilität des Armes
eingebaut ist,
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6 Nachgeben
des Armes mit eingebauter Feder,
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7 ein
erfindungsgemäßes Schultergelenk
mit starrem Arm,
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8 eine
schematische Skizze von dem Arm für eine Modellrechnung,
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9 einen
Arm mit elliptischem Zahnrad,
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10 einen
Arm mit elliptischem Zahnrad bei Winkel von 90° zwischen Ober- und Unterarm,
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11 einen
vollständig
eingeklappten Arm mit elliptischem Zahnrad,
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12 Kraftmessung
im Arm mittels Feder,
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13 Kraftmessung
im Arm über
Längenänderung
von Druckstab,
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14 Arm
im spannungslosen Zustand vor Krafteinwirkung (Patientenbergung),
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15 Arm
im spannungslosen Zustand nach Krafteinwirkung (Patientenbergung),
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16 Gesamtaufbau
eines Schultergelenks,
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17 Wandlung
der Rotationsbewegung des Motors in eine translatorische Bewegung,
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18 Aus-
und Einklappen der Kompressionseinheit,
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19 einen
erfindungsgemäßen Arm,
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20 Übergang
von der Ausklappbewegung zur Kompressionsbewegung und
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21 Federung
des Kompressionsarms beim Komprimieren.
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22 Schultergelenk
mit Arm
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23 ein
medizinisches Gerät
mit erfindungsgemäßen Schultergelenk
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Schultergelenk,
wie es beispielsweise bei einem Röntgengerät oder einem kombinierten Röntgen-Fluoro-Gerät zum Einsatz
kommen kann. An einem Grundträger
bzw. Gehäuse 1 sind
ein erster bzw. unterer Schlitten 3 und ein zweiter bzw.
oberer Schlitten 4 angeordnet. 1 zeigt
den Zustand bei eingeklapptem Arm 2. Der Arm 2 ist
mit einem Oberarm 11 und einem Unterarm 12 gebildet.
Es sind weiter ein erstes Koppelmittel 5 und ein zweites
Koppelmittel 7 vorgesehen, welche beispielsweise als Magnete
ausgeführt
sind. Im eingeklappten Zustand hält
das zweite Koppelmittel 7 den oberen bzw. zweiten Schlitten 4 in seiner
Position. Zum Ausklappen des Armes dient ein Druckstab 6,
der den ersten bzw. unteren Schlitten 3 mit dem Oberarm 11 verbindet.
Weiter ist ein erstes Rad 13 dargestellt, dessen Zentrum
mit der Achse 21 (in 4 dargestellt)
zusammenfällt,
um welche der Arm 2 gedreht wird. Ein zweites Rad 14 ist
auf einer Welle 22 (in 4 dargestellt)
ebenso wie der Unterarm 12 befestigt. Beide Räder 13, 14 sind
durch eine Kette oder einen Riemen 23 gekoppelt. Zum Ausklappen
wird mittels eines Antriebs (nicht dargestellt) der untere Schlitten 3 in
einer Führungsschiene
(nicht dargestellt) nach oben in Richtung zweiten Schlitten 4 transportiert.
Dadurch übt
der Druckstab 6 eine Kraft auf den Oberarm 11 aus,
wodurch dieser in die Horizontale ausgeklappt wird. Gleichzeitig
dreht sich der Oberarm 11 um das erste Rad 13,
wodurch sich die beiden Räder
verbindende Kette 23 auf das zweite Rad abwälzt und
der Unterarm 12 relativ zum Oberarm 11 ausklappt.
Es resultieren also durch die Bewegung des unteren Schlittens 3 nach
oben zwei Bewegungen, nämlich
das Ausklappen des Oberarms 11 in die Horizontale und das
gleichzeitige Strecken des Unterarmes 12.
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2 zeigt
das Schultergelenk im ausgeklappten Zustand. Hier wird der obere
Schlitten 4 von seiner Position entkoppelt, z. B. indem
an einen Dauermagneten, der das zweite Koppelmittel 7 darstellt, eine
Spannung angelegt und so die Entkopplung bewirkt wird. Gleichzeitig
werden durch das erste Koppelmittel 5 (z. B. Elektromagnet)
beide Schlitten 3, 4 mit einander gekoppelt, so
dass dann die gekoppelten Schlitten 3, 4 zusammen
entlang der Führungsschiene
bewegbar sind und die Höhe
des Arms 2 damit verstellbar ist. Dies ist in 3 dargestellt,
wo der Arm 2 mit den beiden Schlitten 3, 4 nach
unten, beispielsweise auf einen Patienten zu bewegt wurde.
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Aus 1–3 lässt sich
ersehen, dass die Funktion des Schultergelenks nicht von einer bestimmten
Orientierung des Grundträgers 1 im
Raum abhängt.
Dies ermöglicht
bei medizinischen Anwendungen den Einsatz des erfindungsgemäßen Schultergelenks
zur Kompression von Fettgewebe unabhängig von der Patientenlage,
die einen beliebigen Winkel zwischen 0 und 90 Grad mit der Horizontalen aufweisen
kann. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels
wird der Einfachheit halber eine horizontale Patientenlage angenommen.
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4 zeigt
noch einmal das Schultergelenk von 1 bis 3,
wobei zusätzlich
zu den beiden Räder 13, 14 die
Achse 21 und die Welle 22 dargestellt sind. Zudem
ist ein für
medizinische Anwendungen verwendeter Tubus 24 gezeigt.
Der Einfachheit halber ist nur ein Schlittenelement gezeigt, welches aus
einem Liniarführungsschlitten 25 und
einem Schlittenaufbau 26, welcher die Achse 21 umfasst, gebildet
ist. Bei den Rädern 13, 14 handelt
es sich um Zahnräder
bzw. Riemenräder,
die mittels einer Kette oder einem Riemen 23 verbunden
sind. Das erste Zahnrad 13 ist fest auf der Achse 21 des
Schlittenaufbaus 26 montiert, so dass sich der Arm 2 um das
Zahnrad 13 und gleichzeitig um die Achse 21 drehen
kann. Der Oberarm 11 ist also drehbar auf der Achse angeordnet.
Das zweite Zahnrad 14 sitzt ebenso wie der Unterarm 12 fest
auf der Welle 22, so dass sich Unterarm 12 und
Zahnrad 14 gemeinsam drehen. Am Ende des Armes ist beispielsweise
ein Tubus 24 für
medizinische Anwendungen angeordnet. Dabei handelt sich z. B. um
einen Kompressionstubus, auf den eine Kraft wirkt.
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Bei
bestimmten Anwendungen wird gewünscht,
dass sich unter Einwirkung einer Kraft F der ausgestreckte Arm (Ober-
und Unterarm) um den Drehpunkt der Achse des oberen Schlittens be wegen kann.
Beispielsweise kann dies bei einem das Gewebe des Patienten zusammenpressenden
Arm sinnvoll sein, denn ein starr anliegender Arm wird im Gegensatz
zu einem nachgebenden Arm vom Patienten in der Regel als angenehmer
und weniger beengend empfunden. Beispielsweise können durch einen nachgebenden
Arm Atembewegungen ausgeglichen werden. Dies wird beispielsweise
durch das Anbringen einer Feder 30 erreicht, durch deren
Dehnbarkeit die Nachgiebigkeit bzw. das Abfedern des Armes bei Krafteinwirkung
erzielt wird. Dies ist in den 5 und 6 dargestellt.
Bei Verzicht auf diese Feder 30 bleibt die Armkonstruktion
starr, wie es in 7 gezeigt ist.
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In 5 ist
gezeigt, wie sich durch Einbringen eines Federelements 30 im
Unterzug der Kette der ausgestreckte Arm (Ober -und Unterarm) um
den Drehpunkt der Achse beweglich ausgestaltet wird. Unter der Einwirkung
einer Kraft F bewegt sich der ausgestreckte Arm (Ober -und Unterarm)
um den Drehpunkt der Achse des Oberschlittens um einen Winkel, der
von der Größe der ausgeübten Kraft
F abhängt
(6). Wird also z. B. beim Komprimieren die Kraft
F auf den Unterarm 12 ausgeübt, tritt im Untergurt des
Kettentriebs Zugspannung auf. Der Arm 2 wird nach oben
gedrückt,
bis die Zugspannung groß genug
ist, um das bzgl. der Achse 21 durch die Kraft F verursachte
Drehmoment auszugleichen. Durch den Einbau einer Feder wird so die
Atembewegung ausgeglichen.
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Für den Anwendungsfall,
bei dem die Konstruktion nicht nach oben wegfedern soll, wird auf
die Federeinheit im Untergurt verzichtet. Somit bleibt die ausgeklappte
Armkonstruktion starr (7).
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Für den Fall,
dass der Arm 2 nachgeben soll (6), ist
in der Regel gewünscht,
dass der Arm 2 selber starr bleibt, d. h. kein Einknicken
des Unterarms 12 in Bezug auf den Oberarm 11 bzw.
kein Beugen des Armes 2 stattfindet, sondern nur ein Zurückklappen
des Armes 2 um die feste Achse 21. Dies wird dadurch
erreicht, dass man Ober- und Unterarm zueinander arre tiert. Dies
kann z. B. durch eine zusätzliche
Arretiervorrichtung geschehen, die bei völlig gestrecktem Arm 2 einsetzt.
Ein anderer Weg wird im Zusammenhang mit 8 erläutert. Bei
Wirken einer Kraft F und Nachgeben des Armes 2, wie es beispielsweise
in 6 gezeigt wird, wirkt einerseits bezüglich des
Punktes, der durch die Welle 22 gegeben ist, ein Drehmoment,
welches den Unterarm 12 nach oben zu klappen strebt; auf
der anderen Seite wirkt durch die gedehnte Feder 30 eine
Kraft, durch welche ein Drehmoment in der anderen Richtung bezüglich der
Welle 22 bewirkt wird. Durch Wahl der relativen Abmessungen
der verwendeten Komponenten können
die beiden Drehmomente im Wesentlichen gleich groß festgelegt
werden, so dass kein Beugen des Armes 2 resultiert. Es
handelt es sich sozusagen um eine Selbstarretierung. Dies wird im
Folgenden anhand von 8 und einer Art Beispielrechnung
näher ausgeführt. In 8 ist
der Arm 2 mit wirkenden Kräften gezeigt. Entsprechend
der folgenden Beispielrechnung verschwinden die Drehmomente gleichzeitig
um die Achse 21 und die Welle 22, so dass keine
Beugung des Armes 2 resultiert. Um eine gewisse Sicherheit
gegen Beugung zu erzielen, wurde eine Anpresskraft von Unterarm
gegen Oberarm von 10 N in der Rechnung berücksichtigt.
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Besteht
also ein gewisses Übersetzungsverhältnis (siehe
Berechnungsbeispiel) zwischen den beiden Zahnrädern und ein gewisser Hebelarm
von Krafteinleitung (Punkt der Patientenkompression) zur Welle am
vorderen Ende des Oberarms, so führen die
beiden Arme keine Relativbewegung zueinander aus; der Unterarm knickt
also nicht ein. Somit ist ein zusätzliches Verriegelungselement
nicht notwendig.
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Das
Berechnungsbeispiel von 8 für das Übersetzungsverhältnis der
Zahnräder,
bei dem die Arme nicht einknicken, geht von folgender Konstellation
aus:
- r1:
- Radius Zahnrad 1
- r2:
- Radius Zahnrad 2
- G1:
- Eigengewicht Oberarm
= 20 N
- G2:
- Eigengewicht Unterarm
= 10 N
- Fa:
- Kompressionskraft
= 150 N
- rp:
- Abstand Mittelpunkt
Zahnrad 2 bis zum Kraftangriffspunkt der Anpresskraft = 30 mm
- Fp:
- Anpresskraft von Unterarm
zum Oberarm = 10 N
- a:
- Länge Oberarm = 430 mm
- b:
- Länge Unterarm = 430 mm
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Das
Verhältnis
der Zahnräder
wird berechnet durch die Forderung, dass die resultierenden Drehmomente
um Achse 21 und Welle 22 verschwinden. ΣMA = 0 = a/2·G1 + r1·F2 + G2·(a + b/2) – Fa (a
+ b) + rp·Fp
=
215 mm·20
N + r1·F2
+ 10 N·645
mm – 150
N·860 mm
+ 10N·30
mm
=> F2 = 117950
Nmm/r1 ΣMB = 0 = b/2·G2 + r2·F2 – b·Fa – rp·Fp
= 215 mm·10 N +
r2·F2 – 430 mm·150 N – 10 N·30 mm
=> F2 = 62650 Nmm/r2damit r1/r2 = 117950 Nmm/62650 Nmm = 1,88.
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Um
die entsprechenden Abmessungen des Gelenkes zu erreichen, ist es
sinnvoll, ein zweites Rad 14 in elliptischer Form vorzusehen.
Dieses elliptische Rad ist in den 9, 10 und 11 in ausgeklapptem
Zustand, bei einem Winkel zwischen Ober- und Unterarm von 90° und vollständig eingeklappt gezeigt.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird die auf den Arm wirkende
Kraft gemessen. Dies wird beispielsweise über die Änderung der Länge der
Feder (12) oder mittels einer Längenänderung
eines Druckstabes (31, 13) realisiert.
Wie in den 12 und 13 gezeigt
ist, können
die auftretenden Kräfte,
z. B. im Falle der Anwendung bei einem Fluoro-Röntgengerät am Kompressionstubus, zum
einen über
die Längenänderung
der Feder im Untergurt des Ketten- oder Riementriebs oder aber durch
ein an der zum Ausklappen verwendeten Strebe angebrachtes Linearpotentiometer
gemessen werden.
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14 und 15 zeigen
Vorteile von Ausführungen
der Erfindung, die sich vor allem bei medizinischen Anwendungen
günstig
auswirken.
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Anhand
von 8 wurde die selbstarretierende Wirkung der Ausgestaltung
gemäß 5 und 6 erläutert. Die
Selbstarretierung resultiert aus einer Kompensation der von unten
den Arm 2 nach oben drückenden
Kraft F (Kompressionskraft) durch eine Gegenkraft (bzw. ein entgegenwirkendes
Drehmoment), welche (bzw. welches) durch die Zugspannung der Feder
erzeugt wird. Da die Feder nur begrenzt dehnbar ist, kann die Kompressionskraft
F nur bis zu einer mit den Federeigenschaften zusammenhängenden
Maximalkraft kompensiert werden. Für größere Kräfte ist der die Räder verbindende
Riemen bzw. die verbindende Kette praktisch steif. Dann wird durch
die Kompressionskraft F der Unterarm 12 nach oben gedrückt, wobei
sich Riemen oder Kette von dem zweiten Rad 14 auf das erste
Rad 13 abwälzen. D.
h. der anhand 1 bis 3 beschriebene
Ausklappmechanismus wird praktisch umgekehrt verwendet. (Anstatt
Kraftübertrag
von unteren Schlitten auf Oberarm und durch Abwälzen auf Unterarm wird Kraft
auf Oberarm, dann durch Abwälzen
auf Unterarm und von Unterarm auf unteren Schlitten übertragen) Diese
Fähigkeit
des Armes, bei größeren Kräften nachzugeben,
dient der Sicherheit bei medizinischen Anwendungen.
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Es
ist eine einfache Patientenbergung bei angewandter Kompression bei
Auftreten eines Notfalls möglich.
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Bei
Normalzustand mit dem Gerät
an Spannung können
durch Einwirken der „Gegenkraft" F, d. h. Druck auf
das Ellenbogengelenk, die zur Selbstarretierung führenden
Kräfteverhältnisse
und die Haltekraft des unteren Koppelmagnets 5 wie oben
erläutert überwunden
werden und der Arm klappt ein (15).
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Auch
im spannungslosen Zustand ist einer einfachen Patientenbergung Rechnung
getragen. Der untere Koppelmagnet (Elektromagnet), der während der
Kompression die beiden Schlitten zusammenhält, ist im spannungslosen Zustand
nicht magnetisch. Somit klappt bei geringen Kompressionskräften der
gesamte Arm bei Spannungsausfall in sich zusammen (15)
und gewährleistet
eine problemlose Patientenbergung. Bei größeren Kompressionskräften kann
es günstig
sein, eine gewisse Gegenkraft auf den Oberarm aufzubringen, um die
selbstarretierenden Kräfte,
die einem Einklappen des Arms entgegenstehen, zu kompensieren.
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16 bis 21 zeigen
eine konkrete Ausgestaltung des Schultergelenks für eine medizinische Anwendung.
Der Gesamtaufbau ist in 16 dargestellt.
Es wird ein Motor verwendet, dessen Rotationsbewegungen in eine
translatorische Bewegung übertragen
werden (17).
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Die
Rotationsbewegung des Motors wird mit Hilfe eines Zahnriemens in
eine translatorische Bewegung gewandelt, wodurch der untere Schlitten bzw.
bei ausgeklapptem Arm die gekoppelten Schlitten angetrieben werden.
Zu diesem Zweck ist der un tere Schlitten der Kompressionseinheit
fest mit dem Zahnriemen verbunden und läuft in einer Führungsschiene.
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Anhand 18 ist
ersichtlich, wie eine für die
medizinische Anwendung verwendete Kompressionseinheit aus- bzw.
eingeklappt werden kann.
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Soll
die Kompressionseinheit ausklappen, so genügt eine Betätigung des Ausklappknopfes
am Bedienpult. Der Motor startet und bewegt den unteren Schlitten
solange hin zum oberen Schlitten, bis die Gegenplatte des unteren
Schlittens die beiden unteren Elektromagneten bzw. einen Endschalter
erreicht. Während
dieser Bewegung drehen die beiden Streben den senkrecht nach unten
liegenden U-Arm (Untersuchungsarm entspricht Oberarm) um 90° nach oben.
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Die
beiden Streben sind drehbar mit dem unteren Schlitten und drehbar
mit dem Arm verbunden. Der U-Arm ist drehbar auf einer Achse im
oberen Schlitten gelagert. Der obere Schlitten ist über einen Dauermagneten
fest mit dem Gehäuse
verbunden und somit in seiner Stellung fixiert.
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19 zeigt
den Unterarm bzw. CFK-Arm (der aus CFK bzw. kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff
gefertigt ist). Auch der CFK-Arm mit Tubus wird während dieser
Bewegung ausgeklappt. Dies wird mit einer Kette, die sich im U-Arm
befindet, realisiert. Der Unterarm muss nicht zwangsweise aus CFK
gefertigt werden; so kann er z. B. aus Stahl gefertigt werden. Ebenso
verhält
es sich bei dem beschriebenen Tubus, der z. B. aus CFK oder Polystyrol gefertigt
werden kann.
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Die
Kette wälzt
sich auf 2 Kettenrädern
ab. Kettenrad 1 ist fest mit der Achse im oberen Schlitten verbunden
und Kettenrad 2 befindet sich im U-Arm vorne, wo es fest mit der
dort vorhandenen Welle verbunden ist.
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Mit
dieser Welle ist ebenfalls das Adapterstück zum CFK-Arm fest verbunden.
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Dreht
sich nun beim Ausklappen der U-Arm um 90° nach oben, so wälzt sich
die Kette am feststehenden Kettenrad 1 ab und dreht gleichzeitig
das Kettenrad 2 mit der Welle. Somit werden auch das Adapterstück und der
CFK-Arm gedreht.
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Das
Einklappen des Kompressionsarmes funktioniert in der umgekehrten
Reihenfolge wie das Ausklappen.
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Der Übergang
von der Ausklappbewegung zur Kompressionsbewegung kann anhand von 20 nachvollzogen
werden. Hat der untere Schlitten beim Ausklappen seine Position
an den beiden unteren Magneten erreicht, dann ist die Kompressionseinheit
vollständig
ausgeklappt. Jetzt wird auf die beiden unteren Magneten Spannung
gegeben. Dadurch werden die beiden Elektromagneten magnetisch und
halten den unteren Schlitten. Damit sind Ober- und Unterschlitten
fest miteinander verbunden. Jetzt wird Spannung auf den Dauermagneten
gegeben. Dadurch verliert dieser seine Magnetwirkung und hat keine
Verbindung mehr zum Gehäuse.
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Wird
nun der Motor gestartet, fahren die beiden verbundenen Schlitten
nach unten und es kann komprimiert werden.
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Eine
Federung des Kompressionsarms beim Komprimieren kann wie in 21 gezeigt
vorgenommen werden.
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Wirkt
beim Komprimieren auf den Tubus eine Kraft, so überträgt sich diese Kraft auf die
Kette. Ein Federpaket, das sich in der Kette befindet, ermöglicht eine
Ausdehnung bzw. Verlängerung
der Kette. Durch diese Ausdehnung der Kette kann sich der U-Arm
mit dem CFK-Arm um die Achse im oberen Schlitten drehen und federt
somit.
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Eine
mehr schematische Darstellung des Schultergelenks ist in 22 gezeigt.
Dieses kann – wie
in 23 dargestellt – z. B. bei einem Röntgengerät zum Einsatz
kommen.
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Die
Erfindung ist nicht auf medizinische Anwendungen beschränkt. Beispielweise
kann das erfindungsgemäße Schultergelenk
im Bereich der Automatisierung bzw. im Bereich der Robotik zum Einsatz
kommen. Ein Fabrikroboter kann z. B. mit einem erfindungsgemäßen Schultergelenk
ausgestattet werden, um ein flexibles Aus- und Einfahren eines Armes
zu gewährleisten.