DE102007023848A1

DE102007023848A1 - Schultergelenk

Info

Publication number: DE102007023848A1
Application number: DE102007023848A
Authority: DE
Inventors: Franz Beimler; Michael Kleber; Marianne Köferl; Joachim Trummer; Dieter WÖHRL
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: US20080294264A1; CN101323114B; US8113711B2; DE102007023848B4; CN101323114A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schultergelenk, bei dem ein Arm (2) durch Zusammenführen zweier Schlitten (3, 4) ausgeklappt wird. Nach Ausklappen des Armes (2) werden die Schlitten (3, 4) gekoppelt, so dass der an den Schlitten (3, 4) befestigte Arm (2) zusammen mit den gekoppelten Schlitten (3, 4) bewegt werden kann. Vorzugsweise ist der Arm (2) mit einem Oberarm (11) und einem Unterarm (12) gebildet, deren Bewegung über zwei in Wirkverbindung stehende Räder (13, 14) gekoppelt ist. Dabei ist die Wirkverbindung derart ausgestaltet, dass das Ausklappen des Armes (2) gleichzeitig ein Strecken des Armes (2) bewirkt. Der kinematische Aufbau der Konstruktion erlaubt, alle Bewegungen mit einem Antrieb durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schultergelenk und ein Verfahren zum Ausklappen eines Armes
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.
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, eine Konstruktion und ein Verfahren anzugeben, welche den bedarfsweisen Einsatz und die verwendungsabhängige Anpassung eines Gerätearms ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Schultergelenk und ein Verfahren zum Ausklappen eines Armes gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Das erfindungsgemäße Schultergelenk ist mit einem Grundträger, einem ausklappbaren Arm, zwei auf dem Grundträger angeordneten Schlitten – im Folgenden als erster und zweiter Schlitten bezeichnet – und einem ersten Koppelmittel zur Kopplung der beiden Schlitten gebildet. Der Arm ist dabei 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 ausgestaltet, dass bei einer minimalen Entfernung der beiden Schlitten, bei der der Ausklapp-Prozess beendet ist, eine Kopplung eintritt bzw. vorgenommen werden kann). Schließlich sind die zusammengekoppelten Schlitten für eine gemeinsame Bewegung entlang zumindest einer Richtung ausgestaltet.
Die Erfindung 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 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 vollständig ausgeklappt ist, 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.
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.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist der ausklappbare Arm mit einem Oberarm und einem Unterarm gebildet, wobei der Oberarm mittels der Achse an den zweiten Schlitten befestigt und der Unterarm drehbar auf einer Welle an einem Ende des Oberarms angebracht ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Ausklappen des Armes mit einer relativen Bewegung von Oberarm und Unterarm (beim menschlichen Arm als Beugen und Strecken bezeichnet) verbunden sein. Diese relative Bewegung von Ober und Unterarm kann dadurch realisiert werden, dass auf der Achse ein erstes Rad vorgesehen wird und auf der Welle ein zweites Rad, 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. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass bei Drehen des Armes um die Achse automatisch eine Relativbewegung von Ober- und Unterarm (Beugen bzw. Strecken) bewirkt wird. Es ist daher nur ein Antrieb für die Bewirkung der beiden verschiedenartigen Bewegungen (Ausklappen des Armes und Beugen/Strecken) erforderlich.
Bei der obigen Ausführungsform mit Ober- und Unterarm 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 (üblicherweise den Unterarm) der Betrag des resultierenden Drehmomentes um die Welle minimiert wird. Um diese Selbstarretierung zu erreichen, können 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.
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 Winkeländerung des Oberarms um dessen Achse gemessen.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Ausklappen eines Armes, der Teil eines erfindungsgemäßen Schultergelenks ist. Im Zuge dieses Verfahrens werden die beiden Schlitten aufeinander zubewegt, um ein Ausklappen des Armes zu bewirken. Nach Ausklappen des Armes werden die beiden Schlitten derart zusammengekoppelt, dass sie zumindest entlang einer Richtung bewegbar sind. Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens ist der zweite Schlitten zunächst fest an den Grundträger gekoppelt und wird nach Ausklappen des Armes von seiner festen Position entkoppelt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens ist der Arm aus Ober- und Unterarm gebildet und für eine Beuge- bzw. Streckbewegung bei Relativbewegung der von Ober- und Unterarm ausgestaltet, derart, dass die Beuge- und Streckbewegung automatisch über Räder und einen Wirkzusammenhang realisiert ist.
Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand im Rahmen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Schultergelenk im eingeklappten Zustand,
2 ein erfindungsgemäßes Schultergelenk im ausgeklappten Zustand,
3 vertikale Beweglichkeit eines erfindungsgemäßen Schultergelenks im ausgeklappten Zustand,
4 ein erfindungsgemäßes Schultergelenk, bei dem der Arm aus Ober- und Unterarm gebildet und beide Armteile mittels Zahnräder gekoppelt sind,
5 ein erfindungsgemäßes Schultergelenk, bei dem eine Feder in die Zahnradkette zwecks Flexibilität des Armes eingebaut ist,
6 Nachgeben des Armes mit eingebauter Feder,
7 ein erfindungsgemäßes Schultergelenk mit starrem Arm,
8 eine schematische Skizze von dem Arm für eine Modellrechnung,
9 einen Arm mit elliptischem Zahnrad,
10 einen Arm mit elliptischem Zahnrad bei Winkel von 90° zwischen Ober- und Unterarm,
11 einen vollständig eingeklappten Arm mit elliptischem Zahnrad,
12 Kraftmessung im Arm mittels Feder,
13 Kraftmessung im Arm über Längenänderung von Druckstab,
14 Arm im spannungslosen Zustand vor Krafteinwirkung (Patientenbergung),
15 Arm im spannungslosen Zustand nach Krafteinwirkung (Patientenbergung),
16 Gesamtaufbau eines Schultergelenks,
17 Wandlung der Rotationsbewegung des Motors in eine translatorische Bewegung,
18 Aus- und Einklappen der Kompressionseinheit,
19 einen erfindungsgemäßen Arm,
20 Übergang von der Ausklappbewegung zur Kompressionsbewegung und
21 Federung des Kompressionsarms beim Komprimieren.
22 Schultergelenk mit Arm
23 ein medizinisches Gerät mit erfindungsgemäßen Schultergelenk
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.
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 miteinander 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.
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.
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 medizini sche Anwendungen angeordnet. Dabei handelt sich z. B. um einen Kompressionstubus, auf den eine Kraft wirkt.
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 bewegen 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.
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.
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).
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 arretiert. 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.
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.
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

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 + 10 N·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 – 10N·30 mm => F2 = 62650 Nmm/r2damit r1/r2 = 117950 Nmm/62650 Nmm = 1,88.
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.
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.
14 und 15 zeigen Vorteile von Ausführungen der Erfindung, die sich vor allem bei medizinischen Anwendungen günstig auswirken.
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 beschrie bene 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.
Es ist eine einfache Patientenbergung bei angewandter Kompression bei Auftreten eines Notfalls möglich.
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).
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.
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).
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 untere Schlitten der Kompressionseinheit fest mit dem Zahnriemen verbunden und läuft in einer Führungsschiene.
Anhand 18 ist ersichtlich, wie eine für die medizinische Anwendung verwendete Kompressionseinheit aus- bzw. eingeklappt werden kann.
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.
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.
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.
Die Kette wälzt sich auf 2 Kettenrädern ab. Kettenrad 1 ist fest mit der Achse im oberen Schlitten verbunden und Ketten rad 2 befindet sich im U-Arm vorne, wo es fest mit der dort vorhandenen Welle verbunden ist.
Mit dieser Welle ist ebenfalls das Adapterstück zum CFK-Arm fest verbunden.
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.
Das Einklappen des Kompressionsarmes funktioniert in der umgekehrten Reihenfolge wie das Ausklappen.
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.
Wird nun der Motor gestartet, fahren die beiden verbundenen Schlitten nach unten und es kann komprimiert werden.
Eine Federung des Kompressionsarms beim Komprimieren kann wie in 21 gezeigt vorgenommen werden.
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.
Eine mehr schematische Darstellung des Schultergelenks ist in 22 gezeigt. Dieses kann – wie in 23 dargestellt – z. B. bei einem Röntgengerät zum Einsatz kommen.
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.

Claims

Ausklappbares Schultergelenk, – mit einem Grundträger (1), – mit einem ausklappbaren Arm (2), – mit einem ersten auf dem Grundträger (1) angeordneten Schlitten (3), – mit einem zweiten auf dem Grundträger angeordneten Schlitten (4), und – mit einem ersten Koppelmittel (5) zu Kopplung der beiden Schlitten (3, 4), bei dem – der Arm (1) mittels einer Achse (21) an dem zweiten Schlitten (4) befestigt ist, – der erste Schlitten (3) derart mit dem Arm (1) verbunden ist, dass, wenn die beiden Schlitten (3, 4) aufeinander zu bewegt werden, der Arm (1) durch Schwenkung um die Achse (21) ausgeklappt wird, – das erste Koppelmittel (5) zur Kopplung der beiden Schlitten (3, 4) bei ausgeklappten Arm (2) ausgestaltet sind, und – die Schlitten (3, 4) bei Zusammenkopplung für eine gemeinsame Bewegung entlang zumindest einer Richtung ausgestaltet sind.
Schultergelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der ersten Schlittens (3) mit dem Arm (1) durch einen Druckstab (6) verbunden ist.
Schultergelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweites Koppelmittel (7) zur Fixierung der Position des zweiten Schlittens (4) auf dem Grundträger (1) vorgesehen ist, und – das zweite Koppelmittel (7) für eine Loskopplung des zweiten Schlittens (4) von der fixierten Position bei ausgeklappten Arm (2) ausgestaltet ist.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das erste Koppelmittel (5) durch zumindest einen Elektromagneten realisiert ist, und – die Kopplung der beiden Schlitten (3, 4) bei ausgeklappten Arm (2) durch Beaufschlagung des zumindest einen Elektromagneten mit einer Spannung auslösbar ist.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das das zweite Koppelmittel (7) durch zumindest einen Dauermagneten realisiert ist, und – die Loskopplung des zweiten Schlittens (4) von der fixierten Position bei ausgeklappten Arm (2) durch Beaufschlagung des zumindest einen Dauermagneten mit einer Spannung bewirkbar ist.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Grundträger (1) eine Führungsschiene für die gemeinsame Bewegung der zusammengekoppelten Schlitten (3, 4) aufweist.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Arm (2) mit einem Oberarm (11) und einem Unterarm (12) gebildet ist, – der Oberarm (11) mittels der Achse (21) an dem zweiten Schlitten (4) befestigt ist, und – der Unterarm (12) drehbar auf einer Welle (22) an einem Ende des Oberarms (11) befestigt ist.
Schultergelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – auf der Achse (21) ein erstes Rad (13) befestigt ist, – auf der Welle (22) ein zweites Rad (14) befestigt ist, und – über die beiden Räder (13, 14) derart in Wirkverbindung stehen, dass eine Drehung des Oberarms (11) um die Achse (21) zu einer Drehung des zweiten Rades (14) und damit des Unterarmes (12) relativ zu dem Oberarm (11) bewirkt, wodurch eine Beug- oder Streckbewegung des Armes resultiert.
Schultergelenk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Räder (13, 14) als Riemenräder ausgebildet sind, und – die Wirkverbindung durch einen die Räder (13, 14) umspannenden Riemen (23) realisiert ist.
Schultergelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die Räder (13, 14) als Zahnräder ausgebildet sind, und – die Wirkverbindung durch einen die Räder (13, 14) umspannende Kette (23) realisiert ist.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die Räder (13, 14) und die Wirkverbindung für eine Arretierung der relativen Stellung von Unterarm (12) und Oberarm (11) bei ausgeklapptem Arm (2) ausgestaltet sind.
Schultergelenk nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Räder (13, 14) und die Wirkverbindung derart ausgestaltet sind, dass bei definierten Anwendungsfällen mit Druckausübung auf den Arm (2) der Betrag des resultierenden Drehmomentes um die Welle (22) minimiert wird.
Schultergelenk nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als quantitatives Kriterium für die Ausgestaltung von Rädern (13, 14) und Wirkverbindung das simultane Verschwinden der Drehmomente um die Welle (22) und die Achse (21) verwendet wird.
Schultergelenk nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rad (14) eine elliptische Form hat.
Schultergelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Riemen (23) oder die Kette (23) für ein elastisches Nachgeben ausgestaltet sind.
Schultergelenk nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbringen eines Federelements (30) in den Riemen (23) oder die Kette (23) die elastische Eigenschaft hergestellt wird.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schultergelenk ein Mittel (30, 31) zur Abschätzung einer auf den Arm ausgeübten Kraft aufweist.
Schultergelenk nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (30, 31) mit einer in den Riemen oder die Kette eingeschleifte Feder gebildet ist.
Schultergelenk nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessung über Längenänderung der Druckstabes (6) zum Ausklappen erfolgt.
Schultergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Antrieb gegeben ist, mittels dessen die Schlitten (3, 4) bewegt und der Arm (2) ausgeklappt wird.
Röntgengerät mit einem Schultergelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Fluorogerät mit einem Schultergelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Roboter mit einem Schultergelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Verfahren zum Ausklappen eines Armes (2) eines Schultergelenks nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die beiden Schlitten (3, 4) aufeinander zu bewegt werden, wodurch das Ausklappen des Armes bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schlitten (4) zunächst fest an den Grundträger (1) gekoppelt ist und nach Ausklappen des Armes (2) von seiner festen Position entkoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (2) aus Oberarm (11) und Unterarm (12) gebildet und für eine Beuge- bzw. Streckbewegung bei Relativbewegung von Ober- und Unterarm ausgestaltet ist, derart, dass die Beuge- und Streckbewegung automatisch über Räder (13, 14) und einen Wirkzusammenhang realisiert ist.