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Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer magnetischen Schnittstelle zum Antreiben und lösbaren Koppeln eines Werkzeugs.
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Die Patentanmeldung
WO 2007/ 075 864 A1 offenbart eine mechanische Schnittstelle, über die ein chirurgisches Instrument an einen Chirurgieroboter antreibbar gekoppelt werden kann. Die Schnittstelle weist instrumentenseitig vier drehbare Rotationskörper auf, die mit auf Seiten des Roboters vier komplementär ausgebildeten drehbaren Rotationskörpern formschlüssig verbunden werden können. Die roboterseitigen Rotationskörper können von einer im Roboter integrierten Antriebseinheit angetrieben werden. Durch die formschlüssige Verbindung kann von jedem roboterseitigen Rotationskörper ein Drehmoment auf einen instrumentenseitigen Rotationskörper übertragen werden.
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Beim Koppeln des Instruments an den Roboter muss jedoch darauf geachtet werden, dass die jeweils korrespondierenden Rotationskörper zueinander fluchten und nicht verdreht sind. Ansonsten wird die Koppelung des Instruments behindert. Die gegenseitige Ausrichtung aller Rotationskörper muss daher entweder manuell vom Benutzer durchgeführt werden oder es muss ein zusätzlicher Mechanismus für eine automatische Ausrichtung der Rotationskörper bereitgestellt werden.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2006 060 986 A1 offenbart eine magnetische Drehmomentkupplung, mit der eine von einem Motor angetriebene Welle eine weitere Welle mittels magnetischer Kraftübertragung miteinander gekoppelt werden können.
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Die gattungsgemäße
DE 692 01 249 T2 offenbart einen Magnetantrieb, der zwei jeweils durch einen Motor antreibbare Magnetkupplungen aufweist, durch die zwei ineinander gelagerte Rotoren einzeln rotatorisch angetrieben werden können.
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DE 11 2006 000 775 T5 offenbart einen Linearmotoraktuator, der einen ersten Magneten aufweist, der von einem zweiten Magneten umschlossen wird, wobei einer der Magneten als Elektromagnet ausgebildet ist, um eine Schubkraft zu erzeugen.
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US 2004 / 0 021 384 A1 offenbart ein Differential für ein Fahrzeug, in das eine elektromagnetische Kupplung zur Übertragung einer Rotationsbewegung integriert ist.
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US 2010 / 0 147 619 A1 offenbart eine Torsionsfeder, die eine mit einem Magnetring verbundene Welle umfasst. Der Magnetring ist umgeben von äußeren und inneren Zähnen, die mit einer weiteren Welle verbunden sind und gemeinsam eine magnetische Verbindung herstellen.
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DE 29 16 892 A1 offenbart eine elektromagnetische Kupplung mit zwei magnetisch leitenden Kupplungshälften, die eine Magnetspule umschließen, wobei jede Kupplungshälfte als ringförmiger Trog ausgebildet ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Antriebseinheit mit zumindest zwei Rädern vorzuschlagen, die mit ihrem jeweiligen Drehantrieben in magnetischer Wirkverbindung stehen, wobei beide Räder auch dann separat und ohne Drehmomentverlust rotatorisch angetrieben werden können, wenn ein mit beiden Rädern verbundener Schaft in axialer Richtung angetrieben wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebseinheit mit wenigstens einem einen Motor umfassenden ersten Antriebsmodul und einem von dem Antriebsmodul um eine Achse drehangetriebenem erstem Rad, wobei das Antriebsmodul einen Magnetring umfasst, der das erste Rad umgibt, mit dem ersten Rad in magnetisch kraftübertragender Verbindung steht und mit dem Motor in mechanisch kraftübertragender Verbindung steht sowie mit wenigstens einem koaxial zur Achse angeordnetes zweitem Antriebsmodul mit einem weiteren von einem weiteren Motor drehangetriebenen Magnetring, der ein zweites Rad umgibt, wobei das erste Rad mit einem Schaft in mechanisch kraftübertragender Verbindung steht, der sich durch das zweite Rad hindurch erstreckt, wobei die Verbindung des Schafts mit dem ersten Rad formschlüssig drehfest und axial beweglich ist und die Verbindung des zweiten Rades mit dem Schaft eine Gewindeverbindung ist.
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Als Motor wird vorzugsweise ein Elektromotor gewählt. Der Motor treibt den Magnetring über die mechanisch kraftübertragende Verbindung an, bei der die Antriebskraft bzw. das Drehmoment des Motors durch einen mechanischen Kontakt zweier Bauteile der Verbindung übertragen wird. Als mechanisch kraftübertragende Verbindung können sowohl formschlüssige Verbindungen, z. B. ein Zahnradgetriebe, als auch kraftschlüssige Verbindungen, z. B. ein Riemengetriebe, gewählt werden, die eine Antriebskraft bzw. ein Drehmoment des Motors auf den Magnetring übertragen und diesen in Rotation um eine Achse versetzen.
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Die magnetisch kraftübertragende Verbindung überträgt hingegen kontaktfrei ein Drehmoment vom Magnetring auf das vom Magnetring umgebende erste Rad. Da das erste Rad auch um die Achse drehbar gelagert ist, wird es aufgrund der magnetischen Wechselwirkung vom rotierenden Magnetring mitgenommen und folglich rotatorisch angetrieben. Die Übertragung einer Antriebskraft auf das erste Rad ist folglich ohne Formschluss möglich.
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Damit der Magnetring mit dem Rad eine magnetische Wechselwirkung eingehen kann, ist der Magnetring am inneren Umfang mit mehreren Permanentmagneten bestückt, die mit dem Rad einen magnetischen Kraftschluss bilden. Umgekehrt können am äußeren Umfang des Rades mehrere Permanentmagnete verteilt sein, die einen Kraftschluss mit dem Magnetring bilden. Die Permanentmagnete magnetisieren vorteilhafterweise ferromagnetische Körper, die am Umfang des mit dem mit Permanentmagneten bestückten Rad bzw. Magnetring korrespondierenden Bauteils verteilt sind.
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Die zu einem mittleren Magnet benachbarten Magnete weisen vorteilhafterweise eine zum mittleren Magnet entgegengesetzte Polarität auf, um mehrere am Umfang des Rades zirkulierende Magnetfelder zu erhalten.
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Die zwischen Motor und Magnetring bestehende mechanisch kraftübertragende Verbindung umfasst vorteilhafterweise ein Getriebe. Das Getriebe ist insbesondere als Schneckengetriebe ausgebildet, das eine hohe Übersetzung ermöglicht. Dabei kann vom Motor eine Schnecke angetrieben werden, die mit einer am äußeren Umfang des Magnetrings befindlichen Verzahnung kämmt.
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Der Magnetring des zumindest zweiten Antriebsmoduls kann zum Antreiben des zweiten Rads mit diesem in magnetisch kraftübertragender Verbindung stehen.
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Vorzugsweise sind die Antriebsmodule untereinander baugleich, um für eine kostengünstige Fertigung die Anzahl der Gleichteile zu erhöhen.
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Ein von einem Antriebsmodul angetriebenes Rad kann wiederum zum Antreiben weiterer Bauteile genutzt werden.
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Das zweite Rad kann mit einer Schafthülse verbunden sein, die den Schaft umgibt und um diesen beweglich gelagert ist. Auf diese Weise sind die Antriebskräfte des ersten und des zweiten Rads von einer einzigen Abtriebsseite der Antriebseinheit zugänglich und abgreifbar. D. h. die Antriebseinheit benötigt nur einen Ausgang, über den die Antriebskräfte der beiden Räder aus der Antriebseinheit hinausgeführt werden können.
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Die Verbindung des Schafts mit dem ersten Rad kann als eine Feder-Nut-Verbindung ausgebildet sein. So kann vom Rad auf den Schaft ein Drehmoment übertragen werden, wobei der Schaft relativ zum Rad axial frei bewegt werden kann.
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Die Antriebseinheit kann zwei Antriebsmodule umfassen, die jeweils ein Rad antreiben. Dadurch kann der Schaft durch das eine Rad rotatorisch und durch das andere Rad axial verstellt werden.
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Um im Falle mehrerer in einer Antriebseinheit verbauter Antriebsmodule eine kompakte Anordnung zu erreichen, können die Antriebsmodule entlang einer gemeinsamen Achse gestaffelt werden.
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Ein Magnetring und ein von diesem umgebendes Rad weisen vorzugsweise einen Luftspalt bzw. einen Zwischenraum auf, über den die magnetischen Kräfte übertragen werden. Sind mehrere Antriebsmodule gestaffelt angeordnet, dann sind die Zwischenräume der einzelnen Antriebsmodule vorzugsweise axial miteinander fluchtend ausgelegt. Hierfür können die Außendurchmesser der Räder untereinander und die Innendurchmesser der Magnetringe untereinander beispielsweise jeweils gleich groß ausgelegt werden.
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Durch die Zwischenräume kann sich eine keimdichte Barriere z. B. in Form einer Hülse erstrecken. Die Hülse ist vorzugsweise aus einem nicht-magnetisierbaren Material gefertigt, um keine magnetische Verbindung mit dem Magnetring oder dem Rad einzugehen. Die Hülse lässt aber die magnetisch kraftübertragende Verbindung zwischen Magnetring und Rad zu. Die keimdichte Eigenschaft erfüllt eine Schutzfunktion gegen eine Kontaminierung eines steril zu haltenden Arbeitsraums. So kann die Antriebseinheit beispielsweise in einem OP-Raum zum Antreiben eines chirurgischen Werkzeugs genutzt werden.
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Ein jedes Antriebsmodul umfasst vorzugsweise ein Trägersegment, in dem der Magnetring des Antriebsmoduls durch wenigstens ein Wälzlager gehalten ist. Das Trägersegment kann mit einem Gehäuse der Antriebseinheit fest verbunden sein. So können die Magnetringe gegenüber dem Gehäuse der Antriebseinheit um die Achse drehbar gelagert werden.
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Der bzw. die Magnetringe tragen vorzugsweise einen Zahnkranz, dessen Außendurchmesser größer ist als der des Wälzlagers. Dann nämlich kann z. B. eine Schnecke einer als Schneckengetriebe ausgebildeten mechanisch kraftübertragenden Verbindung am äußeren Umfang des Magnetrings angeordnet werden und mit dem Zahnkranz des Magnetrings kämmen. Zudem ermöglicht ein großer Zahnkranz ein hohes Übersetzungsverhältnis des Getriebes.
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Die Trägersegmente von mehreren Antriebsmodulen können untereinander steckverbunden sein. Eine derartige Steckverbindung vereinfacht die Montage und ermöglicht eine gegenüber dem Gehäuse der Antriebseinheit fixierte Verbindung aller Antriebsmodule.
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Die von den Magnetringen umgebenden Räder können zu einer Baugruppe verbunden sein, die in den Magnetringen entnehmbar aufgenommen ist. Die Baugruppe kann beispielsweise eine Betätigungseinheit eines Werkzeugs darstellen, bei dem die drehbaren Räder als Steuerantrieb für die Steuerung bestimmter Werkzeugfunktionen genutzt wird, wie z. B. die Betätigung eines am Werkzeug befindlichen Endeffektors.
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Die magnetisch kraftübertragende Verbindung zwischen den Rädern und den korrespondierenden Magnetringen ermöglicht einen einfachen Wechsel der Baugruppe bzw. des Werkzeugs, da die Baugruppe in die Magnetringe eingeführt oder entnommen werden kann, ohne auf die Ausrichtung der Räder in Bezug auf die Magnetringe achten zu müssen. Im Gegensatz zu einer formschlüssigen Verbindung wird nämlich keine gegenseitige Ausrichtung der kraftübertragenden Elemente, hier also von Rad und Magnetring, benötigt. Die Räder sind untereinander vorzugsweise durch Wälzlager drehbar und axial unbeweglich verbunden. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau, um die Räder analog zu den Magnetringen gestaffelt und um eine gemeinsame Längsachse gegeneinander drehbar anzuordnen, insbesondere zum Bilden einer Baugruppe.
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Die Baugruppe kann zwei Anlageelemente umfassen, zwischen denen die Räder angeordnet sind, und die an einem die Magnetringe aufnehmenden Gehäuse radial fixiert sind. Diese Anlageelemente können konisch geformt sein und sich an korrespondierend geformten Anlageflächen im Gehäuse abstützen. Die Räder der Baugruppe sind dadurch koaxial zu der gemeinsamen Achse der Magnetringe im Gehäuse gelagert und halten um ihren Umfang einen konstanten Luftspalt zu ihrem korrespondierenden Magnetring aufrecht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 einen mit einem Instrument bestückten Roboter,
- 2 einen Querschnitt durch eine Antriebseinheit mit einem eingeführtem Instrument,
- 3 einen Querschnitt durch die Antriebseinheit ohne das Instrument,
- 4 das Instrument,
- 5 einen Querschnitt durch ein Antriebsmodul der Antriebseinheit,
- 6 eine Betätigungseinheit am proximalen Ende des Instruments im Querschnitt,
- 7 ein distales Ende des Instruments mit einem Schwenkmechanismus und einem Endeffektor in ausgestreckter Stellung,
- 8 das distale Ende des Instruments aus 7 in abgewinkelter Stellung,
- 9 das distale Ende des Instruments im Querschnitt,
- 10 eine tabellarische Übersicht der Betätigungsmöglichkeiten des Instruments;
- 11 das distale Ende des Instruments mit Greifern des Endeffektors in geöffneter Stellung;
- 12 das distale Ende des Instruments mit gegenüber dem Schwenkmechanismus verdrehtem Endeffektor;
- 13 das um die Längsachse des Instruments gedrehte distale Ende;
- 14 ein distales Ende mit einer zweiten Ausgestaltung des Schwenkmechanismus;
- 15 ein distales Ende mit einer dritten Ausgestaltung des Schwenkmechanismus;
- 16 ein distales Ende mit einer vierten Ausgestaltung des Schwenkmechanismus.
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1 zeigt einen Roboter 10 und ein an den Roboter 10 gekoppeltes Instrument 30. Der Roboter 10 umfasst ein Befestigungselement 1, das zur Befestigung des Roboters 10 an einem beliebigen Objekt dient. An das Befestigungselement 1 schließt sich ein Gelenk 2 an, das ein Armelement 5 mit dem Befestigungselement 1 drehbar verbindet. Ein zweites Armelement 6 ist über ein Gelenk 3 drehbar mit dem Armelement 5 verbunden. Über ein weiteres Gelenk 4 schließt sich an das Armelement 6 ein Eingabegerät 7 an, das einem Benutzer die Steuerung des Roboters 10 und / oder des Instruments 30 ermöglicht.
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Jedes der drei Gelenke
2,
3 und
4 weist zwei zueinander senkrecht stehende Rotationsachsen auf, so dass an beiden Anschlussseiten eines Gelenks eine rotatorische Bewegung möglich ist. Somit kann der Roboter
10 in sechs Freiheitsgraden bewegt werden. Zur entsprechenden Ansteuerung des Roboters
10 weist das Eingabegerät
7 vorzugsweise eine ebenfalls in sechs Freiheitsgraden manuell bewegbare Kappe auf. Eine nähere Erläuterung einer derartigen Robotersteuerung kann der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung
DE102013019869 der Anmelderin entnommen werden.
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Ein distales Ende des Roboters 10 ist durch eine Antriebseinheit 8 gebildet, die über einen Flansch 9 fest mit dem Eingabegerät 7 verbunden ist. Das Instrument 30 kann austauschbar mit der Antriebseinheit 8 gekoppelt werden und von der Antriebseinheit 8 angetrieben bzw. betätigt werden.
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2 zeigt die Antriebseinheit 8 mit dem eingeführten Instrument 30 in einer Querschnittsansicht, 3 die Antriebseinheit 8 ohne Instrument in einer Querschnittsansicht und 4 das von der Antriebseinheit 8 losgelöste Instrument 30.
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Das Instrument 30 weist eine Betätigungseinheit 19 mit vier Rädern 31, 32, 33 und 34, einem links neben dem linken äußeren Rad 31 angrenzenden Grundelement 46 und einem rechts neben dem rechten äußeren Rad 34 angrenzenden Anlageelement 45 auf. Die Räder 31, 32, 33 und 34 sind gegeneinander und gegen Grund- und Anlageelement 45, 46 drehbar, um Bewegungen eines mittels eines Schwenkmechanismus 79 mit einer Schafthülse 44 verbundenen Endeffektors 60 anzutreiben. Das Grundelement 46 und das Anlageelement 45 sind konisch in Richtung des Endeffektors 60 zulaufend geformt.
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Die Antriebseinheit 8 weist ein Gehäuse 15 auf, das mit dem Flansch 9 fest verbunden ist. Die Antriebseinheit 8 ist entlang einer Achse 16 durchgehend hohl, so dass zum Koppeln des Instruments 30 mit der Antriebseinheit 8 das Instrument 30 von einer Seite in die Antriebseinheit 8 entlang der Achse 16 eingeführt werden kann.
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Das Anlageelement 45 liegt im gekoppelten Zustand des Instruments 30 an einem korrespondierend geformten Anschlag 39 im Gehäuse 15 der Antriebseinheit 8 an. Der Anschlag 39 ist federnd im Gehäuse 15 gelagert und erzeugt eine Vorspannkraft auf das Instrument 30.
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Die dem Anschlag 39 gegenüberliegende Seite des Gehäuses 15 weist einen weiteren Anschlag 40 auf, an den das Grundelement 46 des Instruments 30 im gekoppelten Zustand anliegt. Der Anschlag 40 ist vorzugsweise ebenfalls korrespondierend zum Grundelement 46 konisch geformt.
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Die Anschläge 39 und 40 verhindern ein axiales Durchrutschen des Instruments 30. Durch die jeweils konische Formgebung der beiden Anschläge 39 und 40 sowie des Anlage- und Grundelements 45 und 46 des Instruments 30 wird eine fest definierte Einsteckposition des Instruments 30 in axialer und von der Achse 16 ausgehend radialer Richtung bestimmt. Wie 2 zeigt, kann somit eine koaxiale Ausrichtung einer durch das Instrument 30 verlaufende Längsachse 38 zu der durch die Antriebseinheit 8 verlaufende Achse 16 erreicht werden.
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Am Gehäuse 15 ist vorzugsweise ein Halteelement 58 vorhanden, das das Instrument 30 mit dem Gehäuse 15 lösbar fixiert, um im gekoppelten Zustand ein Verdrehen des Grundelements 46 gegenüber dem Gehäuse 15 oder ein axiales Verrutschen in der Antriebseinheit 8 entlang der Achse 16 zu verhindern. Das Halteelement 58 kann einen Magneten umfassen, der eine Haltekraft auf das aus ferromagnetischem Material bestehende Grundelement 46 ausübt.
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In der Antriebseinheit 8 sind vier gleichartige Antriebsmodule 18 verbaut. Das erste Antriebsmodul umfasst einen von einem Motor 11 angetriebenen Magnetring 21, das zweite Antriebsmodul einen von einem Motor 12 angetriebenen Magnetring 22, das dritte Antriebsmodul einen von einem Motor 13 angetriebenen Magnetring 23 und das vierte Antriebsmodul einen von einem Motor 14 angetriebenen Magnetring 24 auf. Die Magnetringe umfassen jeweils einen mit Magneten 25 bestückten hohlzylindrischen inneren Abschnitt und einen äußeren Abschnitt in Form eines radial vom inneren Abschnitt abstehenden Zahnkranzes 28. Alle vier Magnetringe 21, 22, 23 und 24 sind im Gehäuse 15 mit jeweils wenigstens einem Wälzlager 29, hier mit zwei Wälzlagern 29 beiderseits des äußeren Abschnitts, gelagert.
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Stellvertretend für alle vier Antriebsmodule 18 zeigt 5 deren Aufbau und Funktionsweise am Beispiel des zweiten Antriebsmoduls 18. Das Antriebsmodul 18 weist ein stabiles Trägersegment 20 auf. Der Motor 12 ist fest mit dem Trägersegment 20 verbunden und treibt ein Getriebe 26 an.
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Das Getriebe 26 ist hier als Schneckengetriebe ausgebildet und weist eine Schnecke 27 auf, die mit dem Zahnkranz 28 kämmt. Die Schnecke 27 ist gegenüber dem Trägersegment 20 mittels Lagern 17 drehbar gelagert und überträgt das vom Motor 12 erzeugte Drehmoment auf den Magnetring 22, um diesen um die Achse 16 rotatorisch anzutreiben. Somit fungiert der Magnetring 22 als Schneckenrad und steht mit dem Motor 12 in mechanisch kraftübertragender Verbindung.
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Wie in 3 zu erkennen, sind die einzelnen Antriebsmodule 18 über ihre Trägersegmente 20 miteinander steckverbunden, indem jedes Trägersegment 20 auf seiner in 3 rechten Seite einen Vorsprung aufweist, der in eine komplementäre Aussparung des rechts angrenzenden Trägersegments 20 eingreift, so dass die Zahnkränze 28 rechts und links von verschiedenen Trägersegmenten 20 flankiert sind. Die Steckverbindung erlaubt einerseits einen modulartigen Aufbau und eine feste Ausrichtung der Trägersegmente 20 zueinander. Andererseits dienen die Trägersegmente 20 zur Befestigung an dem Gehäuse 15 der Antriebseinheit 8, mit dem sie z. B. verschraubt oder ebenfalls steckverbunden sein können.
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Die vier Antriebsmodule 18 sind nebeneinander angeordnet und koaxial zueinander ausgerichtet, so dass jeder Magnetring 21, 22, 23 und 24 um die gemeinsame Achse 16 drehen kann. Motoren der vier Antriebsmodule 18 sind einzeln ansteuerbar, so dass die Magnetringe 21, 22, 23 und 24 unabhängig voneinander in Rotation versetzt werden können.
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Rotiert ein Magnetring 21, 22, 23, 24, rotieren die an dem jeweiligen Magnetring befestigten Magneten 25 mit. Als Magnete 25 sind vorzugsweise Permanentmagnete vorgesehen. Alternativ können auch Elektromagnete vorgesehen sein.
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Die vier Räder 31, 32, 33, 34 der Betätigungseinheit 19 des Instruments 30 sind jeweils konzentrisch um die Längsachse 38 des Instruments 30 angeordnet und werden bei einem mit der Antriebseinheit 8 gekoppelten Instrument 30 jeweils von einem Magnetring 21, 22, 23, 24 umgeben. D. h. um das Rad 31 ist der Magnetring 21 konzentrisch angeordnet, um das Rad 32 der Magnetring 22 usw. (vgl. 2 und 4).
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Ein jedes Rad 31, 32, 33, 34 weist am Umfang eine Antriebskraft übertragende Struktur in Form von mehreren ferromagnetischen Körpern 36 auf, die mit den Magneten 25 einen magnetischen Kraftschluss eingehen. Die motorisch angetriebenen Magnetringe 21, 22, 23 und 24 dienen daher einerseits zum lösbaren Koppeln des Instruments 30 mit der Antriebseinheit 8 und andererseits zur Übertragung von Drehmomenten auf ein dem jeweiligen Magnetring 21, 22, 23 und 24 korrespondierendes Rad 31, 32, 33 und 34 der Betätigungseinheit 19 des Instruments 30. D. h. jeder Magnetring 21, 22, 23, 24 steht in magnetisch kraftübertragender Verbindung mit einem korrespondierenden Rad 31, 32, 33, 34.
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6 zeigt die Betätigungseinheit 19 des Instruments 30 im Querschnitt. Je zwei der vier Räder 31, 32, 33, 34 sind jeweils über ein Wälzlager 47 miteinander um die Längsachse 38 drehbar verbunden und nebeneinander im festen Abstand angeordnet. Das linke äußere Rad 31 stützt sich mit einem auf dem Grundelement 46 aufgepressten Lager 47 drehbar am Grundelement 46 ab. Das rechte äußere Rad 34 stützt sich mit einem im Anlageelement 45 eingepressten Lager 47 am Anlageelement 45 ab.
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Bei den zwischen zwei Rädern 31, 32, 33, 34 angeordneten Lagern 47 ist ein Außenring des Lagers 47 in einem der Räder 31, 32, 33, 34 eingepresst und ein Innenring des Lagers 47 auf das andere Rad 31, 32, 33, 34 aufgepresst.
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Die jeweils beidseits der Räder 31, 32, 33, 34 angeordneten Lager 47 sorgen für einen axialen Zusammenhalt der mit den Lagern 47 verbundenen Bauelemente.
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Wie in 6 gezeigt, können die ferromagnetischen Körper 36 in axialer Richtung die Lager 47 überlappen, um die am Umfang eines Rades verfügbare Fläche optimal auszunutzen.
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Das dem linken Rad 31 benachbarte Rad 32 ist drehfest mit einem ersten Schaft 42 verbunden. Die drehfeste Verbindung ist als Feder-Nut-Verbindung mit einer mit dem ersten Schaft 42 verbundenen Feder 55 und einer im Rad 32 eingelassenen Nut 54 ausgebildet und ermöglicht zwischen dem ersten Schaft 42 und dem Rad 32 eine axiale Relativbewegung sowie eine Übertragung eines Drehmoments. Die Feder 55 kann wie hier Bestandteil einer rechten Hülse 52 sein, mit welcher der erste Schaft 42 fest verbunden ist. Anstelle der Feder-Nut-Verbindung könnte z. B. auch eine Keilwellenverbindung gewählt werden.
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Der erste Schaft 42 greift mit einem Außengewinde 56 in ein Innengewinde 53 des mit dem rechten Rad 34 benachbarten Rads 33 ein. Das Außengewinde 56 befindet sich an der fest mit dem ersten Schaft 42 verbundenen Hülse 52.
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Das Außengewinde 56 und das Innengewinde 53 bilden ein Schraubgewinde, das eine Rotationsbewegung des zweiten Rades 33 in eine Translationsbewegung des ersten Schafts 42 entlang der Längsachse 38 wandelt. Die Steigung des Gewindes bestimmt die Gewindeübersetzung und damit den Vorschub je Umdrehung.
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Die Differenz der Längen von Nut 54 und Feder 55 bestimmten die axiale Bewegungsfreiheit des ersten Schafts 42. Alternativ könnten andere Rotations-Translations-Umsetzungsgetriebe gewählt werden wie z. B. ein Kugelgewindetrieb.
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Im Zusammenspiel beider Räder 32, 33 führt der erste Schaft 42 bei Rotation eines der beiden Räder 32, 33 eine Translations- bzw. Axialbewegung entlang der Längsachse 38 und bei gleichzeitiger Rotation beider Räder 32, 33 eine Drehbewegung um die Längsachse 38 aus.
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Das Rad 34 ist fest mit der Schafthülse 44 verbunden, die koaxial zum ersten Schaft 42 angeordnet ist und diesen umgibt. Durch Rotation des dritten Rades 34 wird die Schafthülse 44 angetrieben und dreht sich relativ zum ersten Schaft 42 um die Längsachse 38. Dabei wird der mittels des Schwenkmechanismus 79 mit der Schafthülse 44 verbundene Endeffektor 60 ebenfalls um die Längsachse 38 gedreht.
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Innerhalb des ersten Schafts 42, der hier durchgängig hohl ist, ist ein zweiter Schaft 41 koaxial zu der Längsachse 38 angeordnet. Der zweite Schaft 41 ist mittels eines (Wälz-)Lagers 49 mit dem ersten Schaft 42 drehbar und axialfest verbunden; d. h. eine Relativbewegung zwischen erstem und zweitem Schaft 41, 42 ist nur durch eine Drehbewegung, nicht jedoch durch eine Axialbewegung möglich. Der zweite Schaft 41 kann also relativ zum ersten Schaft 42 um die gemeinsame Längsachse 38 rotieren und wird bei einer Axialbewegung des ersten Schafts 42 von diesem mitgenommen, so dass der zweite Schaft 41 sich in axialer Richtung stets zusammen mit dem ersten Schaft 42 mitbewegt, jedoch unabhängig von diesem drehen kann.
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Der zweite Schaft 41 ist drehfest mit dem Rad 31 verbunden. Die drehfeste Verbindung ist als Feder-Nut-Verbindung mit einer mit dem zweiten Schaft 41 verbundenen Feder 50 und einer im Rad 31 eingelassenen Nut 48 ausgebildet und ermöglicht zwischen dem zweiten Schaft 41 und dem Rad 31 eine axiale Relativbewegung sowie eine Übertragung eines Drehmoments. Sofern der zweite Schaft 41 bei einer Axialbewegung des ersten Schafts 42 von diesem mitgenommen wird, kann der zweite Schaft 41 sich frei im Rad 31 axial bewegen.
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Die Feder 50 kann wie hier Bestandteil einer linken Hülse 51 sein, mit welcher der zweite Schaft 41 fest verbunden ist. Anstelle der Feder-Nut-Verbindung könnte z. B. auch eine Keilwellenverbindung gewählt werden. Die Differenz der Längen von Nut 48 und Feder 50 bestimmt die axiale Bewegungsfreiheit des zweiten Schafts 41. Da sich erster und zweiter Schaft gemeinsam in axialer Richtung bewegen, ist die Differenzlänge von Nut 48 und Feder 50 gleich wie die Differenzlänge von Nut 54 und Feder 55.
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Der am distalen Ende des Instruments 30 befindliche Endeffektor 60 ist über einen Schwenkmechanismus 79 mit der Schafthülse 44 schwenkbar verbunden. Der Schwenkmechanismus 79 umfasst ein proximales Glied 61, das fest mit der Schafthülse 44 verbunden ist. In einer Weiterbildung der Erfindung können das proximale Glied 61 und die Schafthülse 44 einteilig ausgebildet sein.
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An dem proximalen Glied 61 ist ein distales Glied 62 des Schwenkmechanismus 79, das an eine Basis 63 des Endeffektors 60 gekoppelt ist, schwenkbar verbunden.
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Die schwenkbare Verbindung des proximalen und des distalen Glieds 61 und 62 kann eine beliebig ausgebildete Schwenklagerung sein, bei der das proximale Glied 61 als Widerlager des distalen Glieds 62 dient. Wie 7 (mit verdeckte Kanten) und 8 (ohne verdeckte Kanten) zeigen, wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schwenklagerung eine Kulissenführung gewählt, bei der eine Kulisse 72 im proximalen Glied 61 und eine Kulisse 75 im distalen Glied 62 eingelassen ist.
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Eine Kulisse 72, 75 des einen Glieds 61, 62 wirkt mit einem am jeweils anderen Glied 62, 61 befestigten Bolzen 73, 74 zusammen, indem der Verlauf der Kulisse 72, 75 als Führung für den Bolzen 73, 74 dient. Zumindest eine der Kulissen 72, 75 weist einen zur Längsachse 38 des Instruments 30 nichtparallelen Verlauf auf. Der Verlauf ist vorzugsweise linear, kann aber alternativ auch gekrümmt sein.
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Bei einer Relativbewegung des distalen Glieds 62 folgen die in den Kulissen 72, 75 geführten Bolzen 73, 74 dem Verlauf der Kulissen und lassen das distale Glied 62 entsprechend schwenken, wobei sich eine längs durch den Endeffektor 60 erstreckende Endeffektorachse 76 gegenüber der Längsachse 38 des Instruments 30 abwinkelt. Wie in 9 gezeigt, erfolgt die Schwenkbewegung um eine Schwenkachse 78, die normal zur Längsachse 38 verläuft. Der am distalen Glied 62 gekoppelte Endeffektor 60 schwenkt entsprechend mit.
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Der Endeffektor 60 kann in die in 9 gezeigte Richtung oder in eine dieser entgegengesetzten Richtung (wie in 8 gezeigt) schwenken. Die Schwenkbewegung in die eine oder in die entgegengesetzte Richtung erfolgt jeweils um eine Schwenkachse, die normal zu einer Parallele der Längsachse 38 verläuft. In 9 schwenkt der Endeffektor 60 um die Schwenkachse 78, in 8 um eine Schwenkachse (nicht gezeigt), die zu der Schwenkachse 78 beabstandet ist und parallel verläuft.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der Schwenkmechanismus mit nur einer einzigen Kulissenführung realisiert werden, bei der eine Kulisse entweder im proximalen oder im distalen Glied eingelassen ist und mit einem Bolzen des jeweils anderen Glieds zusammenwirkt und der Bolzen einen in Richtung der Kulisse langgestreckten, in die Kulisse drehfest eingreifenden Querschnitt aufweist.
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Der erste Schaft 42 und der zweite Schaft 41 weisen zumindest einen biegbaren Teilbereich auf. Dieser Teilbereich erstreckt sich durch den Schwenkmechanismus 79 und ermöglicht, dass der erste Schaft 42 und der zweite Schaft 41 bei einer Schwenkbewegung des distalen Glieds 62 entsprechend mitschwenken können. Der biegbare Teilbereich ist bei beiden Schäften 41, 42 vorzugsweise elastisch verformbar.
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Wie 9 zeigt, ist das distale Ende des ersten Schafts 42 mit der Basis 63 des Endeffektors 60 fest verbunden. Somit kann die Basis 63 des Endeffektors 60 mittels des ersten Schafts 42 verstellt werden. Wird der erste Schaft 42 rotatorisch angetrieben, dann wird die Basis 63 um die Endeffektorachse 76 relativ zum Schwenkmechanismus 79 verdreht.
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Wird der erste Schaft 42 in axialer Richtung angetrieben, dann wird auch die Basis 63 des Endeffektors 60 in axialer Richtung verstellt, wobei das mit der Basis 63 verbundene distale Glied 62 des Schwenkmechanismus 79 zugleich entlang der Kulisse 72 bzw. 75 verschoben wird und eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse 78 ausführt. D. h. der Endeffektor 60 kann durch eine axiale Verstellung des ersten Schafts 42 geschwenkt werden.
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Wird die Schafthülse 44 rotatorisch angetrieben, dreht sich der Schwenkmechanismus 79 zusammen mit dem Endeffektor 60 um die Längsachse 38.
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Der Endeffektor ist entsprechend des Einsatzzwecks des Instruments 30 (z. B. Industrie- oder Chirurgieanwendung) ausgebildet und umfasst beispielsweise eine Kamera, eine Lichtquelle, eine Schneide, eine Schweißelektrode oder irgendein anderes beliebiges Werkzeug. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Endeffektor 60 als ein Greifwerkzeug ausgebildet und weist zwei Greifer 64 und 65 auf, die mit der Basis 63 um jeweils eine Greiferachse 68 drehbar verbunden sind.
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Die Basis 63 ist mittels eines Lagers 71 mit dem distalen Glied 62 des Schwenkmechanismus 79 um eine durch das distale Glied 62 und die Basis 63 verlaufende Endeffektorachse 76 drehbar verbunden.
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Die Greifer 64 und 65 sind jeweils mit einem Stellkörper 66 verbunden. Die Verbindung ist als Kulissenführung ausgebildet, bei der vorzugsweise jeder Greifer 64 und 65 eine Kulisse 70 und der Stellkörper 66 die korrespondierenden Bolzen 69 aufweist. Alternativ könnte auch eine umgekehrte Anordnung gewählt werden.
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Der Stellkörper 66 ist entlang der Endeffektorachse 76 axial verschieblich gelagert. Die Bewegung des Stellkörpers 66 wird durch den zweiten Schaft 41 angetrieben. Hierzu ist an das distale Ende des Schafts 41 ein Antriebselement 77 angefügt, das mit dem Stellkörper 66 mittels eines Schraubgewindes 67 im Eingriff steht. Das Schraubgewinde 67 wandelt eine Drehbewegung des zweiten Schafts 41 in eine Axialbewegung des Stellkörpers 66 entlang der Endeffektorachse 76.
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Durch eine Verschiebung des Stellkörpers 66 werden die Bolzen 69 längs der Endeffektorachse 76 verstellt und gleiten entlang der durch die Kulissen 70 vorgegebenen Bahn. Dabei drücken die Bolzen 69 seitlich gegen die Kulissen 70, so dass je nach Bewegungsrichtung des Stellkörpers 66 die Greifer 64 und 65 gespreizt oder zusammengedrückt werden. Vorteilhafterweise sind die Kulissen 70 derart geformt, dass die Greifer 64 und 65 zusammengedrückt werden, wenn der Stellkörper 66 von der Basis 63 weg bewegt wird und dass die Greifer 64 und 65 gespreizt werden, wenn der Stellkörper 66 zur Basis 63 hin bewegt wird, damit die von den Bolzen 69 auf die Greifer 64, 65 einwirkenden Kräfte beim Schließen der Greifer 64, 65 in möglichst große Zuspannkräfte umgesetzt werden.
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Die zu einem Greifer 64, 65 zugehörige Kulisse 70 und dessen Greiferachse 68 sind derart angeordnet, dass die Greiferachse 68 außerhalb der Kulisse 70 der Kulissenführung verläuft. Dadurch wird verhindert, dass der in der jeweiligen Kulisse 70 des Greifers 64, 65 geführte Bolzen 69 eine Position einnehmen kann, die mit der Greiferachse 68 des Greifers 64, 65 zusammentrifft. D. h. Greiferachse 68 und Bolzen 69 sind stets voneinander beabstandet, so dass die am Bolzen angreifende Kraft stetig ein Drehmoment um die Greiferachse 68 erzeugt.
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Wie in 9 gezeigt, kann sich die Kulisse 70 neben einer zur Endeffektorachse 76 senkrecht verlaufenden Ebene befinden, in der die Greiferachsen 68 der Greifer 64, 65 verlaufen, ohne diese Ebene zu schneiden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel verläuft die Kulisse 70 zwischen dieser Ebene und einer Klemmzone bzw. der Spitze des jeweiligen Greifers 64, 65, um den vorhandenen Bauraum der Greifer 64, 65 bestens auszunützen.
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Damit an den Greifern 64, 65 beim Zuspannen ein möglichst großes Drehmoment anliegt, müssen die Bolzen 69 im geschlossen Zustand der Greifer 64, 65 eine Position in den Kulissen 70 einnehmen, bei der der Abstand zwischen Bolzen 69 und Greiferachse 68 eines Greifers 64, 65 maximal wird. Zu diesem Zweck sind die Kulissen 70 eines jeden Greifers 64, 65 derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen einem der Greiferachse 68 zugewandten Ende der Kulisse 70 und der Endeffektorachse 76 kleiner ist als der Abstand zwischen einem von der Greiferachse 68 abgewandten Ende der Kulisse 70 und der Endeffektorachse 76. Dann nämlich werden die Greifer 64, 65 zugespannt, wenn die Bolzen 69 weg von den Greiferachsen 68 und hin zur Klemmzone der Greifer 64, 65 bewegt werden.
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Um den Endeffektor 60 neben seiner Kompaktheit auch eine gute Stabilität zu verleihen, ist in dem Stellkörper 66 für jeden Greifer 64, 65 jeweils ein Ausschnitt 80 vorgesehen, wie in 11 gezeigt. Einerseits sind die Bolzen 69 beiderseits des jeweiligen Ausschnitts 80 im Stellkörper 66 gehalten, so dass die Ausschnitte 80 eine Aufnahme für die Bolzen 69 bilden. Andererseits können sich die Greifer 64, 65 im geschlossenen Zustand gegen eine seitliche Anlagefläche des Ausschnitts 80 abstützen. Dadurch lässt sich verhindern, dass die Greifer 64, 65 beim Halten einer schweren Last seitlich wegbiegen. Zudem verhindert diese Aufnahme der Greifer 64, 65 ein Entgleiten der Bolzen 68 aus ihren Kulissen 70.
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Innerhalb des Instruments 30 kann ein durchgängiger Kanal 43 integriert sein, der zum Durchführen von Medien genutzt werden kann, z. B. zum Spülen des Endeffektors 60 oder des vom Endeffektors 60 zu greifenden Objekts oder zum Durchführen von Gas. Der Kanal 43 wird vorzugsweise durch einen Hohlraum im zweiten Schaft 41 gebildet, wie in 6 und 9 gezeigt.
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Das Instrument 30 kann am proximalen Ende ferner einen mit dem zweiten Schaft 41 drehfest verbundenen Griff 37 aufweisen (vgl. 4 und 6). Dieser Griff 37 kann genutzt werden, um das Instrument 30 in die Antriebseinheit 8 einzuführen bzw. zu entnehmen. Durch manuelles Drehen des Griffs 37 kann der zweite Schaft 41 betätigt werden, der - wie oben erläutert -, die Greifer steuert. Dies erlaubt es dem Benutzer, im Falle einer Störung des motorischen Antriebs über die Antriebseinheit 8 die Greifer 64, 65 manuell zu öffnen.
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10 fasst die einzelnen Betätigungsmöglichkeiten tabellarisch zusammen und verdeutlicht nochmals die Wirkweise der Räder 31, 32, 33 und 34, der Schafthülse 44 und der Schäfte 41 und 42 sowie deren Auswirkungen auf die Betätigung des Endeffektors 60. Folgende Betätigungen werden unterschieden: Betätigung der Greifer 64, 65 (siehe 11); Schwenken des Endeffektors 60 um die Schwenkachse 78 (siehe 8 und 9); Rotation des Endeffektors 60 um die Endeffektorachse 76 (siehe 12) und Rotation des Schwenkmechanismus 79 mit dem Endeffektor 60 um die Längsachse 38 (siehe 13). Die zur Durchführung der jeweiligen Betätigung notwendigerweise anzutreibenden Räder sind mit einem „X“ gekennzeichnet. Die durch die angetriebenen Räder bewirkte Bewegung der Schafthülse bzw. der Schäfte sind mit einem „R“ oder mit einem „A“ gekennzeichnet, wobei „R“ eine rotatorische und „A“ eine axiale Bewegung definiert.
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Demnach wird durch alleinige Rotation des vierten Rads 31 der zweite Schaft 41 gedreht. Die Drehrichtung des zweiten Schafts 41 bestimmt, ob der Stellkörper 66 zur Basis 63 hin oder wegbewegt wird und je nachdem ein Spreizen oder ein Zusammendrücken der Greifer 64 und 65 erzwungen wird.
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Durch Rotation des zweiten Rads 33 wird der erste Schaft 42 in axialer Richtung verstellt. Der zweite Schaft 41 wird vom ersten Schaft 42 mitgenommen und somit ebenfalls axial verstellt. Die axiale Verstellung des ersten Schafts 42 bewirkt ein Verschieben der Basis des Endeffektors 60, die sich mit einer Schwenkbewegung des mit der Basis 63 verbundenen distalen Glieds 62 des Schwenkmechanismus 79 um die Schwenkachse 78 überlagert.
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Um den Endeffektor 60 gegenüber dem Schwenkmechanismus 79 um die Endeffektorachse 76 zu verdrehen, wird der erste Schaft 42 durch synchrones Drehen des ersten und des zweiten Rads 32 und 33 in Rotation versetzt. Um dabei eine durch die Drehzahldifferenz zwischen erstem und zweitem Schaft 41, 42 hervorgerufene Stellbewegung des Stellkörpers 66, die eine Betätigung der Greifer 64 und 65 auslösen würde, zu vermeiden, wird auch der zweite Schaft 41 durch Antreiben des vierten Rads 31 synchron mit dem ersten Schaft 42 gedreht.
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Durch Antreiben des dritten Rads 34 wird die Schafthülse 44 und damit der mit ihr verbundene Schwenkmechanismus 79 um die Längsachse 38 rotiert. Um auch den Endeffektor 60 zusammen mit dem Schwenkmechanismus 79 zu rotieren, können alle Räder 31 bis 34 gleichzeitig angetrieben werden, so dass die beiden Schäfte 41 und 42 mit der Schafthülse 44 gemeinsam drehen.
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Die 14 bis 16 zeigen alternative Ausführungsformen des Schwenkmechanismus 79. In der Ausgestaltung der 7 verläuft die Kulisse 72 des proximalen Glieds 61 nicht-parallel bzw. geneigt zur Längsachse 38 des Instruments 30 und die Kulisse 75 des distalen Glieds 62 nicht-parallel bzw. geneigt zur Endeffektorachse 76. Demgegenüber zeigt 14 einen Schwenkmechanismus 79, bei dem eine der Kulissen 72, 75 parallel zu einer der Achsen 38, 76 verläuft; hier also verläuft die Kulisse 75 des distalen Glieds 62 parallel zur Endeffektorachse 76.
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Im Gegensatz zu 7 zeigt 15 einen Schwenkmechanismus 79, bei dem die Bolzen 73 und 74 in einem Glied 62 und die Kulissen 72 und 75 am anderen Glied 61 angeordnet sind. Die beiden Bolzen 73 und 74 stehen bei dieser Variante somit zueinander stets im selben Abstand.
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16 zeigt einen Schwenkmechanismus 79 mit nur einer Kulisse 72 und nur einem Bolzen 73. Da hier der Bolzen 73 breiter ausgeführt ist als in 7, kann sich dieser allein drehfest gegen die Kulisse 72 abstützen. D. h. die zweite Kulissenführung zur Abstützung des Drehmoments des distalen Glieds 62 am proximalen Glied 61 kann somit entfallen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Befestigungselement
- 2
- Gelenk
- 3
- Gelenk
- 4
- Gelenk
- 5
- Armelement
- 6
- Armelement
- 7
- Eingabegerät
- 8
- Antriebseinheit
- 9
- Flansch
- 10
- Roboter
- 11
- Motor
- 12
- Motor
- 13
- Motor
- 14
- Motor
- 15
- Gehäuse
- 16
- Achse
- 17
- Lager
- 18
- Antriebsmodul
- 19
- Betätigungseinheit
- 20
- Trägersegment
- 21
- Erster Magnetring
- 22
- Zweiter Magnetring
- 23
- Dritter Magnetring
- 24
- Vierter Magnetring
- 25
- Magnet
- 26
- (Schnecken-)Getriebe
- 27
- Schnecke
- 28
- Zahnkranz
- 29
- Wälzlager
- 30
- Instrument
- 31
- Viertes Rad
- 32
- Erstes Rad
- 33
- Zweites Rad
- 34
- Drittes Rad
- 35
- (nicht vergeben)
- 36
- Ferromagnetischer Körper
- 37
- Griff
- 38
- Längsachse
- 39
- Anschlag
- 40
- Anschlag
- 41
- Zweiter Schaft
- 42
- Erster Schaft
- 43
- Kanal
- 44
- Schafthülse
- 45
- Anlageelement
- 46
- Grundelement
- 47
- (Wälz-)Lager
- 48
- Nut
- 49
- Lager
- 50
- Feder
- 51
- Hülse
- 52
- Hülse
- 53
- Innengewinde
- 54
- Nut
- 55
- Feder
- 56
- Außengewinde
- 57
- Auswurf
- 58
- Halteelement
- 59
- Barriere
- 60
- Endeffektor
- 61
- Proximales Glied
- 62
- Distales Glied
- 63
- Basis
- 64
- Erster Greifer
- 65
- Zweiter Greifer
- 66
- Stellkörper
- 67
- Schraubgewinde
- 68
- Greiferachse
- 69
- Bolzen
- 70
- Kulisse
- 71
- Lager
- 72
- Kulisse
- 73
- Bolzen
- 74
- Bolzen
- 75
- Kulisse
- 76
- Endeffektor-Achse
- 77
- Antriebselement
- 78
- Schwenkachse
- 79
- Schwenkmechanismus
- 80
- Ausschnitt
