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Die Erfindung betrifft ein Führungssystem insbesondere für Chirurgieroboter.
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In verschiedenen Bereichen der Chirurgie haben sich Chirurgieroboter fest etabliert. Die Einsatzmöglichkeiten von Chirurgierobotern umfassen unter anderem das Platzieren von Pedikelschrauben, navigierte Biopsien in der Neurochirurgie sowie endoskopische Telechirurgie.
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Um auf die sich ständig erweiternden Aufgaben und Einsatzmöglichkeiten in der Roboterchirurgie reagieren zu können, müssen die Robotersysteme flexibel ausgebildet sein.
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Insbesondere ist es erforderlich, dass die Robotersysteme auch intraoperativ ihre Positionen relativ zum Patienten leicht verändern können. Bei bekannten Robotersystemen wird eine Beweglichkeit durch fest installierte Schienen erreicht. Dies ist beispielsweise aus
US 2003/0110974 bekannt. Dabei ist der Roboter entlang der fest installierte Schiene beweglich. Fest installierte Schienen erfordern jedoch erhebliche Umbaumaßnahmen in den Operationssälen, was hohe Kosten nach sich zieht. Auch sind die fest installierten Schienen im Operationssaal immer vorhanden, sodass bei einer Operation (OP), bei welcher kein Chirurgieroboter zum Einsatz kommt, diese für den Chirurgen hinderlich sein können. Alternativ zu fest installierten Schienen lässt sich eine Beweglichkeit der Robotersysteme erreichen, indem jeder Roboter einen eigenen Wagen aufweist. Hierzu sei beispielsweise auf
EP 1 109 497 verwiesen.
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Diese Lösung weist jedoch den Nachteil auf, dass die einzelnen Wagen viel Platz in den oftmals ohnehin beengten Operationssälen einnehmen. Die Bewegung des Personals im OP-Saal sowie der Zugang zum Patienten werden erschwert, wodurch ein beträchtliches ein Gefahrenpotential entsteht. Sowohl durch die auftretenden Behinderungen von Bewegungen und Patientenzugang als auch durch das Erfordernis, dass beim Wechsel von der Roboterchirurgie zur manuellen Chirurgie der Wagen des Robotersystems zunächst vom Operationstisch entfernt werden muss, vergeht in Notfallsituationen mitunter beträchtliche Zeit bis zum Eingreifen eines Chirurgen, was lebensgefährlich für den Patienten werden kann. Auch ist die Möglichkeit zum Einsatz eines zweiten Roboters beschränkt, da auch hierfür wiederum ein erheblicher Platz erforderlich ist. Üblicherweise ist darüber hinaus, wie in der
EP 1 109 497 beschrieben, mit einem Wagen eine fest vergebene Zahl von Roboterarmen verbunden. Hierdurch wird die Variabilität des Robotersystems in erheblichem Maße beschränkt. So ist bei einer Operation, bei welcher nur ein Roboterarm benötigt wird, das gesamte Robotersystem gebunden, wobei weitere Roboterarme untätig verbleiben. Sobald jedoch mehr Roboterarme für eine Operation erforderlich sind als einem Robotersystem vorsteht, müssen bereits zwei Robotersysteme in einem Operationssaal untergebracht werden. Auch entstehen durch das Vorsehen eigener sich autonom bewegender Roboterwagen für jedes Robotersystem erhebliche Mehrkosten. Darüber hinaus müssen die Positionen der einzelnen Roboterwagen aufwendig bestimmt werden, um Kollisionen zwischen den auf dem Wagen montierten Robotern zu vermeiden.
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Für eine flexible Anwendung eines Chirurgieroboters und einer optimalen Auslastung der Robotersysteme ist es erforderlich, portable Roboterarme zu verwenden die im Einsatzfall im Operationssaal positioniert werden können. Übliche portable Robotersysteme werden in der Chirurgie verbunden mit der nach DIN EN ISO 19054 genormten Seitenschiene des OP-Tisches. Hierdurch wird jedoch die Flexibilität des Robotersystems erheblich eingeschränkt. Für eine Änderung der Position des Roboterarms ist ein umständliches manuelles Versetzen auf der Scheine erforderlich. Weiterhin verfügen moderne OP-Tische oft nicht mehr über eine durchgängige Seitenschiene. Vielmehr ist die Tischplatte und damit auch die Seitenschiene in mehrere Segmente unterteilt, was die Positionierbarkeit der Roboterarme einschränkt. Meist wird darüber hinaus Werkzeug zum klemmenden Verbinden des Roboterarms mit der Schiene benötigt. Weiterhin wird die Handhabung erschwert durch die erforderliche sterile Plastikabdeckung des Roboterarms, sowie das den Patienten bedeckende sterile Operationstuch, welches oftmals auch die Seitenschiene bedeckt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Führungssystem zu schaffen für flexible Einsatzmöglichkeiten bei geringen Kosten.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Führungssystem entsprechend Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Führungssystem, insbesondere für Chirurgieroboter, weist eine Führung mit mindestens einer Schiene auf. Mit der Führung und insbesondere der Schiene ist mindestens ein Wagen verbunden, wobei der Wagen entlang der Führung verschiebbar ist. Dabei ist der Wagen mit der Führung beispielsweise über Rollen verbunden, wodurch die Verschiebbarkeit des Wagens entlang der Führung erreicht wird. Alternativ zu Rollen kann die Verschiebbarkeit auch erreicht werden durch ein vorgesehenes Luftkissen, auf dem der Wagen entlang der Führung verschiebbar ist, oder durch Vorsehen eines Gleitlagers wobei der Wagen entlang der Führung durch ein Gleiten verschiebbar ist. Insbesondere erfolgt das Verschieben des Wagens entlang der Führung manuell. Es ist jedoch auch möglich einen Antrieb vorzusehen, durch den der Wagen entlang der Führung bewegbar ist. Bei dem Antrieb kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln oder um einen pneumatischen Antrieb.
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Erfindungsgemäß weist der Wagen eine Aufnahme für mindestens einen Roboterarm auf wobei der Roboterarm lösbar mit der Aufnahme verbindbar ist. Insbesondere wird für das Verbinden des Roboterarms mit der Aufnahme kein Werkzeug benötigt. Bei dem Roboterarm handelt es sich beispielsweise um einen DLR MIRO®-Roboterarm, welcher mit einer Armlänge von ca. 800mm und einem Gewicht von 10kg kompakt und leicht ist. Hierdurch kann der Roboterarm in unmittelbarer Nähe des Operationsfeldes positioniert werden, ohne, dass der Bewegungsraum des OP-Personals übermäßig eingeschränkt wird. Da die geringe Baugröße zudem den Transport und die Positionierung erleichtert ist der MIRO®-Roboterarm sehr gut für den mobilen Einsatz geeignet, wobei er in den jeweiligen Operationssaal transportiert und dort entsprechend den Anforderungen des chirurgische Eingriffs positioniert wird. Hierdurch können die vorhandenen Roboterarme bestmöglich eingesetzt werden.
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Bevorzugt ist die Führung, besonders bevorzugt die Roboterbasen der Roboterarme, außerhalb einer OP-Tisch Grundfläche anordenbar. Dadurch ist einerseits sichergestellt, dass durch die eingesetzten Roboterarme ein großer Arbeitsbereich abgedeckt werden kann, da eine gute Erreichbarkeit des Patienten gewährleistet ist. Anderseits muss kein besonderer Platz für das Führungssystem unter dem OP-Tisch vorgesehen sein, sodass das Führungssystem sich einfach in das vorhandene Equipment einfügen lässt. Hierdurch werden weitere Kosten gespart.
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Bevorzugt ist die Führung U-förmig ausgebildet. Somit kann der Wagen mit dem Roboterarm auf drei Seiten am OP-Tisch positioniert werden. Hierbei ist insbesondere das offene Ende des Führungssystems am Kopfende des OP-Tisches vorgesehen, da hier üblicherweise die Anästhesie mit dem Anästhesie-Personal angeordnet ist. Ein barrierefreier Zugang des Anästhesie-Personals zum Patienten ist somit gewährleistet.
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Insbesondere weist die Führung eine geringe Höhe auf, von weniger als 1m, bevorzugt jedoch weniger als 75cm und besonders bevorzugt weniger als 50cm. Somit ist es dem OP-Personal problemlos möglich über das Führungssystem Zugriff auf den Patienten zu erhalten. In Notfallsituationen muss das Führungssystem nicht erst entfernt werden bevor der Chirurg oder das OP-Personal rettend eingreifen kann.
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Insbesondere weist das Führungssystem ein mit der Führung verbundenes Transportsystem auf. Hierdurch ist das Führungssystem verschiebbar. Bevorzugt weist das Transportsystem Rollen auf. Alternativ hierzu ist es möglich, das Transportsystem auf einem Luftkissen oder einem Gleitbelag zu verschieben. Insbesondere wenn das Führungssystem U-förmig ausbildet ist, wird das Führungssystem mit dem offenen Ende voran an den OP-Tisch heran geschoben, sodass das Führungssystem, wie oben beschrieben, den OP-Tisch von drei Seiten umgibt. Dabei ist das Führungssystem insbesondere manuell verschiebbar. Es ist jedoch auch möglich einen Antrieb vorzusehen, welcher beispielsweise einen Elektromotor aufweist.
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Insbesondere ist mit der Führung ein Fixiersystem verbunden, durch welches das Führungssystem an einer Position im Raum und insbesondere im OP-Saal fixierbar ist. Insbesondere weist hierzu das Fixiersystem Maschinenfüße auf. Sobald das Führungssystem am vorgesehenen Ort in der vorgesehenen Position ist, wird es in dieser Position durch das Fixiersystem fixiert.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Führungssystem sowohl ein Transportsystem als auch ein Fixiersystem aufweist. Insbesondere ist das Transportsystem und/ oder das Fixiersystem absenkbar. Ist das Transportsystem absenkbar, so lässt sich das Führungssystem bei abgesenktem Transportsystem verschieben. Ist hingegen das Fixiersystem absenkbar, so wird das Führungssystem in der vorgegebenen Position durch das Absenken des Fixiersystems fixiert. Das Absenken des Transportsystems und/ oder des Fixiersystems erfolgt insbesondere pneumatisch. Alternativ hierzu wäre eine hydraulische Absenkung oder eine Absenkung durch einen vorgesehenen Elektromotor oder eine manuelle Absenkung möglich. Bevorzugt ist jedoch ein pneumatisches Absenken, da die Bedienung für das OP-Personal komfortabel ist, üblicherweise in den OP-Sälen Druckluft zur Verfügung steht oder bei Ausfall einer zentralen Druckluftversorgung mittels eines geeigneten Pumpmechanismus leicht erzeugt werden kann und im Gegensatz zur Hydraulik ein unproblematischeres Leckageverhalten vorliegt. Zudem funktioniert das pneumatische Absenken im Gegensatz zum Absenken per Elektromotor auch bei einem Stromausfall. Bevorzugt ist aus Sicherheitsgründen nur das Transportsystem absenkbar auszugestalten, sodass bei Ausfall der insbesondere pneumatisch angetriebenen Absenkung des Transportsystems, das Führungssystem weiterhin an seiner Position fixiert ist und so eine ungewollte Beweglichkeit des Transportsystems während einer Operation verhindert wird.
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Bevorzugt lässt sich das Absenken des Transportsystems und/oder des Fixiersystems zentral steuern, sodass in einer Notfallsituation eine schnelle Änderung des Transportsystems und/oder des Fixiersystems erreicht werden kann.
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Bevorzugt weist die Führung zwei Schienen auf. Diese verlaufen insbesondere parallel übereinander. Hierdurch können höhere Momentlasten vom Wagen auf die Führung übertragen werden.
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Insbesondere sind mehr als ein Wagen vorgesehen, wobei mit jedem Wagen mindestens jeweils ein Roboterarm verbindbar ist. Bevorzugt sind die Wagen unabhängig voneinander bewegbar. Somit ist es möglich, mehr als einen Roboterarm vorzusehen, wobei die einzelnen Roboterarme unabhängig voneinander bewegbar sind. Ist die Führung insbesondere U-förmig ausgebildet, so lassen sich durch Vorsehen von mehr als einem Wagen Roboterarme von drei unterschiedlichen Seiten an den Patienten heranführen. Hierdurch vergrößern sich die Einsatzfläche und die Variabilität der Roboterarme erheblich. Weiterhin ist es durch die insbesonders U-förmig ausgebildete Führung möglich während der Operation einen oder mehrere Wagen von einer Seite des OP-Tisches auf die andere zu bewegen.
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Insbesondere weist mindestens ein Wagen eine Höhenverstellung zur Veränderung der Höhe der Aufnahme auf. Hierdurch kann die Höhe der Roboterarme verändert werden, sodass die Höhe des Roboters an die Höhe des OP-Tisches angepasst werden kann und insbesondere bei adipösen Patienten eine gute Erreichbarkeit des Operationsgebietes gewährleistet ist. Vorzugsweise weist jeder Wagen eine Höhenverstellung auf.
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Insbesondere ist ein Bremsmechanismus zur Fixierung des mindestens einen Wagens in jeglicher Position entlang der Führung vorgesehen. Hierbei ist bevorzugt, dass der Bremsmechanismus an mindestens einem Wagen angeordnet ist. Der Wagen ist hierdurch verschiebbar, solange der Bremsmechanismus in einer Offenstellung ist. Wird der Bremsmechanismus in eine Geschlossenstellung gebracht, wird die Verschiebbarkeit des Wagens unterbunden und der Wagen an der vorgesehenen Position der Führung insbesondere durch Kraftschluss fixiert. Die hierzu benötigte Kraft kann insbesondere mechanisch aber auch elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, magnetisch oder dergleichen erzeugt werden. Auch eine Kombination aus den bekannten Bremsmechanismen ist möglich. Alternative Funktionsweisen wie z.B. ein Formschluss an Stelle des Kraftschlusses sind ebenfalls möglich.
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Vorzugsweise ist der Bremsmechanismus vorgespannt in Richtung einer Geschlossenstellung. Hierdurch muss der Bremsmechanismus entgegen der Vorspannung geöffnet werden, um den Wagen zu verschieben. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Wagen nur dann verschoben wird, wenn dies beabsichtigt ist, da ein aktives Eingreifen des OP-Personals erforderlich ist.
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Insbesondere ist ein Positionsmesssystem zur Bestimmung der Höhe der Aufnahme und/ oder zur Bestimmung der Position von mindestens einem Wagen entlang der Führung vorgesehen. Durch die Bestimmung der Höhe der Aufnahme lässt sich die Position der Roboterbasis ermitteln und somit in den nachfolgenden Bewegungen des Roboterarms mitberücksichtigen. Durch die Bestimmung der Position von mindestens einem Wagen wird die Position des mindestens einen Wagens relativ zum Patienten ermittelt. Sind mehrere Wagen entlang einer Führung vorgesehen, so lässt sich durch die Bestimmung der Position der jeweiligen Wagen eine Kollision der an den Wagen befestigten Roboterarme verhindern. Insbesondere falls das Verschieben der Wagen durch einen Antrieb erfolgt, ist es durch das Positionsmesssystem möglich, sowohl eine Kollision der Wagen zu verhindern als auch einzelne Wagen zu einer vorher festgelegten Position präzise zu verfahren.
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Bevorzugt weist das Positionsmesssytem zur Bestimmung der Position von mindestens einem Wagen entlang der Führung einen Zahnriemen oder eine in die Führung integrierte Verzahnung auf, die entlang der Führung verlaufen. Weiter ist ein Zahnrad an mindestens einem Wagen vorgesehen, welches in den Zahnriemen eingreift und mit einem Drehencoder verbunden ist. Bei einer Bewegung des Wagens wird dessen translatorische Bewegung in eine rotatorische Bewegung des Zahnrads umgewandelt, durch Abwälzen des Zahnrads entlang des Zahnriemens. Die rotatorische Bewegung des Zahnrads wird von dem Drehencoder in eine auslesbare Positionsinformation umgewandelt.
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Insbesondere weist das Positionsmesssystem zur Bestimmung der Position von mindestens einem Wagen einen Federmechanismus auf, wodurch das vorgesehene Zahnrad in Richtung des Zahnriemens vorgespannt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Zahnrad in jeder Position in den Zahnriemen eingreift, wodurch eine exakte Positionsinformation erlangt werden kann. Dies ist insbesondere erforderlich falls wie bevorzugt die Führung Krümmungen aufweist.
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Weiter weist das Führungssystem ein Griffelement zum Verschieben des Führungssystems auf. Dieses Griffelement ist zur besseren Handhabbarkeit mit einer Höhenverstellung und/ oder einer Neigungsverstellung ausgestattet. Weiter ist insbesondere mit dem Griffelement ein Steuerungselement verbunden zur zentralen Steuerung des Absenkens des Transportsystems und/oder des Fixiersystems.
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Bevorzugt ist die Führung mehrteilig ausgebildet und besonders bevorzugt sind die Teile der Führung durch Gelenke miteinander verbunden. Somit wird der Stauraum für das Führungssystem reduziert, wodurch ein platzsparendes Verstauen möglich wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Führungssystems,
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2 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Führungssystems aus 1 und
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3 eine Detailansicht des Wagens des erfindungsgemäßen Führungssystems.
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Das erfindungsgemäße Führungssystem, insbesondere für Chirurgieroboter, weist eine Führung 10 auf. An der Führung 10 angeordnet sind zwei Schienen 12, die entlang der Führung verlaufen. Mit der Führung 10 ist ein Wagen 14 verbunden, der entlang der Führung 10 auf den Schienen 12 verschiebbar ist. Der Wagen 14 weist eine Aufnehmung 16 auf, mit welcher ein Roboterarm 18 verbunden ist. Hierbei ist der Roboterarm 18 lösbar mit der Aufnehmung 16 des Wagens 14 verbunden. Weiter weist der Wagen 14 eine Höhenverstellung 20 auf, wodurch die Aufnahme 16 und entsprechend der Roboterarm 18 in seiner Höhe verändert werden kann.
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Mit der Führung 10 ist ein Fixiersystem 22 verbunden, welches Maschinenfüße aufweist. Ebenso ist mit der Führung 10 ein Transportsystem 24 verbunden, welches Rollen aufweist. Im dargestellten Beispiel ist das Transportsystem 24 absenkbar. Dabei erfolgt das Absenken des Transportsystems 24 pneumatisch. Durch das Absenken des Transportsystems 24 wird das Führungssystem angehoben, sodass das Fixiersystem 22 und insbesondere die Maschinenfüße keinen Kontakt mehr zum Boden haben. In Folge dessen, ist das Führungssystem frei positionierbar. Das Absenken des Transportsystems 24 wird dabei über eine Steuerungsvorrichtung 26 zentral gesteuert. Die Steuerungsvorrichtung 26 ist für das OP-Personal gut zugänglich an einem Griffelement 28 angeordnet. Über das Griffelement 28 lässt sich das Führungssystem bei abgesenktem Transportsystem 24 leicht bewegen. Sobald das Führungssystem in der gewünschten Position angeordnet ist, wird die Absenkung des Transportsystems 24 aufgehoben, wodurch die Maschinenfüße des Fixiersystems 24 wieder Bodenkontakt erhalten. In Folge dessen, ist das Führungssystem in seiner Position fixiert. Ein Verschieben des Führungssystems ist nicht mehr möglich.
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Insbesondere ist die Führung 10 U-förmig ausgebildet, wie in 2 dargestellt. Vorzugsweise wird das Führungssystem um einen Operationstisch 30 angeordnet. Dabei weist das offene Ende der Führung 10 in Richtung des Kopfendes des OP-Tisches 30. Der Wagen 14 kann dabei entlang der Führung 10 an drei Seiten des Operationstisches 30 positioniert werden. Hierdurch erhält der mit dem Wagen 14 verbundene Roboterarm guten Zugriff auf den Patienten.
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Mit dem Wagen 14 ist in der dargestellten Ausführungsform lediglich ein Roboterarm verbunden. Alternativ hierzu können auch mehrere Roboterarme mit einem Wagen verbunden werden.
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Insbesondere ist es möglich, wie in 2 gezeigt, mehr als einen Wagen vorzusehen. So ist ein zweiter Wagen 32 vorgesehen, welcher identisch ausgebildet sein kann wie der Wagen 14. Jedoch sind auch andere Ausbildungen des zweiten Wagens 32 denkbar. Durch das Vorsehen eines zweiten Wagens 32 kann ein zweiter Roboterarm 34 vorgesehen werden.
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Das Verschieben des Wagens 14 entlang der Führung 10 erfolgt manuell. Hierzu sind Rollen 38 vorgesehen, welche in die Schienen 12 eingreifen. Alternativ zur manuellen Bewegung ist auch eine elektrische Bewegung denkbar, bei der mindestens eine Rolle 38 einen elektrischen Antrieb aufweist. Befindet sich der Wagen 14 in der gewünschten Position, lässt sich dieser in der gewünschten Position durch einen Bremsmechanismus 40 fixieren. In einer Geschlossenstellung des Bremsmechanismus 40 wird der Wagen 14 in seiner Position an der Führung, insbesondere klemmend fixiert. Alternative Bremsmechanismen sind ebenfalls möglich, sodass der Wagen 14 beispielsweise durch Formschluss oder magnetisch in seiner Position fixiert wird. Dabei ist der Bremsmechanismus 40 durch eine Feder 42 in Richtung der Geschlossenstellung vorgespannt. Der Hebel 44 muss vom OP-Personal aktiv in eine Offenstellung gelegt werden, damit der Wagen 14 entlang der Führung 10 verschoben werden kann. Wird der Hebel 44 losgelassen, bewegt sich dieser zurück in eine Geschlossenstellung, sodass der Wagen 14 in seiner Position an der Führung 10 fixiert wird.
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Weiter weist der Wagen ein Positionsmesssystem auf. Hierzu weist die Führung 10 einen Zahnriemen 46 (1) auf. In den Zahnriemen 46 greift ein Zahnrad 48, welches am Wagen 14 angeordnet ist, ein. Wird der Wagen 14 entlang der Führung 10 bewegt, wird das Zahnrad 48 auf dem Zahnriemen 46 abgewälzt. Hierdurch wandelt sich die translatorische Bewegung des Wagens 14 in eine rotatorische Bewegung des Zahnrads 48 um. Die rotatorische Bewegung des Zahnrads 48 wird über eine Achse 50 auf einen Drehencoder (nicht dargestellt) übertragen, welcher die Drehbewegung des Zahnrads 48 in eine Positionsinformation umwandelt. Diese Positionsinformation kann nachfolgend ausgelesen werden. Damit eine exakte Positionsbestimmung durch das Positionsmesssystem erreicht werden kann, muss sichergestellt werden, dass das Zahnrad 48 in den Zahnriemen 46 eingreift. Hierzu ist das Zahnrad 48 in Richtung des Pfeils 52 vorgespannt. Insbesondere in den gekrümmten Bereichen der U-förmigen Führung 10 wird so sichergestellt, dass das Zahnrad 48 in den Zahnriemen 46 eingreift. Einer Verfälschung der Positionsmessung wird hierdurch entgegengewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0110974 [0004]
- EP 1109497 [0004, 0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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