DE102016213789A1

DE102016213789A1 - Stativvorrichtung

Info

Publication number: DE102016213789A1
Application number: DE102016213789.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Ernsperger
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die Stativvorrichtung (10) zur Aufnahme eines Operationsmikroskops umfasst ein erstes Stativelement (11) und ein zweites Stativelement (12). Das erste Stativelement (11) und das zweite Stativelement (12) sind durch ein Drehgelenk (13) mit einer Drehachse (14) drehbeweglich verbunden. Ein Kabelstrang (30) ist von dem ersten Stativelement (11) zu dem zweiten Stativelement (12) geführt, wobei durch den Kabelstrang (30) ein Kabeltorsionsmoment um die Drehachse (14) zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) bewirkbar ist. An dem ersten Stativelement (11) ist eine Antriebsvorrichtung (20) angeordnet, die kraftschlüssig mit dem Drehgelenk verbunden ist. Ein Winkelgeber (23) ist dazu eingerichtet, die Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) zu erfassen. Die Stativvorrichtung (10) umfasst eine Steuerungseinrichtung (40), die mit dem Winkelgeber (23) und der Antriebsvorrichtung (20) verbunden ist. Eine Speichereinrichtung (41) ist mit der Steuerungseinrichtung (40) verbunden, wobei die Speichereinrichtung (41) dazu eingerichtet ist, Informationen über die durch den Kabelstrang bewirkten Kabeltorsionsmomente für verschiedene Winkelpositionen bereitzustellen. Die Steuerungseinrichtung (40) ist dazu ausgebildet, dass das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung (20) abhängig von der durch den Winkelgeber (23) erfassten Winkelposition und der für diese Winkelposition bereitgestellten Information über das Kabeltorsionsmoment einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stativvorrichtung zur Aufnahme eines Operationsmikroskops und umfasst ein erstes Stativelement und ein zweites Stativelement, wobei das erste Stativelement und das zweite Stativelement durch ein Drehgelenk mit einer Drehachse drehbeweglich verbunden sind. Ein Kabelstrang ist von dem ersten Stativelement zu dem zweiten Stativelement geführt, wobei durch den Kabelstrang ein Kabeltorsionsmoment um die Drehachse zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement bewirkbar ist.
Eine Stativvorrichtung ist eine Haltevorrichtung, die ein Operationsmikroskop ortsfest an einer bestimmten Position halten kann. Durch die Verbindung zweier Stativelemente durch ein Gelenk kann ein Anwender die relative Winkelstellung der beiden Stativelemente zueinander verändern und so die Ausrichtung des Operationsmikroskops an ein zu beobachtendes Objekt anpassen.
Über diese Gelenkverbindungen können ein oder mehrere Kabelstränge geführt sein. Ein Kabelstrang umfasst ein oder mehrere Kabel. Ein Kabel kann eine oder mehrere Kabel-Adern aufweisen. Diese Kabel können Energieleitungen zur Stromversorgung, beispielsweise von Antriebsvorrichtungen, Bremsen, Beleuchtungen oder elektrischen Schaltungen sein. Weitere Kabel können Signal- oder Datenkabel von Sensoren, Winkelgebern, Bedienelementen, Kameras, Bildgebungssystemen oder Bus-Leitungen sein. Ein oder mehrere Kabel können eine zusätzliche Abschirmung aufweisen. Ein Kabelstrang kann auch Glasfasern, Multimode- oder Singlemodefasern zur Lichtleitung oder Informationsübertragung von Messsystemen aufweisen. Ein Kabelstrang kann auch Leerrohre für Erweiterungen umfassen. Zudem können Schläuche zum Transport von Fluiden, Druckluft oder zum Absaugen von Luft vorhanden sein. Die Kabel des Kabelstrangs können in Gruppen durch Kabelbinder oder spezielle Hüllschläuche verbunden sein.
Bei einer Drehung der Stativelemente werden die Kabel entweder in sich selber oder relativ zueinander verdreht, gezogen oder gestaucht. Dabei entstehen relativ große Zug-, Druck- und/oder Torsionskräfte in dem Kabelstrang. Diese Kräfte bewirken ein Drehmoment um die Drehachse, die einer Drehbewegung der beiden Stativelemente um die Drehachse entgegenwirken. Diese Drehmomente werden in diesem Dokument als Kabeltorsionsmomente bezeichnet.
Abhängig von der Ausstattungsvariante des Gesamtsystems, umfassend Stativvorrichtung und Operationsmikroskop, kann der Kabelstrang dicker oder dünner ausgebildet sein. Abhängig von der Fertigung des Kabelstrangs können einzelne Kabel fester oder lockerer miteinander verbunden sein. Es hat beispielsweise Auswirkungen auf die Kabeltorsionsmomente, wenn die Kabel durch Kabelbinder aneinander gebunden sind.
Je nach Drehwinkel der beiden Stativelemente zueinander können diese Kabeltorsionsmomente auf eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Stativelementen hemmend oder beschleunigend wirken. Die sehr unterschiedlichen Kabeltorsionsmomente erschweren die Positionierung des Operationsmikroskops durch einen Anwender.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Stativvorrichtung für ein Operationsmikroskop bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird durch eine Stativvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und das in Anspruch 8 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß umfasst die Stativvorrichtung eine Antriebsvorrichtung, die an dem ersten Stativelement angeordnet ist und kraftschlüssig mit dem Drehgelenk verbunden ist, und einen Winkelgeber, der dazu eingerichtet ist, die Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement zu erfassen. Die Stativvorrichtung umfasst eine Steuerungseinrichtung, die mit dem Winkelgeber und der Antriebsvorrichtung verbunden ist. Eine Speichereinrichtung ist mit der Steuerungseinrichtung verbunden, wobei die Speichereinrichtung dazu eingerichtet ist, Informationen über die durch den Kabelstrang bewirkten Kabeltorsionsmomente für verschiedene Winkelpositionen bereitzustellen. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, dass das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung abhängig von der durch den Winkelgeber erfassten Winkelposition und der für diese Winkelposition bereitgestellten Information über das Kabeltorsionsmoment einstellbar ist.
Die Kabeltorsionsmomente, die für verschiedene Winkelstellungen der beiden durch das Drehgelenk verbunden Stativelemente ermittelt worden sind, beispielsweise bei der Montage oder Inbetriebnahme der Stativvorrichtung, sind in der Speichereinrichtung gespeichert. Diese Informationen über die Kabeltorsionsmomente werden für den Betrieb der Stativvorrichtung bereitgestellt.
Die Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement wird durch den Winkelgeber erfasst. Die Steuerungseinrichtung, die mit dem Winkelgeber und der Speichereinrichtung verbunden ist, kann somit für jede gemessene Winkelposition aus der Speichereinrichtung das dazu korrespondierende Kabeltorsionsmoment auslesen.
Die Steuerungseinrichtung ist mit der Antriebsvorrichtung verbunden. Die Antriebsvorrichtung, die kraftschlüssig mit dem Drehgelenk gekoppelt ist, kann ein Drehmoment zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement bewirken.
Der Kabelstrang bewirkt ein von der Winkelposition abhängiges Kabeltorsionsmoment zwischen den beiden Stativelementen. Dieses Kabeltorsionsmoment kann beispielsweise in einer Ruheposition Null betragen. Bei einer Veränderung der Winkelposition aus dieser Ruheposition heraus in eine erste Drehrichtung, bewirkt das Kabeltorsionsmoment eine Rückstellkraft entgegen dem von dem Anwender aufgebrachten Drehmoment, um eine Winkelposition einzustellen. Bei einer Bewegung des Drehgelenks in eine zweite, entgegengesetzte Drehrichtung in Richtung der Ruheposition unterstützt das Kabeltorsionsmoment zunächst diese Drehbewegung bis zur Ruheposition. Nach dem Nulldurchgang durch die Ruheposition bewirkt das Kabeltorsionsmoment wieder ein Rückstellmoment, das dem von dem Anwender aufgebrachten Drehmoment in dieser zweiten Drehrichtung entgegenwirkt. Die durch einen Anwender aufzubringenden Drehmomente sind daher ohne eine erfindungsgemäße Kompensation der Kabeltorsionsmomente, abhängig von der Winkelposition, sehr unterschiedlich.
Die Steuerungseinrichtung kann das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung abhängig von der durch den Winkelgeber erfassten Winkelposition und der für diese Winkelposition bereitgestellten Information über das Kabeltorsionsmoment einstellen. Das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung wirkt in jeder Winkelstellung dem Kabeltorsionsmoment betrags- und drehrichtungsbezogen entgegen, so dass das Kabeltorsionsmoment vollständig kompensiert wird. Bei einer Drehbewegung der Drehgelenkes von einem ersten Endanschlag zu einem zweiten Endanschlag kann die Antriebsvorrichtung ein Drehmoment erzeugen, dass zuerst in eine erste Drehrichtung wirkt, dann betragsmäßig abnimmt, bis ein Drehwinkel erreicht ist, an der das Kabeltorsionsmoment Null beträgt und schließlich in entgegengesetzter Richtung wirkt und betragsmäßig bis zum zweiten Endanschlag wieder ansteigt. Die durch einen Anwender aufzubringenden Drehmomente sind daher an jeder Winkelposition nahezu identisch. Der Anwender braucht lediglich ein sehr geringes Drehmoment aufzubringen, um beispielsweise Reibmomente zu überwinden. Damit ist eine sehr leichtgängige Drehbewegung des Drehgelenkes möglich.
Bereits beim Einschalten der Antriebsvorrichtung kann in der Steuerungseinrichtung durch Erfassen der Daten der absoluten Winkelposition und unter Verwendung der in der Speichereinrichtung abgespeicherten Information über das Kabeltorsionsmoment das bereitzustellende Drehmoment für die Antriebsvorrichtung eingestellt werden, um eine Kompensation der Kabeltorsionsmomente zu bewirken.
Vorteilhaft ist somit keine Regelung notwendig, da die Antriebsvorrichtung ausschließlich ein Drehmoment bereitstellen braucht, dass das Kabeltorsionsmoment kompensiert. Die Einstellung des Antriebsmoments erfolgt ausschließlich unter Berücksichtigung der absoluten Winkelposition des Drehgelenks und der dazu aus der Speichereinrichtung ermittelten Kabeltorsionsmomente. Dazu ist eine Steuerung ausreichend. Eine Positionsregelung durch eine Regeleinrichtung ist nicht erforderlich. Eine beliebige Winkelposition ist durch einen Anwender mit sehr geringem Kraftaufwand einstellbar. Eine eingestellte Winkelposition zwischen den beiden Stativelementen bleibt so lange erhalten, bis ein von einem Anwender aufgebrachtes Drehmoment auf das Drehgelenk wirkt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Stativvorrichtung eine Feststellvorrichtung, durch die eine Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement fixierbar ist.
Eine Feststellvorrichtung hat den Vorteil, dass eine Winkelposition, auch im ausgeschalteten Zustand der Antriebsvorrichtung, fixiert werden kann. Wenn die beiden Stativelemente in einer Winkelstellung fixiert sind, kann die Antriebsvorrichtung heruntergeregelt oder abgeschaltet werden kann. Vorteilhaft wird dadurch die Antriebsvorrichtung entlastet, da durch die Feststellvorrichtung die notwendige Haltekraft aufgebracht wird. Vorteile sind eine geringere Erwärmung der Antriebsvorrichtung, sowie Energieeinsparung.
Beim Öffnen der Feststellvorrichtung wird die Fixierung der Winkelstellung aufgehoben, so dass die Kabeltorsionsmomente sofort auf das Drehgelenk wirken. Aus diesem Grund wird bereits vor dem Öffnen der Feststellvorrichtung ein Antriebsmoment bereitgestellt, das die Kabeltorsionsmomente für diese Winkelposition kompensiert. Der Steuerungseinrichtung wird durch den Winkelgeber bereits vor dem Öffnen der Feststellvorrichtung die absolute Winkelposition des Drehgelenks übermittelt. Abhängig von dieser Winkelposition wird aus der Speichereinrichtung das dazugehörige Kabeltorsionsmoment ausgelesen. Die Antriebsvorrichtung wird derart angesteuert, dass diese beim Öffnen der Feststellvorrichtung ein Antriebsmoment bewirkt, das betrags- und richtungsmäßig dem zu diesem Zeitpunkt auf das Drehgelenkt wirkende Kabeltorsionsmoment entgegenwirkt. Auf diese Weise heben sich das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung und das Kabeltorsionsmoment gegenseitig auf, so dass ein Kräftegleichgewicht herrscht. Dadurch können ruckartige Drehbewegungen zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement beim Öffnen der Feststellvorrichtung zuverlässig vermieden werden. Beim Schließen der Feststellvorrichtung wird das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung erst dann abgeschaltet, wenn das Drehgelenk in einer festen Winkelposition fixiert ist. Das Öffnen oder Schließen der Feststellvorrichtung hat für den Anwender beim Durchblick durch das Operationsmikroskop somit keine unangenehmen Folgen und ist optisch, auch bei großen Vergrößerungseinstellungen, kaum wahrnehmbar. Eine Feststellvorrichtung kann beispielsweise ein Klemmhebel, eine Sperrklinke oder eine Bremse sein. Die Feststellvorrichtung kann an der Antriebsvorrichtung oder am Drehgelenk angeordnet sein.
In einer Ausgestaltung ist weist die Antriebsvorrichtung eine Bremseneinrichtung auf.
Eine Bremseneinrichtung ist eine Feststellvorrichtung. Die Bremseneinrichtung kann auf die Antriebswelle der Antriebsvorrichtung wirken. Die Bremseneinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass diese bei einer Aktivierung öffnet und die Antriebswelle oder das Drehgelenk freigibt und im ausgeschalteten Zustand eine Bremskraft bewirkt. Damit kann, insbesondere wenn die Steuerungseinrichtung und/oder die Antriebsvorrichtung abgeschaltet ist, das Drehgelenk in einer Winkelposition fixiert werden. Dabei werden das erste Stativelement und das zweite Stativelement in einer festen relativen Winkelposition zueinander fixiert, ohne dass ein Antriebsmoment durch die Antriebsvorrichtung erzeugt werden muss. Die Vorteile sind eine geringere Erwärmung des Antriebsvorrichtung, sowie Energieeinsparung. Bei einem Transport der Stativvorrichtung wird zuverlässig verhindert, dass eine ungewollte Drehbewegung zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement stattfindet.
Das Öffnen oder Schließen der Bremseneinrichtung kann ähnliche Auswirkungen auf die auf das Drehgelenk wirkenden Drehmomente haben wie das oben beschriebene Öffnen oder Schließen einer Feststellvorrichtung.
Beim Öffnen der Bremseneinrichtung wird die Fixierung der Winkelstellung aufgehoben, so dass die Kabeltorsionsmomente sofort auf das Drehgelenk wirken. Aus diesem Grund wird bereits vor dem Öffnen der Bremseneinrichtung ein Antriebsmoment bereitgestellt, das die Kabeltorsionsmomente für diese Winkelposition kompensiert. Beim Schließen der Bremseneinrichtung wird das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung erst dann abgeschaltet, wenn die Bremseneinrichtung die Antriebswelle der Antriebseinrichtung fixiert. Dadurch können ruckartige Drehbewegungen zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement beim Öffnen oder Schließen der Bremseneinrichtung zuverlässig vermieden werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Antriebsvorrichtung ein Getriebe mit einem Übersetzungsverhältnis i auf, wobei für das Übersetzungsverhältnis i = n_an:n_ab des Getriebes gilt: i ≥ 5:1, bevorzugt i ≥ 8:1, besonders bevorzugt i ≥ 10:1, wobei gilt:

n_an:: Umdrehungen der Antriebswelle der Antriebsvorrichtung
n_ab:: Umdrehungen des Drehgelenks um die Drehachse

Das Getriebe bewirkt eine Drehzahluntersetzung. Bei einer Getriebeübersetzung von i = 5:1 führt die Antriebswelle fünf Umdrehungen aus, wenn das Drehgelenk genau eine Umdrehung um die Drehachse ausführt. In Bezug auf das Drehmoment der Antriebsvorrichtung bewirkt das Getriebe damit eine Drehmomenterhöhung im umgekehrten Verhältnis der Getriebeübersetzung, bei Vernachlässigung von Verlusten. In diesem Beispiel kann am Drehgelenk das fünffache Drehmoment der Antriebswelle der Antriebsvorrichtung anliegen. Vorteilhaft kann dadurch die Antriebsvorrichtung kleiner ausgebildet werden. Durch die kleinere Ausführung der Antriebsvorrichtung kann die Stativvorrichtung kompakter gebaut werden. Zusätzlich kann eine Leistungselektronik der Steuerungseinrichtung kleiner und damit kostengünstiger ausgeführt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuerungseinrichtung eine Strommesseinrichtung zur Erfassung eines Motorstroms der Antriebsvorrichtung auf.
Die Antriebsvorrichtung umfasst einen Elektromotor, beispielsweise einen Servomotor mit einer Antriebswelle. Das Drehmoment des Elektromotors ist proportional zu dem Antriebsmoment. Deshalb kann mit einer Strommesseinrichtung vorteilhaft das tatsächliche Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung gemessen werden. In der Steuerungseinrichtung, werden die durch die Strommesseinrichtung erfassten Daten des Motorstroms, bezogen auf eine Winkelposition, ermittelt. Sind alle Drehmomente, die auf die Antriebswelle wirken, bekannt, können vorteilhafte die Kabeltorsionsmomente aus den Daten der Strommesseinrichtung ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Stativvorrichtung einen Momentensensor zur Erfassung des Drehmoments des Drehgelenks, wobei der Momentensensor mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist.
Die Anordnung eines Momentensensors am Drehgelenk kann die Torsionsmomente am Drehgelenk erfassen. Bei der Inbetriebnahme der Stativeinrichtung können die Kabeltorsionsmomente ermittelt und in der der Speichereinrichtung gespeichert werden. Diese Informationen stehen während der Verwendung der Stativvorrichtung zur Verfügung, so dass während die der Verwendung auftretenden zusätzlichen Torsionsmomente erkannt werden können. Vorteilhaft können durch einen Momentensensor zusätzlich auch Reibmomente erfasst werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung schließt die Drehachse und ein Gravitationskraft-Vektor einen Winkel kleiner als 10°, bevorzugt kleiner als 5°, besonders bevorzugt kleiner als 2° ein.
Ein Gravitationskraft-Vektor ist ein Vektor, der zum Erdmittelpunkt gerichtet ist. Dies bedeutet, dass die Drehachse im Wesentlichen senkrecht, im Idealfall genau senkrecht zur Erdoberfläche angeordnet ist. Damit wirken nur geringe durch Gravitationskräfte verursachte Drehmomente auf das Drehgelenk. Die auf das Drehgelenk wirkenden Drehmomente werden damit hauptsächlich durch Kabeltorsionsmomente bewirkt.
Das erfinderische Verfahren zur Steuerung einer Stativvorrichtung für die Aufnahme eines Operationsmikroskops mit einem erstes Stativelement und einem zweites Stativelement, wobei das erste Stativelement und das zweite Stativelement durch ein Drehgelenk mit einer Drehachse drehbeweglich verbunden sind, mit einem Kabelstrang, der von dem ersten Stativelement zu dem zweiten Stativelement geführt ist, wobei durch den Kabelstrang ein Kabeltorsionsmoment um die Drehachse zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement bewirkbar ist, mit einer Antriebsvorrichtung, die an dem ersten Stativelement angeordnet ist und die derart ausgebildet ist, dass eine Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement einstellbar ist, mit einem Winkelgeber, der dazu eingerichtet ist, die Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement zu erfassen, mit einer Steuerungseinrichtung, die mit dem Winkelgeber und der Antriebsvorrichtung verbunden ist, mit einer Speichereinrichtung, die mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist, umfassend die Verfahrensschritte:

a. Definition einer Menge von Winkelpositionen;
b. Ansteuerung der Antriebsvorrichtung durch die Steuerungseinrichtung, sodass eine erste Winkelpositionen aus der Menge von Winkelpositionen zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement eingestellt wird;
c. Ermittlung des Kabeltorsionsmoments für die erste Winkelposition;
d. Speicherung des Kabeltorsionsmoments für die erste Winkelposition in der Speichereinrichtung;
e. Wiederholung der Schritte b. bis d. für alle Winkelpositionen aus der Menge von Winkelpositionen.

In einem ersten Schritt des Verfahrens werden die Winkelpositionen definiert, für die ein Kabeltorsionsmoment ermittelt werden soll. Diese definierten Winkelpositionen bilden die Werte einer Liste, die in diesem Dokument als „Menge von Winkelpositionen” bezeichnet werden. Diese definierten Winkelpositionen können ganzzahlige Werte oder Bruchzahlen sein. Die Winkelposition können positive oder negative Vorzeichen aufweisen. Die Werte umfassen den gesamten Winkelbereich des Drehgelenks. Der Abstand zwischen zwei Winkelpositionen ist in dieser Menge vorzugsweise immer gleich groß. Die Abstände zwischen zwei Winkelpositionen können aber auch unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die Menge von Winkelpositionen definiert sein als „0°, 1°, 2°, 3°, usw.” oder als „230°, 200°, 190°, 185°, usw.”. Die Winkelpositionen können auch Richtungswechsel aufweisen, beispielsweise „–230°, 0°, –220°, 10°, usw.”. Dies ist vorteilhaft, wenn zwischen den Kabeln des Kabelstrangs ein „Stick-Slip-Effekt”, d. h. ein wechselnder Übergang zwischen Haftreibung und Gleitreibung, bei nahe beieinanderliegenden Winkelpositionen auftreten kann.
Eine erste Winkelposition kann eine erste Endlagenposition sein, d. h. eine Position an einem Ende des Drehwinkelbereiches. Die letzte Winkelposition kann die zweite Endlagenposition, d. h. eine Position am anderen Ende des Drehwinkelbereiches bilden. Eine Endlagenposition kann durch eine mechanische Drehrichtungsbegrenzung, beispielsweise einen mechanischen Endanschlag gebildet sein. Die Menge von Winkelpositionen können in diesem Fall verschiedene Werte zwischen diesen Endlagenpositionen bilden.
In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird die Antriebsvorrichtung durch die Steuerungseinrichtung derart angesteuert, das eine erste Winkelpositionen aus der definierten Menge von Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement eingestellt wird, beispielsweise eine erste Endlagenposition.
In einem dritten Schritt des Verfahrens wird das Kabeltorsionsmoment für die erste Winkelposition ermittelt. Wenn außer dem Kabeltorsionsmoment keine weiteren äußeren Kräfte auf die Gelenkverbindung zwischen den beiden Stativelementen wirken, ist das Kabeltorsionsmoment betragsmäßig genauso groß, wie das durch die Antriebsvorrichtung aufgebrachte Antriebsmoment. Das Antriebsmoment und das Kabeltorsionsmoment wirken in entgegengesetzter Richtung, so dass ein Kräftegleichgewicht ausgebildet ist.
In einem vierten Schritt des Verfahrens wird das Kabeltorsionsmoment für die erste Winkelposition in der Speichereinrichtung gespeichert. Die Speicherung kann auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise als Tabelle, Funktionswerte oder Kennlinie. Es können dazu entweder direkt die Kabeltorsionsmomente und/oder Stromwerte und/oder Pulsweitenparameterwerte abgespeichert werden.
Der zweite bis vierte Schritt des Verfahrens wird für alle Winkelpositionen aus der Menge von Winkelpositionen wiederholt. Die Steuerungsvorrichtung wird dabei in einem Regelungsmodus betrieben. Dazu werden in der Steuerungseinrichtung zusätzliche Elektronik- oder Softwarekomponenten aktiviert, die es der Steuerungseinrichtung ermöglichen, eine geregelte Bewegung und Positionierung zu einer definierten Winkelposition auszuführen. Die Steuerungseinrichtung kann mit diesen Elektronik- oder Softwarekomponenten, mit der Antriebsvorrichtung dem Inkrementalgeber und/oder dem Winkelgeber einen Regelkreis bilden. Der Regelkreis kann eine Positionsregelung und/oder eine Geschwindigkeitsregelung und/oder eine Drehzahlregelung bewirken.
Beispielsweise kann die Antriebseinheit eine gleichmäßig langsame Fahrt zwischen allen Winkelpositionen, beispielsweise zwischen der ersten und der zweiten Endlagenposition ausführen. Es ist vorstellbar, dass diese Fahrt in entgegengesetzter Richtung wiederholt wird, d. h. von der zweiten Endlagenposition zurück zur ersten Endlagenposition. Die Kabeltorsionsmomente können als Mittelwerte aus beiden Fahrten oder mehrerer Messungen ermittelt werden. Die Winkelpositionen können auch über Richtungswechsel, alternierend und/oder in Sprüngen angefahren werden.
Es ist auch vorstellbar, das das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung durch die Steuerungseinheit derart eingestellt, dass das zweite Stativelement in Bezug auf das erste Stativelement ist in einer Winkelposition im Stillstand ist. Wenn die erste Winkelposition angefahren wird, kann die Stativvorrichtung kurzeitig eine gedämpfte Schwingung aufweisen. Einzelne Kabel des Kabelstrangs können sich noch bewegen und bewirken, dass das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung durch die Steuerungseinrichtung, die im Regelungsmodus betrieben wird, nachgeregelt werden muss, damit die beiden Stativelemente stabil in dieser eingestellten ersten Winkelposition verharren. Es kann eine kurze Zeit dauern, bis das Antriebsmoment einen stabilen Zustand erreicht. Die Wartezeit in einer Winkelposition kann beispielsweise eine Sekunde betragen.
Damit sind vorteilhaft die Kabeltorsionsmomente für alle diese Winkelpositionen ermittelbar und können in der Speichereinrichtung hinterlegt werden.
Wenn die Stativvorrichtung dann bei einem Anwender im Einsatz ist, kann ein Kabeltorsionsmoment entweder direkt aus der Speichereinrichtung ausgelesen oder es kann rechnerisch, beispielsweise durch Interpolation zweier Kabeltorsionsmomente, die für benachbarte Winkelpositionen abgespeichert sind, ermittelt werden. Die Antriebsvorrichtung wird im Einsatz bei einem Anwender lediglich über die Steuerungseinrichtung angesteuert, die als reine Steuerung betrieben wird. Elektronik- oder Softwarekomponenten, die die Steuerungseinrichtung zu einem Regelkreis erweitern können, sind dann deaktiviert. Eine Positionsregelung oder Lageregelung erfolgt dann nicht.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Kabeltorsionsmoment als Funktion eines Motorstroms der Antriebsvorrichtung ermittelt.
Der Motorstrom der Antriebsvorrichtung steigt proportional mit dem Antriebsmoment. Die Messung des Motorstroms ist zudem sehr einfach über einen Shunt-Widerstand möglich. Die Messung eines Kabeltorsionsmomentes als Funktion des Motorstroms ist damit sehr einfach und kostengünstig. Es ist vorstellbar, dass die Stromwerte, die die Kabeltorsionsmomente widerspiegeln, direkt in der Speichereinrichtung gespeichert werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Kabeltorsionsmoment durch einen Momentensensor, zur Erfassung des Drehmoments des Drehgelenks zwischen dem ersten Stativelement und dem zweiten Stativelement, ermittelt.
Die Anordnung eines Momentensensors am Drehgelenk kann die Kabeltorsionsmomente am Drehgelenk erfassen. Vorteilhaft können durch einen Momentensensor auch Reibmomente erfasst werden. Bei der Inbetriebnahme der Stativeinrichtung können die Kabeltorsionsmomente ermittelt und in der der Speichereinrichtung gespeichert werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen erklärt, in welchen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stativvorrichtung;
2 ein Diagramm, das ein Kabeltorsionsmoment für drei verschiedene Stativvorrichtungen darstellt;
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung;
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stativvorrichtung.
Eine Stativvorrichtung 10 umfasst ein erstes Stativelement 11 und ein zweites Stativelement 12. Das erste Stativelement 11 und das zweite Stativelement 12 sind über ein Drehgelenk 13 mit einer Drehachse 14 miteinander verbunden. Das erste Stativelement 11 und das zweite Stativelement 12 können in einem Winkelbereich von –230° bis +230° zueinander um die Drehachse 14 gedreht werden. Die Drehachse 14 ist im Wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche angeordnet. Das Stativelement 12 ist mit einem, mehrere Elemente umfassenden, Stativteil 15 verbunden, an dem ein Operationsmikroskop 50 angeordnet ist. Das Stativelement 11 ist mit einem weiteren, nicht dargestellten Stativteil, das einen Standfuss umfasst, verbunden.
Das Operationsmikroskop 50 kann ein konventionelles optisches Stereo-Operationsmikroskop mit einem Hauptobjektiv, einer Vergrößerungsoptik und Okularen sein, ein rein digitales Operationsmikroskop, bei dem eine Objektebene von einer oder mehr Kameras aufgenommen wird und auf einem Bildschirm dargestellt wird, oder ein Hybrid-System, eine Mischung aus einem konventionellen Operationsmikroskop und einem digitalen Operationsmikroskop.
Von dem ersten Stativelement 11 zu dem zweiten Stativelement 12, über die durch das Drehgelenk 13 gebildete Gelenkverbindung, ist ein Kabelstrang 30 geführt. Der Kabelstrang 30 ist in einem Rohr oder einer Hohlwelle nahe an der Gelenkachse 14 angeordnet.
An dem ersten Stativelement 11 ist eine Antriebsvorrichtung 20 angeordnet. Die Antriebsvorrichtung 20 umfasst einen Motor 21 mit einer Antriebswelle 26, einen Inkrementalgeber 25, eine Bremseneinrichtung 22, einen Winkelgeber 23 und ein Getriebe 24. Der Motor 21 ist über das Getriebe 24 mit dem Drehgelenk 13 gekoppelt. An dem Getriebe 24 ist der Winkelgeber 23 angeordnet.
Die Antriebsvorrichtung 20 ist über eine erste Leitung 43 mit einer Steuerungseinrichtung 40 verbunden. Die erste Leitung 43 umfasst Leitungen zur Stromversorgung des Motors 21, und der Bremseneinrichtung 22. Die Antriebsvorrichtung 20 ist über eine zweite Leitung 44 mit der Steuerungseinrichtung 40 verbunden. Die zweite Leitung 44 umfasst Signalleitungen für den Inkrementalgeber 25 und den Winkelgeber 23. Die zweite Leitung 44 kann auch Signalleitungen für weitere, nicht dargestellter, Sensoren, aufweisen.
Die Steuerungseinrichtung 40 weist eine Speichereinrichtung 41 und eine Strommesseinrichtung 42 auf. Die Steuerungseinrichtung 40 umfasst eine Schnittstelle 45 zur Anbindung an eine weitere, nicht dargestellte Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Stativvorrichtung 10. Über die Schnittstelle 45 können Sollwertvorgaben an die Steuerungseinrichtung 40 übermittelt werden. Zudem können Daten in die Speichereinrichtung 41 geschrieben oder ausgelesen werden. Die Steuerungseinrichtung 40 kann über die Schnittstelle 45 parametrisiert werden. Die Speichereinrichtung 41 ist als nichtflüchtiger Schreib-/Lese-Speicher ausgebildet.
Die Steuerungseinrichtung 40 ist dazu ausgebildet, das Antriebsmoment des Motors 21 einstellen zu können. Der Motor 21 wird dazu entweder pulsweitenmoduliert oder stromgesteuert angesteuert. Die Steuerungseinrichtung 40 arbeitet bevorzugt digital. Die Steuerungseinrichtung 40 umfasst eine Leistungselektronik zur Steuerung des Motors 21. Die Steuerungseinrichtung 40 kann ferner Überwachungseinrichtungen gegen Kurzschluss, Überlast oder Übertemperatur aufweisen.
Über die Strommesseinrichtung 42 kann der Motorstrom des Motors 21 gemessen werden. Über den Motorstrom kann das Antriebsmoment des Motors gesteuert werden, da der Motorstrom in einem proportionalen Verhältnis zum Antriebsmoment steht. Die Messung des Motorstroms erfolgt über einen Shunt-Widerstand, der in die Versorgungsleitung für den Motor 21 eingebracht ist. Der an dem Shunt-Widerstand auftretende Spannungsabfall wird gemessen. Bei einer digital arbeitenden Steuerungseinrichtung 40 wird dieser Spannungsabfall über einen Analog-Digitalwandler in einen digitalen Wert umgewandelt und in der Steuerungseinrichtung 40 verarbeitet. Zum Schutz der Steuerungseinrichtung 40 kann die Übertragung des Stromwertes an die Auswerteelektronik auch potentialfrei erfolgen, beispielsweise über Optokoppler. Ein EMV-Filter kann vorgesehen sein, um die Steuerungseinrichtung 40 zusätzlich zu schützen. Ein Shunt-Widerstand zur Strommessung ist kostengünstig und beansprucht nur wenig Platz in der Steuerungseinrichtung 40.
Die Auflösung und Abtastrate der Strommessung bestimmen die Qualität der Motorsteuerung. Vorteilhaft können über die Strommessung auch Überströme oder Kurzschlüsse erfasst werden, sodass die Leistungselektronik zuverlässig vor Überlastung oder Beschädigung geschützt werden kann.
Der Motor 21 ist ein rotatorisch wirkender Servomotor. Der Motor 21 kann als ein Synchron- oder Asynchronmotor ausgebildet sein und weist eine hohe Überlastbarkeit auf. Auf der Antriebswelle 26 ist der Inkrementalgeber 25 angeordnet. Als Inkrementalgeber 25 wird ein Sensor zur Erfassung einer Winkeländerung und der Drehrichtung der Antriebswelle 26 bezeichnet. Der Inkrementalgeber 25 ist über die zweite Leitung 44 mit der Steuerungseinrichtung 40 verbunden.
Der Winkelgeber 23 ist ein Absolutwertgeber. Der Absolutwertgeber ist ein Winkelmesser, der jede Winkelposition eindeutig kodieren und als absoluten Positionswert ausgeben kann. Dabei wird der Positionswert sofort beim Einschalten erkannt. Dabei ist es unerheblich, ob der Absolutwertgeber ein optisches, induktives oder resistives Messverfahren anwendet. Beispielsweise kann bei einem resistiven Messverfahren der Winkelgeber 23 ein Potentiometer aufweisen, das über ein Zahnradgetriebe angesteuert wird.
Alternativ ist es vorstellbar, dass die Aufgabe des Winkelgebers 23 durch den Inkrementalgeber 25 übernommen wird. In diesem Fall muss nach dem Einschalten eine Bewegung zu einem Referenzpunkt ausgeführt werden, damit die Winkelposition des Inkrementalgebers 25 in Bezug auf den Referenzpunkt berechnet werden kann. Bei einer Kombination aus Inkrementalgeber 25 und dem Winkelgeber 23 als Absolutwertgeber kann eine Winkelposition sehr genau und schnell ermittelt werden, ohne eine Referenzfahrt ausführen zu müssen.
Die Rückmeldung der absoluten Winkelposition über den Winkelgeber 23 oder den Inkrementalgeber 25 dient zur Bestimmung einer Istposition der Winkelstellung des Drehgelenks 13, um das Antriebsmoment des Motors 21 einstellen zu können. Diese Rückmeldung bewirkt keine Regelung, insbesondere keine Positionsregelung.
Das Getriebe 24 ist als Zahnradgetriebe mit sehr geringem Spiel ausgebildet. Dabei ist es unerheblich, ob das Getriebe als reines Zahnradgetriebe oder über Zahnscheiben, die mit einem Zahnriemen verbunden sind, oder als eine Kombination aus beiden Varianten, ausgebildet ist. In dem Ausführungsbeispiel beträgt die Getriebeübersetzung 1:10, d. h. der Motor benötigt zehn Umdrehungen für eine Umdrehung der beiden Stativelemente 11, 12 zueinander. In Bezug auf das Motordrehmoment bewirkt das Getriebe 24 eine Drehmomentvergrößerung im umgekehrten Verhältnis der Getriebeübersetzung. Dadurch reduziert sich der Motorstrom deutlich, obwohl durch die Reibungsverluste der Getriebewirkungsgrad kleiner als 1 ist. Vorteilhaft können dadurch der Motor 21 und die Leistungselektronik der Steuerungseinrichtung 40 kompakter und damit kostengünstiger ausgebildet werden.
Die Bremseneinrichtung 22 dient dazu, die Position des Motors 21 auch im stromlosen Zustand in einer festen Position zu halten. Diese feste Position kann gewünscht sein, wenn das Operationsmikroskop 50 während des Einsatzes in einer bestimmten Position gehalten werden soll. Während der Aktivierung der Bremseneinrichtung 22 braucht der Motor 21 nicht bestromt zu werden. Vorteile sind eine geringere Erwärmung des Motors 21 sowie Energieeinsparung. Die Bremseneinrichtung 22 kann derart ausgebildet sein, dass diese durch Bestromung öffnet und ohne Bestromung schließt. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Abschalten des Operationsmikroskop-Systems oder einem Ausfall der Energieversorgung die beiden Stativelemente 11, 12 in einer festen Position zueinander fixiert bleiben und keine unkontrollierten Bewegungen ausführen.
Über die Gelenkverbindung durch das Drehgelenk 13 ist der Kabelstrang 30 geführt. Der Kabelstrang 30 umfasst ein oder mehrere Kabel. Der Kabelstrang kann Stromversorgungsleitungen, Signalleitungen für Sensoren und Bildgebungssysteme, Datenleitungen, Glasfasern, Kunststofffasern, Fluid-Leitungen, Druckluftleitungen, Absaugleitungen und/oder Leerrohre, beispielsweise für Erweiterungen, aufweisen. Die Kabel des Kabelstrangs 30 können in Gruppen durch Kabelbinder oder spezielle Hüllschläuche miteinander verbunden sein.
Der Kabelstrang 30 ist in einem Rohr oder einer Hohlwelle nahe an der Gelenkachse 14 durch die Gelenkverbindung 13 geführt, um Kabelbewegungen bei einer Drehbewegung um die Drehachse 14 minimal zu halten und ein Abscheren einzelner Kabel durch zu große Scherkräfte oder Walkbewegungen bei sehr vielen Drehbewegungen oder bei einem Wechsel der Drehrichtung zu vermeiden.
Die Drehachse 14 ist im Wesentlichen vertikal zur Erdoberfläche angeordnet, so dass die auf das Drehgelenk 13 einwirkenden Drehmomente zum größten Teil durch den Kabelstrang 30 bewirkt werden. Bei einer Drehung des zweiten Stativelements 12 relativ zu dem ersten Stativelement 11 um die Drehachse 14 werden die Kabel entweder in sich selber oder relativ zueinander verdreht. Dabei entstehen relativ große Kabeltorsionsmomente um die Drehachse 14, die einer Drehbewegung der beiden Stativelemente 11, 12 um die Drehachse 14 entgegenwirken. Das Kabeltorsionsmoment ist in 1 mit M_K bezeichnet. Je nach Drehwinkel der beiden Stativelemente zueinander können diese Kabeltorsionsmomente auf eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Stativelementen 11, 12 hemmend oder beschleunigend wirken.
Bei einer Stativvorrichtung ohne eine erfindungsgemäße Kompensation der Kabeltorsionsmomente wirken die Kabeltorsionsmomente beim Öffnen der Bremseneinrichtung 22 sofort auf das Drehgelenk 13 und das zweite Stativelement 12 kann eine ruckartige Drehbewegung in Bezug zu dem ersten Stativelement ausführen. Ein Anwender, der die Stativvorrichtung führt, muss eine Gegenkraft aufbringen, um dem Kabeltorsionsmoment entgegenzuwirken. Diese Drehbewegung wirkt über das Getriebe 24 auf die Antriebswelle 26 des Motors 21 und kann über den Winkelgeber 23 und/oder den Inkrementalgeber 25 erfasst werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Stativvorrichtung 10 findet diese ruckartige Bewegung dagegen nicht statt. In der Steuerungseinrichtung 40 wird vor dem Öffnen der Bremseneinrichtung 22 die absolute Winkelposition des Drehgelenks 13 ermittelt. Diese absolute Winkelposition kann entweder durch den Winkelgeber 23 oder durch Zählung der Inkremente des Inkrementalgebers 25 in Bezug auf einen Referenzpunkt ermittelt werden. Abhängig von dieser ermittelten absoluten Winkelposition wird aus der Speichereinrichtung 41 das zugehörige Kabeltorsionsmoment, bzw. der proportional davon abhängige Stromwert, für diese absolute Winkelposition ausgelesen. Der Motor 21 wird kurz vor dem Öffnen der Bremseneinrichtung 22 derart angesteuert, dass er ein Antriebsmoment bewirkt, das dem für diese Winkelposition hinterlegten Kabeltorsionsmoment entgegenwirkt, so dass sich das Antriebsmoment des Motors 21 und das Kabeltorsionsmoment gegenseitig aufheben. Bei Hinterlegung des Stromwertes wird der Motor 21 mit diesem Stromwert angesteuert, so dass ein Antriebsmoment erzeugt wird, der dem Kabeltorsionsmoment betrags- und drehrichtungsbezogen entgegengewirkt. Wenn die Bremseneinrichtung 22 dann geöffnet wird, herrscht bereits ein Kräftegleichgewicht zwischen dem Antriebsmoment des Motors 21 und dem durch den Kabelstrang 30 bewirkten Kabeltorsionsmoment. Damit tritt keine ruckartige Drehbewegung zwischen den beiden Stativelementen 11, 12 auf. In jeder Winkelstellung des Drehgelenks 13 werden so die Kabeltorsionsmomente durch die Antriebsvorrichtung exakt kompensiert, sodass ein Anwender, der die Stativvorrichtung fährt und die Bremseneinrichtung 22 öffnet, keine Gegenkräfte spürt. Öffnet er die Bremseneinrichtung 22 beim Durchblick durch das Operationsmikroskop 50, ist dies optisch kaum wahrnehmbar.
Die Ermittlung und Speicherung der Kabeltorsionsmomente in der Speichereinrichtung 41 kann beispielsweise bei der Inbetriebnahme der Stativvorrichtung 10 erfolgen. Wenn das Operationsmikroskop 50 aufgerüstet wird, beispielsweise durch eine Video-Kamera, können die Kabeltorsionsmomente auch durch einen Servicetechniker ermittelt und abgespeichert werden.
Die Ermittlung und Speicherung der Kabeltorsionsmomente kann durch Messung der Stromwerte der Antriebsvorrichtung 20 oder durch eine Messung mit einem Momentensensor erfolgen.
Dazu werden die Winkelpositionen definiert, für die ein Kabeltorsionsmoment ermittelt werden soll. Diese definierten Winkelpositionen bilden die Werte einer Liste, der Menge von Winkelpositionen. Diese Werte umfassen den gesamten Winkelbereich und können beispielsweise eine aufsteigende Folge ganzzahliger Werte mit konstanten Abständen sein. Die Abstände können jedoch auch unterschiedlich sein und in bestimmten Winkelbereichen enger definiert sein. Das Kabeltorsionsmoment ändert sich für sehr kleine Winkeländerungen nur um einen geringen Betrag. Deshalb ist es nicht notwendig, die Menge von Winkelpositionen für sehr kleine Winkeländerungen, beispielsweise für den Bruchteil eines Grades, zu definierten.
Die Antriebsvorrichtung 20 wird durch die Steuerungseinrichtung 40 derart angesteuert, dass jeder Wert aus der definierten Menge von Winkelpositionen zwischen dem ersten Stativelement 11 und dem zweiten Stativelement 12 eingestellt wird. Der Motor 21 kann über das Getriebe 24 das zweite Stativelement 12 relativ zu dem ersten Stativelement 11 in einer Winkelposition zwischen –230° und +230° positionieren. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Winkelpositionen zwischen –230° und +230° kontinuierlich und langsam mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren. Die Winkelpositionen –230° und +230 bilden die beiden Endlagenpositionen und definieren einen Start- und Endwert, so dass die dazwischenliegenden Winkelposition scannend abgefahren werden.
Bei der Ermittlung der Kabeltorsionsmomente wird die Antriebsvorrichtung, im Gegensatz zum späteren regulären Betrieb der Stativvorrichtung, nicht nur angesteuert, sondern es erfolgt eine geregelte Bewegung unter Berücksichtigung der Daten des Inkrementalgebers 25. Die elektrischen Bauteile oder Software-Komponenten, die die Steuerungseinrichtung zu einer Regelungseinrichtung erweitern, sind während des späteren regulären Betriebes außer Funktion oder elektrisch abgeschaltet. In dieser konstant langsamen, geregelten Fahrt entspricht das ermittelte Antriebsmoment bezogen auf eine Winkelposition dem Kabeltorsionsmoment an dieser Winkelposition.
Für jede eingestellte Winkelposition aus der Menge von Winkelpositionen wird das Kabeltorsionsmoment ermittelt. Die Ermittlung des Kabeltorsionsmoments kann entweder durch den gemessenen Motorstrom des Motors 21 erfolgen oder durch einen am Getriebe oder am Drehgelenk 13 angeordneten Momentensensor.
Für jede eingestellte Winkelposition aus der Menge von Winkelpositionen wird der ermittelte Wert des Kabeltorsionsmoments für diese Winkelposition in der Speichereinrichtung 41 gespeichert. Das Kabeltorsionsmoment kann als Tabellenwert oder Kennlinie, beispielsweise durch Funktionen, die für bestimmte Winkelbereiche ermittelt wurden, in der Speichereinrichtung 41 gespeichert sein. Die Steuerungseinrichtung 40 kann dazu ausgebildet sein, einen in der Speichereinrichtung 41 bereitgestellten Informationswert über ein Kabeltorsionsmoment für einen kleinen Winkelbereich zwischen zwei Winkelpositionen zu übernehmen. Es ist auch vorstellbar, dass das Kabeltorsionsmoment für eine Winkelposition durch Interpolation zweier Kabeltorsionsmomente, die für benachbarte Winkelpositionen abgespeichert sind, rechnerisch in der Steuerungseinrichtung 40 ermittelt wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Regelung des Antriebsmoments der Antriebsvorrichtung 20 durch die Steuerungseinrichtung 40 derart erfolgen, dass in jeder einstellten Winkelposition das zweite Stativelement 12 in Bezug auf das erste Stativelement 11 im Stillstand ist. Dies bedeutet, dass das Antriebsmoment in der Stillstandsposition einen besonders stabilen Wert aufweist und sich innerhalb einer definierten Zeitspanne, beispielsweise eine Sekunde, nicht mehr oder nur um einen sehr geringen Betrag verändert.
Die 2 zeigt ein Diagramm 200, das ein Kabeltorsionsmoment für drei verschiedene Stativvorrichtungen darstellt.
Eine Abszisse 201 bezeichnet einen Winkelbereich α in Grad [°]. Das Drehgelenk kann in einem Winkelbereich α zwischen –230° und +230° gedreht werden. Eine Ordinate 202 zeigt das Kabeltorsionsmoment M_K in Newtonmeter [Nm].
Eine erste Kurve 203 zeigt das Kabeltorsionsmoment M_K für das Drehgelenk einer ersten Stativvorrichtung. Bei einer Winkelposition zwischen –230° bis –175° reduziert sich das Kabeltorsionsmoment M_K von –43 Nm auf –15 Nm. In einem Winkelbereich zwischen –175° und +20° ändert sich das Kabeltorsionsmoment M_K fast linear von –15 Nm auf +10 Nm. Bei einer Winkelposition von ca. –45° ist das Kabeltorsionsmoment M_K gleich Null. In einem Winkelbereich zwischen +20° und +230° steigt das Kabeltorsionsmoment M_K stark an, von +10 Nm auf +130 Nm.
Eine zweite Kurve 204 zeigt das Kabeltorsionsmoment M_K für das Drehgelenk einer zweiten Stativvorrichtung. Bei einer Winkelposition zwischen –230° bis 0° reduziert sich das Kabeltorsionsmoment M_K von –66 Nm auf 0 Nm. Die Kurve 204 zeigt einen bogenförmigen Verlauf, wobei die Steigung im Winkelbereich zwischen –130° und 0° gering ist. Bei einer Winkelposition von ca. 0° ist das Kabeltorsionsmoment M_K Null. In einem Winkelbereich zwischen +0° und +100° steigt das Kabeltorsionsmoment M_K relativ gering von 0 Nm auf +12 Nm an. In einem Winkelbereich zwischen +100° und +230° steigt das Kabeltorsionsmoment M_K stark an, von +12 Nm auf +95 Nm.
Eine dritte Kurve 205 zeigt das Kabeltorsionsmoment M_K für das Drehgelenk einer dritten Stativvorrichtung. Die Kurve zeigt einen Nulldurchgang bei ca. +90°. In einem Winkelbereich zwischen –230° und –160° verändert sich das Kabeltorsionsmoment M_K von ca. –100 Nm auf nur ca. –84 Nm. In einem Winkelbereich zwischen –160° und +90° reduziert sich das Kabeltorsionsmoment M_K von ca. –80 Nm auf 0 Nm, wobei sich die Steigung der Kurve bis zum Nulldurchgang auf der Abszisse 201 verringert. In einem Winkelbereich zwischen +90° und +230° steigt das Kabeltorsionsmoment M_K von 0 Nm auf +52 Nm an.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung.
Eine erste Antriebsvorrichtung 300 hat einen Servomotor 321. Der Servomotor 321 umfasst einen Rotor, der auf einer Antriebswelle 330 angeordnet ist. Der Rotor ist in einem nicht dargestellten Stator angeordnet. Auf der Antriebswelle 330 ist eine Bremseneinrichtung 322 angeordnet, mit der die Drehbewegung der Antriebswelle 330 wahlweise freigegeben oder gesperrt werden kann. Die Abtriebsseite der Antriebswelle 330 ist mit der Antriebsseite eines Untersetzungsgetriebes 324 gekoppelt. Die Abtriebsseite der Antriebswelle 330 ist zudem über das Untersetzungsgetriebe 324 mit einem Winkelgeber 323 gekoppelt. Die Abtriebsseite des Untersetzungsgetriebes 324 ist kraftschlüssig mit dem Drehgelenk der Stativvorrichtung verbunden. Das Untersetzungsgetriebe 324 ist nicht selbsthemmend, so dass ein durch das Drehgelenk auf das Untersetzungsgetriebe 324 eingebrachtes Drehmoment auf die Antriebswelle 330 wirkt. Die absolute Winkelstellung des Drehgelenks ist durch den Winkelgeber 323, einen Absolutwertgeber, detektierbar. Auf der Antriebswelle 330 ist ferner ein Inkrementalgeber 325 angeordnet. Der Servomotor 321, die Bremseneinrichtung 322, der Winkelgeber 323 und der Inkrementalgeber 325 sind in einem Gehäuse 320 aufgenommen.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung.
Eine zweite Antriebsvorrichtung 400 umfasst die gleichen Komponenten wie die erste Antriebsvorrichtung 300 im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3, wobei die Bezugszeichen um 100 erhöht sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich jedoch dadurch, dass zusätzlich ein Momentensensor 428 am Untersetzungsgetriebe 424 angeordnet ist. Über den Momentensensor 428 kann das am Untersetzungsgetriebe 424 anliegende Kabeltorsionsmoment ermittelt werden. Der Momentensensor 428 kann zusätzlich Reibmomente erfassen, die bei einer Winkeländerung des Drehgelenkes durch Antriebselemente entstehen, die dem Momentensensor 428 nachgeordnet sind. Der Momentensensor 428 kann dazu auch direkt am Drehgelenk angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

10: Stativvorrichtung
11: Erstes Stativelement
12: Zweites Stativelement
13: Drehgelenk
14: Drehachse
15: Stativteil
20: Antriebsvorrichtung
21: Motor
22, 321, 421: Bremseneinrichtung
23, 323, 423: Winkelgeber
24: Getriebe
25, 325, 425: Inkrementalgeber
26, 330, 430: Antriebswelle
30: Kabelstrang
40: Steuerungseinrichtung
41: Speichereinrichtung
42: Strommesseinrichtung
43: Erste Leitung
44: Zweite Leitung
45: Schnittstelle
50: Operationsmikroskop
200: Diagramm
201: Abszisse
202: Ordinate
203: Erste Kurve
204: Zweite Kurve
205: Dritte Kurve
300: Erste Antriebsvorrichtung
320, 420: Gehäuse
321, 421: Servomotor
324, 424: Untersetzungsgetriebe
400: Zweite Antriebsvorrichtung
428: Momentensensor

Claims

Stativvorrichtung (10), zur Aufnahme eines Operationsmikroskops (50), umfassend – ein erstes Stativelement (11), – ein zweites Stativelement (12), wobei das erste Stativelement (11) und das zweite Stativelement (12) durch ein Drehgelenk (13) mit einer Drehachse (14) drehbeweglich verbunden sind, – einen Kabelstrang (30), der von dem ersten Stativelement (11) zu dem zweiten Stativelement (12) geführt ist, wobei durch den Kabelstrang (30) ein Kabeltorsionsmoment um die Drehachse (14) zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) bewirkbar ist, – eine Antriebsvorrichtung (20; 300; 400), die an dem ersten Stativelement (11) angeordnet ist und kraftschlüssig mit dem Drehgelenk (13) verbunden ist, – einen Winkelgeber (23; 323; 423), der dazu eingerichtet ist, die Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) zu erfassen, – eine Steuerungseinrichtung (40), die mit dem Winkelgeber (23; 323; 423) und der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) verbunden ist, – eine Speichereinrichtung (41), die mit der Steuerungseinrichtung (40) verbunden ist, wobei die Speichereinrichtung (41) dazu eingerichtet ist, Informationen über die durch den Kabelstrang (30) bewirkten Kabeltorsionsmomente für verschiedene Winkelpositionen bereitzustellen, wobei die Steuerungseinrichtung (40) dazu ausgebildet ist, dass das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) abhängig von der durch den Winkelgeber (23; 323; 423) erfassten Winkelposition und der für diese Winkelposition bereitgestellten Information über das Kabeltorsionsmoment einstellbar ist.
Stativvorrichtung (10) nach Anspruch 1, mit einer Feststellvorrichtung, durch die eine Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) fixierbar ist.
Stativvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) eine Bremseneinrichtung (22; 322; 422) aufweist.
Stativvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) ein Getriebe (24; 324; 424) mit einem Übersetzungsverhältnis i aufweist, wobei für das Übersetzungsverhältnis i = n_an:n_ab des Getriebes (24; 324; 424) gilt: i ≥ 5:1, mit n_an: Umdrehungen einer Antriebswelle (26; 330; 430) der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) n_ab: Umdrehungen des Drehgelenks (13) um die Drehachse (14)
Stativvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungseinrichtung (40) eine Strommesseinrichtung (42) zur Erfassung eines Motorstroms der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) aufweist.
Stativvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Momentensensor (428) zur Erfassung des Drehmoments des Drehgelenks (13) wobei der Momentensensor (428) mit der Steuerungseinrichtung (40) verbunden ist.
Stativvorrichtung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Richtungsvektor der Drehachse (14) und ein Gravitationskraft-Vektor einen Winkel kleiner als 10° einschließt.
Verfahren zur Steuerung einer Stativvorrichtung (10) zur Aufnahme eines Operationsmikroskops (50), mit einem erstes Stativelement (11) und einem zweites Stativelement (12), wobei das erste Stativelement (11) und das zweite Stativelement (12) durch ein Drehgelenk (13) mit einer Drehachse (14) drehbeweglich verbunden sind, mit einem Kabelstrang (30), der von dem ersten Stativelement (11) zu dem zweiten Stativelement (12) geführt ist, wobei durch den Kabelstrang (30) ein Kabeltorsionsmoment um die Drehachse (14) zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) bewirkbar ist, mit einer Antriebsvorrichtung (20; 300; 400), die an dem ersten Stativelement (11) angeordnet ist und die derart ausgebildet ist, dass eine Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) einstellbar ist, mit einem Winkelgeber (23; 323; 423), der dazu eingerichtet ist, die Winkelposition zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) zu erfassen, mit einer Steuerungseinrichtung (40), die mit dem Winkelgeber (23; 323; 423) und der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) verbunden ist, mit einer Speichereinrichtung (41), die mit der Steuerungseinrichtung (40) verbunden ist, umfassend die Verfahrensschritte: a. Definition einer Menge von Winkelpositionen; b. Ansteuerung der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) durch die Steuerungseinrichtung (40), sodass eine erste Winkelpositionen aus der Menge von Winkelpositionen zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12) eingestellt wird; c. Ermittlung des Kabeltorsionsmoments für die erste Winkelposition; d. Speicherung des Kabeltorsionsmoments für die erste Winkelposition in der Speichereinrichtung (41); e. Wiederholung der Schritte b. bis d. für alle Winkelpositionen aus der Menge von Winkelpositionen.
Verfahren zur Steuerung einer Stativvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei das Kabeltorsionsmoment als Funktion eines Motorstroms der Antriebsvorrichtung (20; 300; 400) ermittelt wird.
Verfahren zur Steuerung einer Stativvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei das Kabeltorsionsmoment durch einen Momentensensor (428), zur Erfassung des Drehmoments des Drehgelenks (13) zwischen dem ersten Stativelement (11) und dem zweiten Stativelement (12), ermittelt wird.