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Technologischer Hintergrund
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Die Erfindung betrifft eine Klemmvorrichtung und ein Verfahren zur reibschlüssigen Arretierung wenigstens zweier Haltesegmente insbesondere für medizinische Anwendungen.
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Ein- oder mehrarmige Halte- und Führungssysteme für medizinische Instrumente in passiver oder aktiver Führung unter Verwendung von Klemmvorrichtungen sind bekannt. Dabei sind insbesondere in der minimalinvasiven Chirurgie Haltesysteme zur Instrumentenführung vorteilhaft, um einen Operateur, Assistenten oder andere Bedienpersonen von ermüdender Haltearbeit zu entlasten. Eine Klemmvorrichtung kann zur Arretierung von wenigstens zwei Haltesegmenten oder von einem Haltesystem eingesetzt werden, um ein chirurgisches Instrument oder einen Endeffektor wie einen Manipulator, ein Endoskop, eine Klemme oder dergleichen zu halten. Ferner können auch mechatronische Assistenzsysteme mit einem Haltesystem kombiniert werden.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Klemmvorrichtung für medizinische Instrumente, insbesondere für die minimalinvasive Chirurgie zur Verfügung zu stellen.
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Insbesondere ist es Aufgabe, dass an eine Klemmvorrichtung angeschlossene Vorrichtungen bzw. Systeme einfacher gehandhabt werden können und somit den Bedienerkomfort erhöhen. Dabei sollen an die Klemmvorrichtung angeschlossene Instrumente in einer gelösten Stellung der Klemmvorrichtung, dem Bediener oder Chirurgen eine möglichst hohe Anzahl an Freiheitsgraden und in Verbindung mit weiteren Haltesegmenten vorzugsweise eine freie Beweglichkeit des an der Klemmvorrichtung angeschlossenen Instrumentes ermöglichen. In anderen Worten soll eine einfache und präzise Positionierung des angeschlossenen Instrumentes erfolgen können.
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Sobald die Klemmvorrichtung aktiv in eine arretierte Stellung gebracht wird, sollten zuverlässige und möglichst hohe Haltekräfte erzeugt werden können. Durch die Arretierung sollte eine Mehrzahl an Freiheitsgraden geklemmt werden können. Auf diese Weise kann ein Instrument wie ein Endoskop in einer gewünschten Position für eine längere Zeit bewegungsfrei gehalten werden und somit die Sicherheit für medizinische Eingriffe verbessert werden.
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Aus der Patentschrift
CH 608 874 A5 ist ein Dreigelenk-Stativ mit zwei verbundenen Armen und einer zentralen Spannvorrichtung bekannt. Ausgehend von der zentralen Spannvorrichtung werden alle drei Gelenke verriegelt bzw. freigegeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Auf Grundlage der Erfindung sollen die im Stand der Technik auftretenden Nachteile wie beispielsweise eine eingeschränkte Bewegungsfreiheit von herkömmlichen mechanischen Haltesystemen reduziert werden. Dabei ist es eine Aufgabe mehrere Freiheitsgrade zur Verfügung zu stellen sowie möglichst wenig Interaktion des Bedieners zu benötigen, wenn eine Klemmvorrichtung arretiert bzw. gelöst werden soll. Vorzugsweise soll eine einhändige Bedienbarkeit der Klemmvorrichtung beim Lösen, Positionieren und Arretieren ermöglicht werden.
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Diese Aufgaben werden mit einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung und einem Verfahren zur Arretierung mit einer Klemmvorrichtung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Klemmvorrichtung für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen zur reibschlüssigen Arretierung wenigstens zweier Haltesegmente bereitgestellt umfassend ein erstes Haltesegment, ein zweites Haltesegment und eine antreibbare Spindel, über die eine Drehbewegung in eine axiale Längsbewegung zur Spindelarretierung des zweiten Haltesegments umsetzbar ist, wobei während der Spindelbewegung eine Gewindeplatte in entgegengesetzter Richtung bewegbar ist und wobei mittels der Gegenbewegung der Gewindeplatte wenigstens ein Keilkörper in einem Rampensystem bewegbar ist, um das erste Haltesegment zu klemmen. Außerdem weist die Klemmvorrichtung eine mit dem Rampensystem zusammenwirkende Arretierungseinheit zur Klemmung des ersten Haltesegments auf, wobei die Arretierungseinheit eine mittels des Rampensystems quer zur Spindelachse bewegbare Spannschraube und einen das erste Haltesegment führenden Querlochbolzen aufweist.
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Mit Hilfe der Spannschraube kann die seitliche Kraft auf den Querlochbolzen übertragen werden, in dem das vorzugsweise senkrecht angeordnete Haltesegment bzw. die Basissäule montiert ist.
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Auf diese Weise kann mit Hilfe nur einer einzigen antreibbaren Komponente der Klemmvorrichtung d.h. mit Hilfe der Spindel eine Mehrzahl von Haltesegmenten bzw. Freiheitsgraden geklemmt werden und die Klemmung bzw. Arretierung mit einer einzigen Antriebseinheit gewährleistet werden. Das erste Haltesegment kann als senkrechte Basissäule ausgeführt sein, die beispielsweise an einer Standardschiene eines Operationstisches befestigt werden kann. Das zweite Haltesegment kann ein oder mehrere Armsegmente aufweisen und durch die axiale Spindelbewegung in distaler Richtung arretiert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Gehäuse um eine Querachse und um die Achse des ersten Haltesegmentes verschwenkbar gelagert.
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Auf diese Weise wird ein Basisgelenk oder ein sogenanntes Schultergelenk zur Verfügung gestellt, das zum einen drehbar auf dem ersten Haltesegment gelagert ist und andererseits drehbar mit dem Gehäuse der Klemmvorrichtung verbunden ist. Beide Freiheitsgrade können mit Hilfe des Rampensystems der Klemmvorrichtung geklemmt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Gewindeplatte axial konzentrisch mit der Spindel angeordnet und weist ein Innengewinde auf, das mit einem Außengewinde der Spindel zur Verschiebung in Axialrichtung in gegenseitigem Eingriff steht.
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Auf diese Weise kann die Gegenlagerkraft der Spindel wirksam zum Bewegen der Gewindeplatte in proximaler Richtung und anschließend zur Klemmung des ersten Haltesegmentes bzw. des Basisgelenkes genutzt werden. Durch die axial konzentrische Anordnung der Gewindeplatte und Spindel kann die Klemmvorrichtung platzsparend aufgebaut werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die ineinander greifenden Gewinde der Spindel und der Gewindeplatte als Trapezgewinde ausgeführt.
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Das Trapezgewinde kann vorteilhaft zur Übertragung der Spindelbewegung verwendet werden. Im Gegensatz zu Gewindegängen mit beispielsweise dreieckigen Profil besitzt das Trapezgewinde größere Steigungsmaße, wodurch die Selbsthemmung vorteilhaft verringert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Rampensystem wenigstens eine durch die Spindel zentral durchdrungene Rampenöse, die wenigstens eine Rampe aufweist, um den wenigstens einen Keilkörper lateral zur Spindelachse zu bewegen, auf.
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Die Rampe in Verbindung mit dem Keilkörper kann die Gegenkräfte der Spindel seitlich umleiten d.h. um etwa 90 ° umlenken.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Rampenöse einseitig von einem in einem Gehäuse ortsfest angeordneten Stützglied abstützbar, um mittels der Spannschraube den Querlochbolzen für die Klemmung des ersten Haltesegmentes an das Gehäuse zu ziehen oder davon wegzudrücken.
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Wird das erste Haltesegment bzw. die Basissäule über den Querlochbolzen an das Gehäuse gezogen, kann mit nur wenigen Zwischengliedern eine Klemmung des ersten Haltesegmentes erfolgen. Alternativ kann unter Bereitstellung von mehr Zwischengliedern die Wirkungsweise auch umgekehrt werden und das erste Haltesegment zur Klemmung von dem Gehäuse weggedrückt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Rampenöse an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils wenigstens eine Rampe zum Zusammenwirken mit zuordenbaren Keilkörpern auf, um zwei gegenüberliegende Rampen- Gegenrampensysteme zu bilden.
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Auf diese Weise ist beidseitig der Spindel jeweils ein Keilkörper angeordnet, so dass die Rampenöse bei der Kraftumlenkung keine einseitige Belastung erfährt. In anderen Worten aufgrund der zwei symmetrisch zueinander angeordneten Keilkörpern können auf beiden Seiten der Rampenöse die zuordenbaren Rampenflächen mit der jeweils gleichen Kraftkomponente beaufschlagt werden und eine reibungsarme seitliche Bewegung der Rampenöse wird unterstützt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung stehen die wenigstens eine Rampe und wenigstens eine Gegenrampe mit den zuordenbaren Keilflächen eines Keilkörpers in durch eine Vielzahl von Gleitkörpern vermittelten Eingriff miteinander.
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Die Gleitkörper können vorteilhaft die Reibung reduzieren und führen zu einem besseren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad kann über 90 % betragen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Gleitkörper Wälzkörper in Form von Kugeln, Zylinderrollen oder Tonnenrollen.
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Dadurch kann der Keilkörper mit geringer Reibung bewegt werden. Die Anzahl der Wälzkörper kann variiert werden, so dass die Belastung bei der Kräfteübertragung auf eine Mehrzahl von Wälzkörpern verteilt werden kann. Die gewölbten Laufflächen von Tonnenrollen können vorteilhaft für eine automatische Zentrierung genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die wenigstens eine Rampe und/oder Gegenrampe gekrümmte Laufbahnen für die Gleitkörper auf.
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Gekrümmte Laufbahnen können dazu dienen eine automatische Zentrierung der Gleitkörper zu unterstützen. Durch die Verwendung der Gleit- bzw. Wälzkörper in gekrümmten Laufbahnen kann nicht nur die Reibung reduziert werden, sondern auch Kosten und der Bauraum reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung stehen die wenigstens eine Rampe und Gegenrampe mit den zuordenbaren Keilflächen des Keilkörpers in einem direkten gleitenden Eingriff.
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Auf diese Weise kann auf die Gleitkörper verzichtet werden und die Fertigungskosten durch einfachere Montage und Reduzierung der Einzelteile reduziert werden. Allerdings wird bei der Verwendung von einfachen Gleitflächen d.h. ohne Gleitkörpereinsatz die Reibung erhöht und damit der Wirkungsgrad der Kraftumlenkung auf unter 60 % gesenkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Spindel und/oder die Arretierungseinheit eine Aufnahme für Federmittel auf.
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Die Federmittel können genutzt werden, um eine Resthemmung einzustellen. Auf diese Weise wird z.B. verhindert, dass das Gehäuse bzw. das Basisgelenk in Bezug auf das erste Haltesegment bzw. der Basissäule unkontrolliert herum schlackern kann. Damit können unvorhergesehene Bewegungen bei Lösung der Klemmvorrichtung reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Spindel mittels einer Antriebseinheit antreibbar, wobei die Antriebseinheit ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend einen Elektromotor, einen pneumatischen Antrieb und einen Hydraulikantrieb.
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Auf diese Weise kann die Spindel automatisch mit einer einzigen Antriebseinheit bedient werden. Wird ein Elektromotor verwendet, weist das Gehäuse die zugehörige Schaltlogik, die Steuereinheit und Stromversorgung (vorzugsweise ein Akku) auf. Fällt die Stromversorgung im geklemmten Zustand aus, ist die Klemmvorrichtung so ausgelegt, dass sie aus Sicherheitsgründen auch mechanisch funktioniert. In anderen Worten, da die Arretierung bzw. Klemmung auf Reibung basiert, können die Haltesegmente im Notfall noch durch das Aufbringen hoher externer Kräfte bewegt werden. Dabei entsteht kein Schaden an der Klemmvorrichtung. Sollte die Stromversorgung im freigegebenen Zustand ausfallen, bleibt auch dieser Zustand erhalten. Das System braucht elektrische Energie ausschließlich zum Wechsel zwischen dem geklemmten Zustand freien Zustand. Der jeweils aktive Zustand ist aufgrund der Selbsthemmung der Spindel selbsterhaltend.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Antriebseinheit einen Elektromotor und die Spindel ist schwimmend montiert, wobei ein Ausgleichsmittel zwischen Spindel und Elektromotor bereitgestellt ist.
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Mit Hilfe eines Ausgleichmittels wie beispielsweise einen gleitenden Vierkant, kann ein axialer Versatz ausgeglichen werden. Beispielsweise kann ein Elektromotor über ein Ausgleichsmittel die Spindel antreiben, die sich dadurch in distaler Richtung schraubt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Gehäuse eine Montageschiene auf, um zusätzliche Massen aufzustecken.
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Damit trägt das Gehäuse zur Reichweite der an die Klemmvorrichtung distal anschließbaren Haltesegmente bei. Die Eigenmassen der Antriebeinheit, einer Motoreinheit und einem Akku kann durch zusätzliche aufsteckbare Massen dem jeweiligen Bedarf angepasst werden.
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Ferner wird ein Verfahren für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen zur reibschlüssigen Arretierung wenigstens zweier Haltesegmente bereitgestellt, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Antreiben einer Spindel, um eine Drehbewegung der Spindel in eine axiale Längsbewegung umzusetzen, wobei mittels einer Längsbewegung der Spindel in distaler Richtung das zweite Haltesegment arretiert wird; und mittels der Spindelbewegung gleichzeitiges Bewegen einer Gewindeplatte in entgegengesetzter Richtung, wobei mittels der Gegenbewegung der Gewindeplatte in proximaler Richtung wenigstens ein Keilkörper in einem Rampensystem zur Klemmarretierung des ersten Haltesegments bewegt wird.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung;
- 2a schematische Draufsicht der Klemmvorrichtung gemäß 1 in der gelösten Stellung;
- 2b schematische Draufsicht der in 2a gezeigten Klemmvorrichtung in der arretierten Stellung;
- 3 Perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung gemäß den 1 bis 2.
- 4 Perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung mit teilweise transparent dargestellten Komponenten;
- 5 schematische Ansicht eines Haltesystems mit einer weiteren Ausführungsform der Klemmvorrichtung; und
- 6 schematisches Verfahrensdiagramm zur Arretierung wenigstens zweier Haltesegmente mittels einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung.
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Die Darstellungen sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgerecht. Sie zeigen darüber hinaus nicht alle Details, sondern beschränken sich zum Teil auf die Darstellung der erfindungswesentlichen Einzelheiten sowie weiterer Merkmale, die die Erläuterung und Beschreibung der Erfindung erleichtern. Gleiche Elemente in den unterschiedlichen Figuren werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Die perspektivische Ansicht der 1 zeigt eine erfindungsgemäße Klemmvorrichtung 100 für medizinische Instrumente. Diese Klemmvorrichtung 100 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Haltesegment 101, einer Spindel 110 und einem Rampensystem 120 zur Klemmung des ersten Haltesegmentes 101. Das erste Haltesegment 101 ist als senkrecht angeordnete Basissäule ausgeführt. Ein Basisgelenk oder ein sogenanntes Schultergelenk verbindet das Haltesegment bzw. die Basissäule 101 drehbar mit dem Gehäuse. Zudem ist mittels des Basisgelenkes das Gehäuse 150 um die senkrechte Achse des ersten Haltesegmentes verschwenkbar gelagert. Beide Freiheitsgrade können mit Hilfe des Rampensystems 120 der Klemmvorrichtung 100 geklemmt werden.
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Zudem kann mit der Spindel 110 ein zweites nicht gezeigtes Haltesegment 102 geklemmt werden. Die Spindel 110 kann mittels einer einzigen Antriebseinheit 160, die als Elektromotor 161 ausgeführt ist, angetrieben werden. Über die antreibbare Spindel 110 kann eine Drehbewegung in eine axiale Längsbewegung in distaler Richtung zur Spindelarretierung des nicht gezeigten zweiten Haltesegmentes umgesetzt werden.
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Die Spindel 110 wird axial konzentrisch durch eine Gewindeplatte 112 geführt. Wird die Spindel 110 in distaler Richtung bewegt, wird auch gleichzeitig die Gewindeplatte 112 in entgegengesetzter Richtung d.h. in proximaler Richtung bewegt. Mittels der Gegenbewegung der Gewindeplatte 112 kann der Keilkörper 131 in einem Rampensystem 120 bewegt werden. Das Rampensystem 120 weist neben dem Keilkörper 131 eine durch die Spindel 110 zentral durchdrungene Rampenöse 125 auf. Die Rampenöse 125 weist eine Rampe bzw. Rampenfläche 126 auf. Der Keilkörper 131 ist zwischen der Rampe 126 und einer Gegenrampe 137 angeordnet. Dabei ist die Gegenrampe 137 als Teil einer Gehäusekomponente 157 ausgeführt und bildet eine ortsfeste Stützfläche für den bewegbaren Keilkörper 131. Die Rampe 126 der Rampenöse 125 und die Gegenrampe 137 stehen mit dem Keilkörper 131 durch eine Vielzahl von Gleitkörpern 135 miteinander in Eingriff.
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Das in dem Säulenkopf 151 befindliche Ende des ersten Haltesegments 101 kann durch eine Spindelbewegung in distaler Richtung und der damit erzeugten Gegenbewegung der Gewindeplatte 112 in Zusammenwirkung mit dem Rampensystem 120 geklemmt werden bzw. arretiert werden. Die folgenden 2a und 2b zeigen schematisch die arretierte bzw. gelöste Stellung der Klemmvorrichtung 100.
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2a zeigt die gelöste Stellung der Klemmvorrichtung 100. Eine Verstellung der Klemmvorrichtung 100 von der in 2a gezeigten gelösten Position in die arretierte Position gemäß 2b erfolgt über die axiale Längsbewegung in distaler Richtung, die durch den Pfeil 116 angezeigt ist. In der gelösten Position ragt das Außengewinde 111 der Spindel nur geringfügig über die Gewindeplatte 112 hinaus. Das freie Ende der Gewindespindel 110 ragt in dieser Position ebenfalls minimal über die Frontplatte der Gehäusekomponente 155 hinaus. In der gelösten Position der Spindel 110 (2a) kann ein daran angeschlossenes Haltesegment (in dieser Zeichnung nicht gezeigt) freigegeben werden.
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Die Zeichnungen 2a und 2b zeigen das erste Haltesegment 101 von oben. Hierzu ist der Säulenkopf 151 teilweise zur besseren Veranschaulichung aufgeschnitten. Das Haltesegment 101 wird in dem Querlochbolzen 142 geführt. Das erste Haltesegment 101 ist über die Spannschraube 141 mit dem Rampensystem 120 verbunden.
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Der Elektromotor 161 kann als Antriebskraft für die Spindel 110 genutzt werden. Um von der gelösten Stellung (2a) in die arretierte Stellung (2b) zu gelangen, treibt der Elektromotor 161 die Gewindespindel 110 in Richtung des Pfeiles 116 d.h. in distaler Richtung an. 2b zeigt die Position nachdem sich die Spindel 110 durch den Elektromotor nach vorne geschraubt hat und somit die Arretierungsposition einnimmt. Mittels der axialen Bewegung in die distale Richtung kann distaler Druck mit dem freien Ende der Spindel 110 aufgebaut werden, um dort angebrachte Haltesegmente (hier nicht gezeigt) zu arretieren, so dass das Spindelende als Druckbolzen fungiert.
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2b zeigt im Vergleich zu 2a, dass sich die Spindel 112 in einem Innengewinde der Gewindeplatte in distaler Richtung bewegt hat, so dass das Spindelende weiter über das Ende der Gehäusekomponente 155 hinausragt. Durch die distale Bewegung der Spindel 110 stützt sich das Innengewinde nach hinten ab. Dadurch entsteht eine Auflagekraft in entgegengesetzter Richtung. Die Auflagekraft wirkt in die Richtung des Pfeiles 115 (siehe 2b), d.h. in proximaler Richtung. Die Gewindeplatte 112 drückt mittels der Auflagekraft gegen die Gleitkörper 135, die als Wälzkörper ausgebildet sind.
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Über die zwei Wälzkörper an der Seite der Gewindeplatte 112 wird die Kraft auf den Keilkörper 131 übertragen. Der Keilkörper 131 weist zueinander schräg ausgerichtete Keilflächen 136 auf. Jeder der Keilflächen 136 weist eine gekrümmte Laufbahn für die Gleitkörper 135 auf.
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Der Keilkörper 131 wird von der Gewindeplatte 112 zwischen einer Rampe 126 der Rampenöse 125 und einem ortsfest angeordneten Stützglied der Gehäusekomponente 157 durch die Auflagekraft bewegt. Dabei stützt sich der Keilkörper 131 über die Gleitkörper 135 seitlich gegen das Gehäuse 150 ab. Dabei ist es vorteilhaft, dass die jeweiligen Gegenkräfte direkt in das Gehäuse 150 eingeleitet werden können. Dem gegenüber drückt der Keilkörper 131 über ebenfalls zwei Gleitkörper 135 auf die Rampe 126 der Rampenöse 125. Die bewegbare Rampenöse 125 erfährt dadurch eine seitliche Zugkraft. Diese Kraft wird über die Spannschraube 141 auf den Querlochbolzen 142 übertragen. Durch diese Kraft kann das erste Haltesegment 101, das sich in dem Querlochbolzen 142 befindet, geklemmt werden. In der arretierten Position wird das erste Haltesegment durch den Querlochbolzen 142 zum Gehäuse 150 gezogen und dabei wird der Säulenkopf 151 an die Gehäusewand gedrückt und klemmt so, dass das Gehäuse 150 nicht mehr in Bezug zum Haltesegment 101 bzw. das Haltesegment 101 in Bezug auf das Gehäuse 150 gedreht werden kann.
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Mittels des Rampensystems 120 ist es möglich, die Auflagekraft der Spindel 110 seitlich, d.h. um 90 ° umzulenken. Die Gleitkörper 135 reduzieren dabei vorteilhaft die Reibung und führen zu einem besseren Wirkungsgrad. Als Gleitkörper 135 können Wälzkörper in Form von Kugeln, Zylinderrollen oder Tonnenrollen verwendet werden. Durch den Einsatz von den genannten Wälzkörpern kann der Wirkungsgrad auf über 90 % erhöht werden.
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Die 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Klemmvorrichtung 100. Das Rampensystem 120 mit der Gewindespindel 110 wird von einem Gehäuse 150 umgeben. 3 veranschaulicht, dass sich der Keilkörper 131 mit den Gleitkörpern (hier insgesamt 6, d.h. 2 je Keilfläche) spiegelsymmetrisch auch unterhalb der Spindel 110 befindet.
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Das Gehäuse 150 besteht aus einer Vielzahl von Komponenten. Hier ist an dem distalen Ende die Gehäusekomponente 155 gezeigt, die eine Frontplatte aufweist, sowie die Gehäusekomponente 157, die die Gegenrampe 137 aufweist. Durch eine Außenwand der Gehäusekomponente 157 kann ein Verbindungsorgan zu der Antriebseinheit 160 umfassend einen Elektromotor 161 geführt werden. Die Spindel 110 und die Gewindeplatte 112 können beide schwimmend montiert werden, um sich somit gegenüber dem Gehäuse 150 und den Gehäusekomponenten 157 und 155 bewegen zu können. Durch geeignete Ausgleichsmittel (hier nicht gezeigt) zwischen der Spindel 110 und dem Elektromotor 161 kann bei der Übertragung des Drehmomentes vom Elektromotor 161 ein axialer Versatz ausgeglichen werden. Mittels eines hier nicht gezeigten zugeordneten Betätigungselements oder Aktuators kann der Elektromotor 161 zur Drehung der Spindel 110 aktiviert werden.
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Das Gehäuse bzw. die Gehäuseanordnung 150 mit der Antriebseinheit 160 ist über die Spannschraube 141 und dem Querlochbolzen 142 mit dem ersten Haltesegment 101 verbunden. Das Gehäuse 150 mit der Antriebseinheit 160 kann auf diese Weise in Bezug zu dem ersten Haltesegment 101 verschwenkt werden. Zur reibungsarmen Verschwenk- bzw. Drehbarkeit kann an der Seite des Querlochbolzens 142, die dem Gehäuse 150 bzw. der Gehäusekomponente 157 zugewandt ist, eine Gleitscheibe (hier nicht gezeigt) vorgesehen sein. Für die Gleitscheibe wird bevorzugt eine Diamantenkarbonscheibe verwendet.
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Für Einsatz und Anwendungen in der Veterinär- bzw. Humanmedizin wird das erste Haltesegment 101 senkrecht angeordnet und beispielsweise an einem Operationstisch befestigt. Das Ende des ersten Haltesegments 101 sowie der Querlochbolzen 142 wird durch den Säulenkopf 151 verdeckt. Im Gebrauch werden sowohl das Gehäuse 150 mit der Antriebseinheit 160 als auch das erste Haltesegment 101 durch einen sterilen Überzug bzw. Drape abgedeckt.
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Damit in der gelösten Stellung der Klemmvorrichtung 100 noch eine gewisse Resthemmung besteht, werden Federmittel 114 zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass an dem distalen Ende der Klemmvorrichtung anschließbare Haltesegmente in der gelösten Stellung unkontrolliert herum schlackern bzw. das Gehäuse sich bei einer Lösung der Arretierung zu abrupt und damit unkontrolliert in Bezug auf das erste Haltesegment 101 dreht. In dieser Darstellung von 3 werden keine distal angeschlossenen Haltesegmente gezeigt. Es können beispielsweise wenigstens zwei Haltesegmente angeschlossen werden, die eine armähnliche Haltevorrichtung mit einem zentralen Gelenk (siehe Bezugszeichen 20 in 5) bilden. Um in der gelösten Stellung einen vollkommen gelösten schlackerige Haltevorrichtung 20 bzw. Arm zu vermeiden, können die mit der Spindel 110 wirkverbundenen Federmittel 114 vorteilhaft genutzt werden.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gezeigt werden. Zusätzlich zu den vorangegangenen Figuren weist diese Zeichnung eine Teilskizze eines zweiten Haltesegmentes 102 auf. Ferner wird in der dargestellten Ausführungsform zusätzlich ein gleitender Vierkant 117 gezeigt, der die Antriebseinheit 160 mit der nur teilweise gezeigten Spindel 110 verbindet. Die Antriebseinheit 160 ist in einer Gehäuserinne 159 positioniert.
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Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist im Wesentlichen aufgebaut wie die Ausführungsform der 1, wobei hier neben dem ersten Haltesegment 101 auch Teile eines zweites Haltesegmentes 102 gezeigt werden. In dem Haltesegment 102 ist eine Schubstange angeordnet, die mit dem Druckbolzen, die sich am freien Ende der Spindel 110 befindet, längsaxial zur Klemmung verschoben werden kann.
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Ferner wird zur Verbindung des zweiten Haltesegmentes 102 ein Kupplungselement oder eine Kupplungsvorrichtung in 4 angedeutet. Anstelle einer Kupplung kann das zweite Haltesegment auch einstückig mit dem Gehäuse 150 der Klemmvorrichtung verbunden sein. Auch bei dieser Ausführung kann eine axial im zweiten Haltesegment 102 angeordnete Schubstange mit der Spindel 110 zur Klemmung weiterer Haltesegmente und/oder Gelenke längsaxial verschoben werden.
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Die 4 zeigt ein Rampensystem nach dem prinzipiellen Aufbau wie bereits in den 1 bis 3 beschrieben. Der Keilkörper 131 unterscheidet sich von dem Keilkörper in den vorangegangenen Ausführungsformen im Wesentlichen darin, dass an jeder der drei Keilflächen drei Wälzkörper angeordnet sind. Ferner weisen die Keilflächen jeweils entsprechende gekrümmte Laufbahnen zur optimalen Zentrierung für die Wälzkörper auf.
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Das Gehäuse 150 der Klemmvorrichtung der 4 zeigt eine Gehäusekomponente mit Frontplatte 155 sowie eine weitere Gehäusekomponente, die als Gehäuserinne 159 ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 160 und die anderen Komponenten der Klemmvorrichtung wie die Rampenöse 125 und die Gewindeplatte 112 sind in der Gehäuserinne 159 angeordnet. Diese Gehäuserinne 159 kann auch als Montageschiene verwendet werden oder mit einer Montageschiene verbunden werden. Wird die Gehäuserinne 159 als Montageschiene verwendet, können hier zusätzliche Massen aufgesteckt werden. Die festzulegenden Massen sind abhängig von dem Gesamtgewicht des anzuschließenden Haltesegmentes 102 bzw. daran verbundenen weiteren Haltesegmenten. Ferner sollten nicht nur die distalen Armsegmente und mögliche Zwischengelenke als Masse berücksichtigt werden, sondern auch die distal anschließbaren Instrumente. Sind die an dem distalen Ende der Klemmvorrichtung angeordneten und befestigten bzw. eingekuppelten Armsegmente horizontal ausgestreckt, entsteht die größte Belastung in Bezug auf die Klemmvorrichtung, welche bei der Massenauslegung zu berücksichtigen ist. Für diese horizontale Stellung ist eine Haltekraft von wenigstens 5 kg zur Verfügung zu stellen.
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Die maximale Kraft, die von der Spindel 110 erzeugt werden muss und dem dafür erforderlichen Drehmoment, können je nach angekuppelter Haltevorrichtung bzw. Instrument durch eine Steuereinheit bzw. Controller ausgewählt werden. Ferner können auch die Antriebseinheit 160, d.h. das Getriebe je nach Anwendung ausgewählt werden. Im Vergleich zur zuvor dargestellten Ausführungsformen wird in 4 zusätzlich ein gleitender Vierkant 117 gezeigt, der die Antriebseinheit 160 mit der nur teilweise gezeigten Spindel 110 verbindet. Da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Spindel 110 und die Gewindeplatte schwimmend montiert sind und sich gegenüber dem Gehäuse 150 bewegen können, wird die Übertragung des Drehmomentes von der Antriebseinheit 160 mittels des gleitenden Vierkants 117 ausgeführt. Auf diese Weise kann der axiale Versatz ausgeglichen werden. Es können auch andere gleichwertige Hilfsmittel zum Ausgleich des axialen Versatzes verwendet werden.
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Die Gewindespindel 110 läuft in der Gewindeplatte 112, wobei das Innengewinde durch die Vorwärtsbewegung der Spindel sich nach hinten abstützt. Diese Auflagekraft drückt über drei Gleitkörper, die als tonnenförmige Walzen ausgeführt sind auf den Keilkörper 131. Der Spreizkeil bzw. der Keilkörper 131 befindet sich mit allen neuen Gleitkörpern spiegelsymmetrisch auch unterhalb der Spindel 110 (in 4 nicht gezeigt). Jeder Keilkörper 131 stützt sich über drei Gleitkörper seitlich gegen das Gehäuse 150 ab. Dem gegenüber drückt der Keilkörper 131 über wiederum drei Gleitkörper auf eine geneigte Fläche der Rampenöse 125. Diese Fläche der Rampenöse 125 erfährt dadurch eine seitliche Zugkraft. Durch entsprechende Wahl der Neigung der Keilflächen und zugehörigen Rampenflächen kann der Spannweg und die Spannkraft beeinflusst werden. Diese Kraft wird über eine hier nicht gezeigte Spannschraube auf den Querlochbolzen 142 übertragen.
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In dem Querlochbolzen 142 ist die senkrechte Basissäule bzw. das Haltesegment 101 angeordnet. Durch die seitlich wirkende Spannkraft kann die Basissäule bzw. das Haltesegment 101 geklemmt werden. Wird das erste Haltesegment durch den Querlochbolzen 142 zum Gehäuse 150 gezogen, drückt sie den Säulenkopf 151 an die Gehäusewand bzw. an die Wand der Gehäuserinne und klemmt so das Haltesegment 101 bzw. das Gehäuse 150 gegen Drehung.
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5 zeigt ein Haltesystem mit einer erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung 100. Das erste Haltesegment 101 ist als Basissäule ausgeführt. Diese Basissäule oder das erste Haltesegment 101 soll mit allen bestehenden und handelsüblichen Klemmeinheiten 105 kompatibel sein, so dass es an einem Operationstisch sicher festgeklemmt werden kann. Beispielsweise kann die Basissäule oder das erste Haltesegment 101 einen Durchmesser von etwa 16 mm aufweisen. In Abhängigkeit von einer besonders großen Nutzlast können auch größere Durchmesser bis zu maximal 2 cm bereitgestellt werden. Die Klemmvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 150 auf. Zur Verschwenkbarkeit des ersten Haltesegments bzw. der Basissäule 101 befindet sich zwischen dem Gehäuse und dem Haltesegment 101 ein Gelenk 152, das aufgrund des distal an die Klemmvorrichtung 100 angeschlossenen Haltesystems bzw. Haltearmes auch Schultergelenk genannt werden kann.
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Der Befestigungspunkt der Klemmeinheit 105 für das erste Haltesegment 101 ist im proximalen Bereich der Klemmvorrichtung 100 angeordnet. Der proximale Bereich kann sich nahe des Bodens oder eines Operationstisches befinden. Das Haltesystem kann alternativ deckengestützt im Gegensatz zu einem operationstischgestützten System sein. Der distale Bereich des Haltesystems ist der von dem proximalen Bereich entfernt gelegene Bereich. An der distalen Seite der Klemmvorrichtung ist durch eine Kupplungsvorrichtung 300. eine Haltevorrichtung 20 in Form eines Haltearms mit Ober- bzw. Unterarm angeschlossen. Die angeschlossene Haltevorrichtung 20 umfasst zwei Haltesegmente 102 und 017, die mit einem Zentralgelenk 21 verschwenkbar miteinander verbunden sind.
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An dem distalen Haltesegment 017 ist ein Handgriff 019 angeschlossen. An dem freien Ende des Handgriffes 019 bzw. des Haltesystems ist beispielsweise ein medizinisches Instrument befestigbar. Hierzu weist das distale Ende des Handgriffes 019 eine Kupplungseinheit 170 auf. Diese Kupplungseinheit 170 kann vorzugsweise als Schnellkupplungseinheit wie die bekannte Schnittstelle KSLOCK ausgebildet sein. An eine derartige autoklavierbare Schnellkupplungseinheit 170 können diverse medizinische Instrumente angeschlossen werden wie Mikroscheren, Zangen, Pinzetten, Stanzen oder dergleichen. Es können auch Hilfsmittel für die Operation bereitgestellt werden, die an der Schnellkupplungseinheit befestigt werden können. So zum Beispiel kann eine Handauflage über die Schnellkupplungseinheit 170 angekuppelt werden. Mit einer solchen Handauflage können bei mehrstündigen chirurgischen Eingriffen die Operateure eine ruhige Hand bewahren.
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Der Handgriff weist neben der Verbindung zum Handgelenk 018 und der Schnellkupplungseinheit 170 ein Betätigungselement 169 auf. Durch das distale Betätigungselement 169 kann die Antriebseinheit 160 der Klemmvorrichtung 100 aktiviert werden. Das Kontrollsignal für die Aktivierung bzw. Betätigung der Spindel 110 kann über das Kabel 168 zu der Antriebseinheit 160 geleitet werden. Das Kabel 168 wird teilweise entlang den Haltesegmenten 017 und 102 geführt. Zwischen dem proximalen Haltesegment 102 und dem distalen Haltesegment 117 wird das Kabel mit etwas Spiel geführt, so dass sich das Zentralgelenk 21 frei bewegen kann. Schließlich wird das Kabel teilweise im Inneren des Haltesegmentes 102 geführt und in der in 4 gezeigten Darstellung tritt das Kabel in das Bolzenelement 301 ein. Die Kupplungsvorrichtung 300 weist im Inneren geeignete Kontaktelemente auf, um das Signal an die Antriebseinheit 160 weiterzuleiten. Alternativ zur kabelgeführten Aktivierung ist auch eine funkgesteuerte Ansteuerung der Klemmvorrichtung denkbar.
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In dem dargestellten Beispiel umfasst die Antriebseinheit 160 für die Spindel 110 einen Elektromotor 161 mit einem Getriebe 162. Die Stromversorgung der Antriebseinheit 160 erfolgt durch einen Akku 163. Der Akku 163 ist in den Akkuschacht 164 angeordnet und wird über die Akkusteuereinheit 165 gesteuert. Weiterhin befindet sich in dem Gehäuse eine Antriebssteuereinheit 166 sowie eine Schaltlogik 167. Mittels des Getriebes 162 des Elektromotors 161 kann die Spindel 110 angetrieben werden.
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6 zeigt ein Verfahren 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Als erster Verfahrensschritt ist 210 das Antreiben einer Spindel 110 gezeigt. Auf Grund des Antreibens einer Spindel 110 werden zwei Bewegungen initiiert. Zum einen wird in dem Schritt 211 die Drehbewegung der Spindel 110 in eine axiale Längsbewegung in distaler Richtung der Klemmvorrichtung 100 umgesetzt. Mit Hilfe dieser Umsetzung 211 kann in einem weiteren Schritt 212 ein zweites Haltesegment 102 arretiert werden.
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In dem Schritt 220 erfolgt das Bewegen einer Gewindeplatte in proximaler Richtung durch das Antreiben 210 der Spindel. Auf Grund des Verfahrensschrittes 220 wird wenigstens ein Keilkörper 131 in einem Rampensystem 120 bewegt (221). Diesem Schritt 221 folgt der Verfahrensschritt 222. Dieser letzte Schritt 222 bewirkt wiederum eine Klemmarretierung 222 eines ersten Haltesegmentes 101. Das erste Haltesegment 101 kann hier eine Basissäule sein.
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Bezugszeichenliste
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- 017
- distales Haltesegment
- 018
- Handgelenk
- 019
- Handgriff
- 020
- Haltevorrichtung mit Zentralgelenk
- 021
- Zentralgelenk
- 100
- Klemmvorrichtung
- 101
- erstes Haltesegment
- 102
- zweites Haltesegment
- 105
- Klemmeinheit
- 110
- Spindel
- 111
- Außengewinde der Spindel
- 112
- Gewindeplatte
- 114
- Federmittel
- 115
- Bewegung in proximaler Richtung
- 116
- axiale Längsbewegung in distaler Richtung
- 117
- gleitender Vierkant
- 120
- Rampensystem
- 125
- Rampenöse
- 126
- Rampe
- 131
- Keilkörper
- 135
- Gleitkörper
- 136
- Keilfläche
- 137
- Gegenrampe
- 140
- Arretierungseinheit
- 141
- Spannschraube
- 142
- Querlochbolzen
- 150
- Gehäuse
- 151
- Säulenkopf
- 152
- Gelenk, Basisgelenk
- 155
- Gehäusekomponente mit Frontplatte
- 157
- Gehäusekomponente mit Gegenrampe
- 159
- Gehäuserinne
- 160
- Antriebseinheit
- 161
- Elektromotor
- 162
- Getriebe
- 163
- Akku
- 164
- Akkuschacht
- 165
- Akkusteuereinheit
- 166
- Antriebssteuereinheit
- 167
- Schaltlogik
- 168
- Kabel
- 169
- Betätigungselement
- 170
- Kupplungseinheit
- 200
- Verfahrensdiagramm
- 210
- Verfahrensschritt: Antreiben
- 211
- Verfahrensschritt: axiale distale Längsbewegung
- 212
- Verfahrensschritt: Arretierung eines distalen Haltesegmentes
- 220
- Verfahrensschritt: proximale Bewegung der Gewindeplatte
- 221
- Bewegen des Keilkörpers im Rampensystem
- 222
- Klemmarretierung eines proximalen Haltesegmentes
- 300
- Kupplungsvorrichtung
- 301
- Bolzenelement
- 303
- Kupplungsnutflanke
- 325
- Kupplungsbetätiger
