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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft multiaxiale Bewegungsgeräte und insbesondere ein triaxiales Bewegungsgerät, das klein im Volumen und mit hoher Präzision bewegbar ist.
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STAND DER TECHNIK
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Gegenwärtig werden chirurgische Roboter in verschiedenen Arten chirurgischer Operationen weitverbreitet eingesetzt. Mit der Hilfe des chirurgischen Roboters, kann der Chirurg viele operationsbezogene medizinische Behandlungen präzise durchführen, wie Verifizieren des Läsionsortes oder Steuern der Schnitttiefe, so dass jedes latente durch Fahrlässigkeit bei der Operation erhaltene medizinische Risiko signifikant verringert werden kann. Die gegenwärtig verfügbaren chirurgischen Roboter weisen jedoch den Nachteil eines großen Volumens auf, und sollten somit in relativ großem Raum betrieben werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein triaxiales Bewegungsgerät bereitzustellen, mit dem äußerst präzise Bewegungen mit mehreren Freiheitsgraden durchgeführt werden kann und das für einen chirurgischen Roboter geeignet ist, so dass der chirurgischen Roboter im Volumen verkleinert werden kann.
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Um die vorstehende Hauptaufgabe zu lösen, umfasst das triaxiale Bewegungsgerät der vorliegenden Erfindung eine erste Basis, eine hohle Drehwelle, eine erste Kraftquelle, eine zweite Basis, eine zweite Kraftquelle, eine dritte Basis, und eine Dreheinheit. Die erste Kraftquelle ist auf der ersten Basis angeordnet und weist eine erste Welle auf. Die hohle Drehwelle ist mit der ersten Antriebswelle derart verbunden, das die hohle Drehwelle durch die erste Antriebswelle der ersten Kraftquelle zum synchronen Drehen mit der ersten Antriebswelle angetrieben werden kann. Die zweite Basis ist mit der hohlen Drehwelle derart verbunden, die zweite Basis durch die hohle Drehwelle zum Drehen relativ zu der ersten Basis über eine erste Achse angetrieben werden kann. Die zweite Kraftquelle ist auf der ersten Basis angeordnet und weist eine zweite, drehbar durch die hohle Drehwelle durchgehende Antriebswelle auf. Die dritte Basis ist mit der zweiten Antriebswelle der zweiten Kraftquelle derart verbunden, dass die dritte Basis durch die zweite Antriebswelle der zweiten Kraftquelle zum Drehen relativ zu der zweiten Basis über eine senkrecht zur ersten Achse stehenden zweite Achse angetrieben werden kann. Die Dreheinheit ist auf der dritten Basis angeordnet und weist ein relativ zu der dritten Basis über eine zu der zweiten Achse senkrecht stehende dritte Achse drehbares Werkstück-Positionierungs-Element auf.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass mit dem triaxialen Bewegungsgerät der vorliegenden Erfindung äusserst präzise Bewegungen mit mehreren Freiheitsgraden durchgeführt werden können, welches somit für einen auf minimalinvasive Chirurgie an Ohr und Nase spezialisierten chirurgischen Roboter geeignet ist. Zudem weist der gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte chirurgische Roboter den Vorteil eines kleinen Volumens auf, so dass der Nachteil herkömmlicher chirurgischer Roboter mit großen Volumen und hohem Gewicht vermieden werden kann.
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Die erste Antriebswelle verläuft vorzugsweise parallel zu der ersten Achse und die zweite Antriebswelle ist koaxial zu der ersten Achse. Auf diese Weise wird der Kraftverlust während der Übertragung reduziert.
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Die erste und zweite Kraftquelle sind vorzugsweise auf der gleichen Seite der ersten Basis angeordnet. Auf diese Weise sind die Elemente mit großem Volumen zusammengefasst, was das Volumen des triaxialen Bewegungsgerätes minimieren kann.
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Die erste Basis weist vorzugsweise einen ersten Arm und einen zweiten Arm auf, worin ein Ende des ersten Arms mit einem Ende des zweiten Arms verbunden ist, und der eingeschlossene Winkel zwischen dem ersten und zweiten Arm von 90 bis 180 Grad reichen kann. Auf diese Art und Weise ist während des Betriebs hinreichend Raum für die erste Basis vorhanden, um dem Objekt darunter, wie dem Kopf oder anderen Körperteilen des Patienten, auszuweichen.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung offensichtlich. Jedoch sollte klar sein, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschreibend, nur zur Erläuterung gegeben sind, da verschiedene Abwandlungen und Modifizierungen im Geiste und im Bereich der Erfindung dem Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Perspektivansicht, die das Erscheinungsbild eines mit dem triaxialen Bewegungsgerät der vorliegenden Erfindung ausgestatteten chirurgischen Roboters zeigt.
- 2 ist eine Perspektivansicht des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine Vorderansicht des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine Rückansicht des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Seitenansicht des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist eine Teil-Schnittansicht des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 7 ist eine Perspektivansicht einer aufgebauten dritten Basis und einer Dreheinheit des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 8 ist eine Explosionsansicht der dritten Basis und der Dreheinheit des triaxialen Bewegungsgerätes der vorliegenden Erfindung.
- 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 9-9 in 7, die insbesondere zeigt, dass Schlüssel in der der ersten Position angeordnet sind.
- 10 ist vergleichbar mit 9, zeigt jedoch insbesondere, dass die Schlüssel in der zweiten Position angeordnet sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Zunächst ist anzumerken, dass in den folgenden bevorzugten Ausführungsformen und in den anliegenden Zeichnungen verwendete gleiche Bezugszeichen zur genauen Erläuterung der vorliegenden Erfindung dieselben oder verwandte Elemente in der Beschreibung verwendet werden.
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In 1 zeigt diese 1 den Aufbau, dass ein triaxiales Bewegungsgerät 10 der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse 12 installiert ist und dann an einen chirurgischen Roboter 14 angebaut wird. In den 2 und 3, zeigen diese den Aufbau des triaxialen Bewegungsgerätes 10 der vorliegenden Erfindung nachdem das Gehäuse 12 entfernt wurde. Das triaxiale Bewegungsgerät 10 weist im Wesentlichen eine erste Basis 20, eine erste Kraftquelle 30, eine hohle Drehwelle 40, eine zweite Basis 50, eine zweite Kraftquelle 60, eine dritte Basis 70, und eine Dreheinheit 80 auf.
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Die erste Basis 20 weist einen ersten Arm 21 und einen zweiten Arm 22 auf. Das untere Ende des ersten Arms 21 ist mit dem oberen Ende des zweiten Arms 22 einstückig verbunden und der eingeschlossene Winkel θ zwischen den ersten und zweiten Armen 21 und 22 reicht, wie in 4 gezeigt, von 90 bis 180 Grad. Aufgrund dieses eingeschlossenen Winkels θ ist während des Betriebes ausreichend Raum für die erste Basis 20 vorhanden, dem Objekt darunter, wie dem Kopf oder anderen Körperteilen des Patienten, auszuweichen, so dass die vorliegende Erfindung für den in minimalinvasiver Chirurgie an Ohr und Nase spezialisierten chirurgischen Roboter geeignet ist. Wie in den 2 und 4 gezeigt ist der erste Arm 21 zudem angepasst, auf einer Steuereinrichtung 90 fest angebracht zu werden. Der zweite Arm 22 ist in der Reihenfolge von oben nach unten mit einer ersten Trägerplatte 23, einer zweiten Trägerplatte 24 und einer dritten Trägerplatte 25 bereitgestellt.
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Die erste Kraftquelle 30 weist einen ersten Motor 31, einen ersten Verzögerer 33 und eine erste Antriebswelle 35 auf. Der erste Motor 31 ist auf der ersten Trägerplatte 23 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und weist eine erste Ausgangswelle 32 auf. Der erste Verzögerer 33 ist auf der zweiten Trägerplatte 24 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und weist eine erste Übersetzungswelle 34 auf. Wie in den 3 und 6 gezeigt, ist die erste Ausgangswelle 32 des ersten Motors 31 mit dem ersten Verzögerer 33 verbunden, und die erste Übersetzungswelle des ersten Verzögerers 33 ist mit der ersten Antriebswelle 35 koaxial verbunden, so dass die erste Antriebswelle 35 durch den ersten Motor 31 zum Drehen angetrieben werden kann.
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Die hohle Drehwelle 40 geht drehbar durch die dritte Trägerplatte 25 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 hindurch und ist mit der ersten Antriebswelle 35 der ersten Kraftquelle 30 durch eine erste Übersetzungseinheit 41 verbunden. Wie insbesondere in den 2, 3 und 6 gezeigt, weist die erste Übersetzungseinheit 41 eine erste Übersetzungs- Umlenkrolle 42 auf, eine zweite Übersetzungs-Umlenkrolle 43 und einen ersten Übertragungs-Riemen 44. Die erste Übersetzungs-Umlenkrolle 42 ist auf der dritten Trägerplatte 25 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und mit der ersten Antriebswelle 35 koaxial verbunden. Die zweite Übersetzungs-Umlenkrolle 43 ist auf der dritten Trägerplatte 25 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und mit der hohlen Drehwelle 40 koaxial verbunden. Der erste Übertragungs-Riemen 44 ist auf die erste und zweite Übersetzungs-Umlenkrolle 42 und 43 gezogen, damit die erste und zweite Übersetzungs- Umlenkrolle 42 und 43 synchron drehen können.
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Die erste Antriebswelle 35 der ersten Kraftquelle 30 treibt daher die erste Übersetzungs-Umlenkrolle 42 zum Drehen an, die erste Übersetzungs-Umlenkrolle 42 treibt die zweite Übersetzungs-Umlenkrolle 43 durch den ersten Übertragungs-Riemen 44 zum Drehen an, und die zweite Übersetzungs-Umlenkrolle 43 treibt die hohle Drehwelle 40 zum gleichzeitigen Drehen an.
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Die zweite Basis 50 ist unter der ersten Basis 20 angeordnet. Wie in den 3 und 5 gezeigt ist die zweite Basis 50 auf dem oberen Ende mit einer vierten Trägerplatte 51 und einer unter der vierten Trägerplatte 51 angeordneten fünften Trägerplatte 52 bereitgestellt. Die zweite Basis 50 ist auf dem unteren Ende mit einem Scheibenbereich 53 bereitgestellt. Wie in den 3 und 6 gezeigt, ist die vierte Trägerplatte 51 der zweiten Basis 50 mit dem unteren Ende der hohlen Drehwelle 40 koaxial verbunden, so dass die zweite Basis 50 durch die hohle Drehwelle 40 über eine erste Achse A1 zum Drehen relativ zu der ersten Basis 20 angetrieben werden kann. Die erste Achse A1 ist parallel zu der ersten Antriebswelle 35 der ersten Kraftquelle 30. Zudem kann, wie in 2 gezeigt, der Drehwinkel der zweiten Basis 50 durch einen ersten Winkelsensor 91 erfasst werden. Der erste Winkelsensor 91 ist auf der dritten Trägerplatte 25 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und mit der Steuereinrichtung 90 elektrisch verbunden, so dass das Erfassungs-ergebnis des ersten Winkelsensors 91 zur Bewertung an die Steuereinrichtung 90 übertragen werden kann.
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Die zweite Kraftquelle 60 und die erste Kraftquelle 30 sind auf der gleichen Seite der ersten Basis 20 angeordnet. Die zweite Kraftquelle 60 weist einen zweiten Motor 61, einen zweiten Verzögerer 63, und eine zweite Antriebswelle 65 auf. Der zweite Motor 61 ist auf der ersten Trägerplatte 23 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und weist eine zweite Ausgangswelle 62 auf. Der zweite Verzögerer 63 ist auf der zweiten Trägerplatte 24 des zweiten Arms 22 der ersten Basis 20 angeordnet und weist einen zweite Übersetzungswelle 64 auf. Wie in den 3 und 6 gezeigt, ist die zweite Ausgangswelle 62 des zweiten Motors 61 mit dem zweiten Verzögerer 63 verbunden, die zweite Übersetzungswelle 64 des zweiten Verzögerer 63 ist mit der zweiten Antriebswelle 65 koaxial verbunden, und die zweite Antriebswelle 65 geht koaxial zu der ersten Achse A1 durch die hohle Drehwelle 40 durch, so dass die zweite Antriebswelle 65 durch den zweiten Motor 61 zum Drehen relativ zu der hohlen Drehwelle 40 angetrieben werden kann.
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Die dritte Basis 70 weist einen durch den Scheibenbereich 53 der zweiten Basis 50 hindurch gehenden axialen Bereich 71 auf und ist mit der zweiten Antriebswelle 65 der zweiten Kraftquelle 60 durch eine zweite Übersetzungseinheit 75 verbunden. Wie insbesondere in den 4 bis 6 gezeigt, weist die zweite Übersetzungseinheit 75 eine dritte Übersetzungs-Umlenkrolle 76 auf, eine vierte Übersetzungs-Umlenkrolle 77 und einen zweiten Übertragungs-Riemen 78. Die dritte Übersetzungs-Umlenkrolle 76 ist auf der fünften Trägerplatte 52 der zweiten Basis50 angeordnet und mit der zweiten Antriebswelle 65 der zweiten Kraftquelle 60 koaxial verbunden. Die vierte Übersetzungs-Umlenkrolle 77 ist auf der rückseitigen Oberfläche des Scheibenbereichs 53 der zweiten Basis50 angeordnet und mit dem axialen Bereich 71 der dritten Basis 70 koaxial verbunden. Der zweite Übertragungs-Riemen 78 verbindet die dritte und vierte Übersetzungs-Umlenkrolle 76 und 77 so dass die dritte und vierte Übersetzungs-Umlenkrolle 76 und 77 synchron drehen können.
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Die zweite Antriebswelle 65 der zweiten Kraftquelle 60 treibt daher die dritte Übersetzungs-Umlenkrolle 76 zum Drehen an, die dritte Übersetzungs-Umlenkrolle 76 treibt die vierte Übersetzungs-Umlenkrolle 77 durch den zweiten Übertragungs- Riemen 78 zum Drehen an, und die vierte Übersetzungs-Umlenkrolle 77 treibt die dritte Basis 70 relativ zu der zweite Basis 50 über eine senkrecht zu der ersten Achse A1 stehenende zweite Achse A2 zum Drehen an. Zudem kann der Drehwinkel der dritten Basis 70 durch einen zweiten Winkelsensor 92 erfasst werden. Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist der zweite Winkelsensor 92 auf dem Scheibenbereich 53 der zweiten Basis 50 angeordnet und mit der Steuereinrichtung 90 elektrisch verbunden, so dass das Erfassungs-Ergebnis des zweiten Winkelsensors 92 zur Bewertung an die Steuereinrichtung 90 übertragen werden kann.
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Zudem weist, wie in den 7 und 8 gezeigt, die dritte Basis 70 weiter einen mit dem axialen Bereich 71 verbundenen Aufnahmeplatz 72 auf. Der Aufnahmeplatz 72 weist eine Anpassungsaussparung 73 auf. Die Anpassungsaussparung 73 ist auf der inneren Wand mit mehreren Positionierungsrillen 74 versehen. Die Dreheinheit 80 weist ein Lager 81, eine obere Kappe 82, ein Werkstück-Positionierungs-Element 85, zwei Schlüssel 87, und zwei elastische Elemente 88 auf. Das Lager 81 ist in der Anpassungsaussparung 73 angeordnet. Die obere Kappe 82 bedeckt die Anpassungsaussparung 73 und weist ein mit der Anpassungsaussparung 73 axial in Verbindung stehendes oberes Loch 83 und zwei sich gegenüberliegende und radial mit der Anpassungsaussparung 73 in Verbindung stehende Schlüssellöcher 84 auf. Das Werkstück-Positionierungs-Element 85 ist mittels Befestigungselemente 86, wie Schrauben, an der oberen Kappe 82 befestigt, insbesondere um ein Werkstück, wie ein Laparoskop, auf dem Werkstück-Positionierungs-Element 85 anzubringen und zu positionieren. Das obere Ende des Werkstück-Positionierungs-Element 85 ragt aus dem oberen Loch 83 hervor. Das untere Ende des Werkstück-Positionierungs-Element 85 ist an das Lager 81 durch eine Spange 89 befestigt. Der Schlüssel 87 ist in der oberen Kappe 82 angeordnet und wird mit einem Drückbereich 872 und einem Positionierbereich 874 bereitgestellt. Der Drückbereich 872 ist in das Schlüsselloch 84 der oberen Kappe 82 eingesetzt. Der Positionierbereich 874 ist zu einer der Positionierungsrillen 74 in Verbindung stehend angeordnet. Wenn dem Drückbereich des Schlüssels 87 nicht eine externe Kraft angelegt wird und der Schlüssel 87 daher, wie in 9 gezeigt, in einer ersten Position P1 angeordnet ist, kommt der Positionierbereich 874 des Schlüssel 87 zum Sperren des Drehens der Dreheinheit 80 relativ zu der dritten Basis 70 mit einer der Positionierungsrillen 74 der dritten Basis 70 in Eingriff. Wenn an dem Drückbereich 872 des Schlüssels 87 eine externe Kraft angelegt wird und daher der Schlüssel 87, wie in 10 gezeigt, in eine zweite Position P2 gebracht wird, wird der Positionierbereich 874 des Schlüssels 87 von der Positionierungsrille 74 getrennt, mit der er vorher in Eingriff stand, so dass die Dreheinheit 80 relativ zu der dritten Basis 70 über eine senkrecht zu der zweiten Achse A2 stehende dritte Achse A3 drehen kann. Das elastische Element 88 ist zum Halten des Schlüssels 87 in der ersten Position PI, wie in 9 gezeigt, zwischen dem Werkstück-Positionierungs-Element 85 und dem Schlüssel 87 angeordnet.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass in dem triaxialen Bewegungsgerät 10 der vorliegenden Erfindung, die zweite Basis 50, die dritte Basis 70 und die Dreheinheit 80 jeweils über verschiedene Achsen drehbar sind, so dass erfindungsgemäß die Position des Werkstücks entsprechend den praktischen Anforderungen geeignet angepasst und ein Einsatz bei einem auf minimalinvasive Chirurgie an Ohr und Nase spezialisierten chirurgischen Roboter möglich ist. Zudem, sind die großvolumigen Elemente des triaxialen Bewegungsgerätes 10 der vorliegenden Erfindung, wie die erste und zweite Kraftquelle 30 und 60, an der der gleichen Stelle zusammengefasst, was zum Minimieren des Volumens des mit der vorliegenden Erfindung versehenen chirurgischen Roboters wirksam ist.
