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Die Erfindung betrifft eine medizinische Kinematik mit virtuellem Drehpunkt (RCM) für einen Medizinroboter zum Führen eines an einer Instrumentenaufnahme angeordneten chirurgischen Instrumentes in einer Arbeitszone, mit einem Grundkörper, einem ersten Linearantrieb und einem zweiten Linearantrieb zum beweglichen Anordnen eines Momentandrehpunktes der Instrumentenaufnahme in der Arbeitszone und gleichzeitigen Schwenken der Instrumentenaufnahme um den Momentandrehpunkt. Weiterhin betrifft die Erfindung einen medizinischen Roboter mit einer solchen Kinematik sowie ein Verfahren zum Betreiben einer medizinischen Kinematik oder eines medizinischen Roboters.
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Bekannte medizinische Kinematiken, wie beispielsweise aus der
DE 10 2018 118 066 A1 bekannt, nutzen unterschiedliche Linearantriebe zum Erzeugen eines virtuellen Drehpunktes. Dabei werden unterschiedliche Anlenkungsmechaniken beispielsweise mit mehreren Führungen in Kurvenform geführt, um über ein Zusammenspiel der Bewegungen dieser Mechaniken und der Kurvenformen an einem Instrumentenhalter wirksam zu werden. Ziel dieser Anordnungen ist es, dass ein medizinisches Instrument um einen virtuellen Drehpunkt gedreht wird. Dieser Vorgang muss häufig auf kleinem Raum stattfinden, wobei trotzdem ein klar definierter virtueller Drehpunkt, beispielsweise an einer Eintrittsstelle an einem Körper, realisiert sein muss. Weitere robotische Kinematiken zur Erzeugung eines virtuellen Drehpunktes sind aus der
US 2015/0351857 A1 und der
DE 102013004459 A1 bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine medizinische Kinematik mit virtuellem Drehpunkt (RCM) für einen Medizinroboter zum Führen eines an einer Instrumentenaufnahme angeordneten chirurgischen Instruments in einer Arbeitszone, mit einem Grundkörper, einem ersten Linearantrieb und einem zweiten Linearantrieb zur beweglichen Anordnung eines Momentandrehpunkts der Instrumentenaufnahme in der Arbeitszone und gleichzeitigem Schwenken der Instrumentenaufnahme um den Momentandrehpunkt, wobei der erste Linearantrieb einen Fixpunkt zum Aufnehmen eines ersten Linearantriebsteils des ersten Linearantriebs am Grundkörper und einen ersten Führungspunkt zum Führen eines zweiten Linearantriebsteils des ersten Linearantriebs gegenüber dem Grundkörper in einer ersten Führungsbahn und der zweite Linearantrieb einen zweiten Fixpunkt zum Aufnehmen eines ersten Linearantriebsteils des zweiten Linearantriebs und einen zweiten Führungspunkt zum Führen des zweiten Linearantriebsteils des zweiten Linearantriebs gegenüber dem Grundkörper und/oder gegenüber dem zweiten Linearantriebsteil des ersten Linearantriebs in einer zweiten Führungsbahn aufweist, wobei eine der Führungsbahnen eine Führungskurve und zumindest der in der gegenüber der Führungsbahn mit der Führungskurve anderen Führungsbahn geführte Linearantrieb ein variables Übersetzungsverhältnis aufweist, sodass mittels einer zwischen dem ersten Linearantrieb und den zweiten Linearantrieb mechanisch wirkenden Übersetzungsanordnung und mittels eines Zusammenwirkens einer Geometrie der Führungskurve mit dem zumindest einen variablen Übersetzungsverhältnis der Momentandrehpunkt in einer Kreisbahn um den virtuellen Drehpunkt bewegbar ist und die Instrumentenaufnahme um den virtuellen Drehpunkt schwenkbar ist.
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Eine solche medizinische Kinematik kann dabei aufgrund der räumlich dicht beieinander angeordneten und einander zugeordneten Linearantriebe sehr kompakt gebaut werden, wobei insbesondere mittels der beweglichen Anordnung eines Momentandrehpunktes sichergestellt ist, dass allein aus geometrischen Zusammenhängen der mechanischen Bauteile, in diesem Zusammenhang der Ausführung der Führungskurve in Zusammenhang mit dem Übersetzungsverhältnis der Übersetzungsanordnung, der virtuelle Drehpunkt besonders sicher und präzise gehalten wird. Dabei kann insbesondere eine weitere Führungskurve für den jeweilig anderen Linearantrieb eingespart und durch das variable Übersetzungsverhältnis substituiert werden.
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In diesem Zusammenhang seien folgende Begriffe erläutert:
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Eine „medizinische Kinematik“ beschreibt eine Zusammenstellung von miteinander beweglich oder teilweise auch unbeweglich verbundenen Bauteilen, welche dazu dient, beispielsweise ein medizinisches Instrument zu führen und räumlich zu positionieren, wobei ein Positionieren hier sowohl ein Verschieben entlang von Linearachsen im Raum als auch ein Drehen um entsprechende Achsen umfassen kann. Eine solche medizinische Kinematik ist beispielsweise als gelenkiges Stabwerk oder dergleichen realisiert, kann allerdings auch Kugelgelenke, Schwenkgelenke oder dergleichen aufweisen.
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Eine solche medizinische Kinematik weist insbesondere einen „virtuellen Drehpunkt“ auf, welcher auch als ,,RCM", also als „remote center of motion“ bezeichnet wird. Damit ist insbesondere bezeichnet, dass ein solcher virtueller Drehpunkt nicht oder nur in bestimmten Fällen direkt im Bereich eines mechanischen Drehpunktes, wie beispielsweise einem Gelenk, angeordnet ist, sondern dass die medizinische Kinematik derart arbeitet, dass ein räumlicher Fixpunkt, nämlich der virtuelle Drehpunkt, ortsfest verbleibt, obwohl die medizinische Kinematik beliebige Bewegungen ausführt. Ein solcher virtueller Drehpunkt wird dabei insbesondere dafür verwendet, einen sogenannten ,,Trokarpunkt” zu bilden, nämlich einen Eintrittspunkt, beispielsweise in einen menschlichen Körper während einer minimal invasiven Operation. Somit kann beispielsweise ein Trokar, also eine Hülle eines medizinischen Instrumentes, derart geführt werden, dass laterale Kräfte auf den Eintrittsbereich vermieden oder verhindert werden. Dennoch ist ein Bewegen eines medizinischen Instrumentes innerhalb des Trokars oder eines anderen medizinischen oder chirurgischen Instrumentes um beispielsweise Rotations-Freiheitsgrade möglich. Auch ist ein Einschieben oder ein Herausziehen beispielsweise eines Instrumentes innerhalb des Trokars durch den virtuellen Drehpunkt hindurch möglich, ohne laterale Kräfte auf beispielsweise die Haut eines Patienten auszuüben.
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Ein ,,Medizinroboter" ist üblicherweise ein mehrachsiger Roboter welcher für telechirurgische Eingriffe, also teils oder vollständig maschinenunterstützte chirurgische Eingriffe, verwendet wird. Ein solcher Medizinroboter kann dabei beliebig als Knickarmroboter, Linearachsroboter oder anders ausgestalteter Roboter ausgeführt sein. Ebenso wird darauf hingewiesen, dass die mechanischen Grenzen zwischen den Medizinrobotern als beweglicher Fixpunkt für eine medizinische Kinematik und der medizinischen Kinematik selbst fließend sein können, insbesondere beide Bestandteile eines medizinischen Systems ineinander übergehen oder Teil voneinander sein können. Begrifflich dient der Medizinroboter dabei insbesondere als bewegliche Plattform für eine globale Bewegung eines medizinischen Instrumentes und die medizinische Kinematik häufig für eine Feinjustierung, beispielsweise für eine Feinpositionierung, auch mit dem genannten virtuellen Drehpunkt.
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In diesem Zusammenhang erfolgt ein ,,Führen" derart, dass das chirurgische oder medizinische Instrument definiert positioniert werden kann, so beispielsweise entlang Achsen bewegt oder um Achsen gedreht werden kann. Ein solches Führen kann dabei ganz oder teilweise manuell erfolgen, aber auch elektronisch und/oder technisch unterstützt sein, also beispielsweise mittels einer Fernsteuerung, mittels eines Joysticks oder mittels anderer Bedienelemente erfolgen.
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Eine ,,Instrumentenaufnahme" beschreibt den Teil der medizinischen Kinematik, in welchem ein chirurgisches Instrument aufgenommen ist, beispielsweise als wechselbares chirurgisches Instrument mit einer entsprechenden Schnittstelle. Demnach ist eine Instrumentenaufnahme beispielsweise ein mechanisches Bauteil, welches als in Richtung des zu behandelnden Körpers letztvorkommendes Bauteil an der medizinischen Kinematik angeordnet ist, bevor das chirurgische Instrument in distaler Richtung angeschlossen werden kann.
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Ein „chirurgisches Instrument“ kann dabei beispielsweise ein Laparoskop, ein Endoskop oder ein chirurgisches Arbeitsinstrument sein, welches mittels der medizinischen Kinematik in Bezug zu beispielsweise einem Patienten geführt werden soll. Insbesondere kann ein solches chirurgisches Instrument auch Mittel zum Vorbereiten und/oder zum Nachbereiten eines Eingriffes, wie beispielsweise Klebe-, Heft- oder Nähhilfen oder auch Schneidwerkzeuge aufweisen oder diese bereithalten.
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Eine ,,Arbeitszone" beschreibt in diesem Zusammenhang den Bereich, in dem beispielsweise ein Bediener mittels der medizinischen Kinematik und des chirurgischen Instruments tätig wird. So ist die Arbeitszone beispielsweise ein Bereich eines Arbeitstisches oder eines Behandlungstisches, eines darauf liegenden Patienten sowie einer entsprechend zweckdienlichen Umgebung zum Vorbereiten und beispielsweise Vorpositionieren der medizinischen Kinematik und/oder chirurgischen Instruments. Eine solche Arbeitszone ist insbesondere nicht streng definiert, sondern ergibt sich aus dem Kontext, beispielsweise einer durchzuführenden Operation.
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Die medizinische Kinematik weist dabei einen ,,Grundkörper" auf, an welchem übrige Bestandsteile der medizinischen Kinematik angeordnet sind. Ein solcher Grundkörper ist insbesondere auch mit einer Koppelstelle in Richtung eines Medizinroboters versehen oder kann auch ein, ausgehend von einem medizinischen Roboter in Richtung der medizinischen Kinematik gesehen letztes Bauteil eines solchen Medizinroboters an einem distalen Ende des medizinischen Roboters sein, wobei die Grenzen hier fließend sein können.
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Ein jeweiliger der medizinischen Kinematik zugehöriger ,,Linearantrieb" ist eine technische Einrichtung, welche eine Bewegung entlang einer jeweiligen Linearachse initiieren kann. Ein solcher Linearantrieb ist dabei beispielsweise ein Linearmotor, eine Linearführung, ein linear geführter Spindeltrieb oder dergleichen. Hierbei ist die im Begriff befindliche Linearität derart zu verstehen, dass technisch sinnvolle Abweichungen zu tolerieren sind, sodass beispielsweise ein Linearantrieb auch leicht bogenförmig oder Wellenförmig oder in ähnlicher Art angeordnet und ausgestattet sein kann. In diesem Zusammenhang ist keine mathematisch präzise Linearität der Antriebsbewegung notwendig und/oder je nach den räumlichen Anforderungen sogar ausdrücklich nicht gefordert. Ein jeweiliger Linearantrieb weist dabei einen ersten ,,Linearantriebsteil" und einen zweiten ,,Linearantriebsteil" auf, wobei der erste Linearantriebsteil beispielsweise ortsfest und der zweite Linearantriebsteil beispielsweise gegenüber dem ersten Linearantriebsteil beweglich ausgestaltet ist
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Mittels eines der Linearantriebe wird ein sogenannter ,,Momentandrehpunkt" beweglich in der Arbeitszone angeordnet, wobei ein solcher Momentandrehpunkt dabei analog zum virtuellen Drehpunkt ausgestaltet ist, wobei der ,,Momentandrehpunkt" innerhalb der medizinischen Kinematik besteht und daher im Bezug zu anderen Bauteilen, beispielsweise zu Bestandteilen des ersten Linearantriebs, fest angeordnet ist, im Gegensatz zum virtuellen Drehpunkt muss dieser Momentandrehpunkt jedoch nicht fest im Bezug zur Arbeitszone stehen sondern ist beweglich in dieser angeordnet. Dieser Momentandrehpunkt ist dabei beispielsweise ein Gelenk, ein Lager oder eine analog wirkende Anordnung, um die dann weitere Bauteile geschwenkt werden können.
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Ein ,,Schwenken" der Instrumentenaufnahme beschreibt in dem Zusammenhang eine rotatorische Bewegung der Instrumentenaufnahme um den Momentandrehpunkt, wobei dabei auch eine translatorische Bewegung der Instrumentenaufnahme Folge einer Bewegung des Momentandrehpunktes sein kann. Der Bezug wird hierbei beispielsweise zwischen der Instrumentenaufnahme und dem Momentandrehpunkt derart hergestellt, dass der Momentandrehpunkt als Rotationspunkt der Instrumentenaufnahme dient. Ein solches Schwenken erfolgt insbesondere in einer Ebene.
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Der Linearantrieb weist dabei einen ,,Fixpunkt" auf, wobei dieser Fixpunkt gegenüber dem Grundkörper oder auch gegenüber dem jeweils anderen Linearantrieb besteht und eine drehfeste oder insbesondere eine drehbewegliche Aufnahme eines ersten Linearantriebsteils ermöglicht. So ist beispielsweise dieser erste ,,Linearantriebsteil" ein feststehender Bestandteil des Linearantriebs, wobei dieser schwenkbar oder schwenkbeweglich an dem Fixpunkt aufgenommen ist und ein weiterer Linearantriebsteil den beweglichen Teil des Linearantriebs darstellt. Ist ein solcher Linearantrieb als Spindeltrieb ausgeführt, so wäre beispielsweise die Spindel des Linearantriebs in Axialrichtung fest, jedoch mit einer Spindelachse in einer Ebene schwenkbar oder drehbar um den Fixpunkt an diesem aufgenommen und ein entsprechender Bestandteil mit einer Spindelmutter würde den beweglichen Linearantriebsteil des Linearantriebs darstellen.
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Dabei wird ein ,,Führungspunkt", welcher dem weiteren Linearantriebsteil, im dargelegten Beispiel dem beweglichen Linearantriebsteil mit Spindelmutter, zugeordnet ist, entlang einer ,,Führungsbahn" geführt. Diese Führungsbahn dient der räumlichen Führung des Führungspunktes bei einem Verlängern oder Verkürzen des Linearantriebsteils. Sofern ein Fixpunkt drehbeweglich ausgeführt ist, sodass der Linearantrieb um den Fixpunkt drehend während seines Betriebes von einer verkürzten in eine verlängerte Position oder in einer umgekehrten Bewegung beweglich ist, kann der Linearantrieb eine geführte, beispielsweise oszillierende, wellenartige Bewegung durchführen. Die Führungsbahn weist dann eine ,,Führungskurve" mit einer nicht geradlinigen ,,Geometrie" auf, welche beispielsweise den gekrümmten oder bogenförmigen Verlauf der Führungskurve beschreibt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass insbesondere eine mechanische Kopplung der Führungsbahn und/oder der Führungskurve zum Führungspunkt derart erfolgt, dass eine Zwangsführung stattfindet.
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Eine ,,Kreisbahn", welche sich als Bewegungslinie des Momentandrehpunkts um den virtuellen Drehpunkt ergibt, ist in diesem Zusammenhang nicht ausschließlich als mathematisch exakte Kreisbahn, also als kreisförmiger Verlauf im mathematischen Sinne zu verstehen, sondern dient beispielhaft der Veranschaulichung und kann entsprechend tolerierbare Abweichungen aufweisen. Die Kreisbahn definiert sich in diesem Zusammenhang derart, dass der virtuelle Drehpunkt in entsprechend notwendigen Toleranzen als im Raum feststehender Punkt eingehalten wird. Ebenso kann als Kreisbahn oder alternativ zu einer Kreisbahn auch eine andere mathematische Funktion abgebildet sein, beispielsweise eine elliptische Bahn, eine parabolische Bahn oder eine beliebige andere insbesondere geschlossene Bahn oder Bahnkurve, jeweils mit technisch bedingten Abweichungen vom mathematischen Idealzustand.
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Zwischen dem ersten Linearantrieb und dem zweiten Linearantrieb ist eine sogenannte ,,Übersetzungsanordnung" wirksam, welche ein variables ,,Übersetzungsverhältnis" aufweist und den ersten Linearantrieb und den zweiten Linearantrieb derart koppelt, dass ein mechanisches Zusammenwirken, also ein gleichzeitiger Betrieb des zweiten Linearantriebs bei beispielsweise einem Antrieb des ersten Linearantriebs von außen erfolgt. Das „variable Übersetzungsverhältnis“ beschreibt dabei eine Eigenschaft eines einzelnen Linearantriebs derart, dass entlang beispielsweise einer Bewegungslänge des jeweiligen Linearantriebs der Linearantrieb mit einer veränderlichen Übersetzung angetrieben wird, also bei einem gleichförmigen Antrieb des Linearantriebs seine Linearbewegung gemäß einer nicht konstanten oder auch nicht linearen Funktion durchführt. Eine Übersetzungsanordnung kann dabei an sich beispielsweise mit einem formschlüssigen Antrieb in Form eines Zahnriemens, in Form von Zahnrädern oder eines anderswirkenden Getriebes zwischen den Linearantrieben realisiert sein, wobei dann auch diese oder andere Teile der Übersetzungsanordnung den variablen Anteil der Übersetzung realisieren können. So kann beispielsweise auch mittels eines Zahnriemens ein Antrieb einer Gewindespindel mit einem festen Übersetzungsverhältnis erfolgen, wobei die Gewindespindel selbst dann eine variable Steigung aufweist, um das variable Übersetzungsverhältnis zu erreichen. Alternativ kann auch eine elektronische Kopplung über beispielsweise eine entsprechende Synchronisation von Schrittmotoren mit einem in einer Steuerung hinterlegten variablen Übersetzungsverhältnis realisiert sein, sofern dies beispielsweise in Bezug zum Bauraum oder der Anordnung der Bauteile zweckdienlich ist.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass das variable Übersetzungsverhältnis aufgrund der räumlichen und geometrischen Gegebenheiten derart gewählt ist, dass aus dem Zusammenwirken der Geometrie der Führungskurve mit dem variablen Übersetzungsverhältnis zu jedem Punkt einer entsprechenden Schwenkbewegung die Instrumentenaufnahme um den virtuellen Drehpunkt schwenkbar ist, der virtuelle Drehpunkt also im Rahmen der gewünschten Toleranzen unverschieblich im Raum angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform kann dabei die dem zweiten Linearantriebsteil des ersten Linearantriebs zugeordnete erste Führungsbahn die Führungskurve aufweisen, wobei insbesondere die dem zweiten Linearantriebsteil des zweiten Linearantriebs zugeordnete zweite Führungsbahn im Wesentlichen geradlinig ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform weist die dem zweiten Linearantriebsteil des zweiten Linearantriebs zugeordnete zweite Führungsbahn die Führungskurve auf, wobei insbesondere die dem zweiten Linearantriebsteil des ersten Linearantriebs zugeordnete erste Führungsbahn im Wesentlichen geradlinig ausgebildet ist und insbesondere die Instrumentenaufnahme gegenüber dem zweiten _Linearantriebsteil des ersten Linearantriebs im Wesentlichen in einer Richtung durch den virtuellen Drehpunkt beweglich am zweiten Linearantriebsteil aufgenommen ist.
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So kann in unterschiedlichen Ausführungsformen und beispielsweise abhängig von einem zur Verfügung stehenden Bauraum entweder der erste Linearantrieb oder der zweite Linearantrieb mit der Führungskurve ausgestattet sein, wobei der jeweils andere Linearantrieb geradlinig geführt ist.
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Um einen gleichmäßigen Übergang der Bewegungen zu realisieren und die medizinische Kinematik möglichst einfach aufbauen zu können, ist die Geometrie der Führungskurve bogenförmig, parabolisch und/oder elliptisch, wobei ein jeweiliger Krümmungsmittelpunkt der Geometrie und/oder ein jeweiliger Krümmungsmittelpunkt des jeweiligen Abschnittes der Geometrie, also des bogenförmigen Abschnittes, des parabolischen Abschnittes und/oder des elliptischen Abschnittes von der Geometrie ausgehend in Richtung des virtuellen Drehpunktes angeordnet ist.
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Es hat sich in diesem Zusammenhang herausgestellt, dass eine derartige Anordnung besonders kompakt zu realisieren ist, wodurch beispielsweise der während einer Operation in der Nähe eines Patienten befindliche, naturgemäß stark begrenzte Raum im Arbeitsraum sehr effizient genutzt werden kann.
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Die Begriffe ,,bogenförmig", ,,parabolisch" und/oder ,,elliptisch" beschreiben hierbei eine Ausgestaltung entsprechend der jeweiligen mathematischen Bezeichnung, wobei jedoch ausdrücklich entsprechend technisch bedingte Toleranzen mit abgedeckt sind. In diesem Zusammenhang kann die Führungskurve auch aus unterschiedlichen bogenförmigen, parabolischen und/oder elliptischen Anteilen zusammengesetzt sein, sodass insgesamt insbesondere eine stetige und differenzierbare Führungskurve für ein gleichmäßiges und ruckfreies Führen des chirurgischen Instruments entsteht.
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Ein ,,Krümmungsmittelpunkt" beschreibt dabei den jeweils momentan vorliegenden Mittelpunkt der Kreisbahn eines entsprechend gekrümmten Abschnittes der Führungskurve in jedem Punkt der Kurve.
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In einer Ausführungsform weist die Führungskurve zumindest eine Kulissenführung auf, wobei der Führungspunkt einen in der zumindest einen Kulissenführung geführten Zapfen aufweist. Alternativ zu einem in eine Kulissenführung eingreifenden Zapfen kann beispielsweise auch eine über eine Kulissenschiene greifende Führungsklammer verwendet werden, wenn dies beispielsweise aus Gründen der einfacheren Fertigung angezeigt ist.
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Vorteil einer solchen Kulissenführung mit einem entsprechenden Zapfen oder einer analogen Ausführung ist die zwangsweise Führung der Bauteile entlang der Führungskurve, sodass in einer kompakten mechanischen Anordnung ein Abweichen der Bewegung der medizinischen Kinematik von einer Bewegung um den virtuellen Drehpunkt herum nahezu unmöglich ist.
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Eine ,,Kulissenführung" beschreibt in diesem Zusammenhang ein Getriebeelement, welches üblicherweise einen Schlitz, einen Steg oder eine Nut aufweist und einen in oder an der Kulisse geführten Zapfen, welcher auch Kulissenstein genannt wird, oder ein alternatives Führungsmittel führt und damit einen entlang der Längsausdehnung der Kulisse vorgezeichneten Bewegungsweg aufprägt.
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Beispielsweise ist eine solche Kulissenführung als in ein flächiges Bauteil eingebrachter, entlang seiner Längsrichtung geformter Schlitz ausgebildet, wobei ein entsprechender ,,Zapfen" beispielsweise ein Rundzapfen sein kann, welcher dann idealerweise spielfrei innerhalb der Kulissenführung geführt ist.
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Um die medizinische Kinematik besonders kompakt ausführen zu können, ist der zweite Linearantrieb im Wesentlichen parallel zum ersten Linearantrieb wirkend angeordnet und/oder ein erster Linearantriebsteil des zweiten Linearantriebs dem zweiten Linearantriebsteil des ersten Linearantriebs zugeordnet, wobei insbesondere der zweite Linearantriebsteil des zweiten Linearantriebs über die Übersetzungsanordnung mit dem variablen Übersetzungsverhältnis angetrieben wird.
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,,Im Wesentlichen parallel" beschreibt hierbei ein grundsätzlich paralleles Wirken, wobei entsprechend technisch bedingte Abweichungen von beispielsweise ± 10 ° oder auch ± 15° mit abgedeckt sind. Winkelangaben beziehen sich in diesem Zusammenhang auf einen Vollwinkel von 360 Grad.
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In einer Ausführungsform ist dem zweiten Linearantriebsteil eines der Linearantriebe ein Hebel zugeordnet, wobei der Hebel bei einem Schwenken der Instrumentenaufnahme um den Momentandrehpunkt mittels des jeweiligen Linearantriebs drehbar mechanisch wirkend mit der Instrumentenaufnahme verbunden ist.
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Ein solcher Hebel kann dabei mit beispielsweise einem ersten Hebeldrehpunkt und einem zweiten Hebeldrehpunkt im Sinne einer Koppelstange wirkend so ausgestaltet sein, dass die entsprechende Anordnung Teil des Übersetzungsverhältnisses ist und damit einen besonders kompakten Aufbau der medizinischen Kinematik ermöglicht ist.
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Ein ,,Hebel" kann in diesem Zusammenhang beispielsweise ein Steg mit einem ersten Drehpunkt und einem zweiten Drehpunkt sein, welcher in einer Funktion analog einer Schubstange oder einer Koppelstange mit beidseitig beweglicher Aufnahme wirkt.
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Um entsprechende Baugruppen, beispielsweise für das Herstellen unterschiedlicher medizinischer Kinematiken unterschiedlicher Wirkgrößen zu ermöglichen, ist das variable Übersetzungsverhältnis mittels eines über eine Bewegungslänge des zweiten Linearantriebs veränderbaren Antriebsverhältnisses des ersten Linearantriebs und/oder des zweiten Linearantriebs realisiert.
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So kann beispielsweise der zweite Linearantrieb mit einem über seine Bewegungslänge veränderlichen Antriebsverhältnis ausgestaltet sein, sodass eine entsprechende Kombination von Linearantrieben mit entsprechenden üblichen Baugruppen jeweils eine unterschiedliche Anordnung eines virtuellen Drehpunkts in Bezug zum Grundkörper der medizinischen Kinematik ermöglicht. Damit wird die Produktion unterschiedlicher medizinischer Kinematiken, beispielsweise für unterschiedliche Bewegungsanforderungen, stark vereinfacht.
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In einer Ausführungsform weist dabei einer der Linearantriebsteile des jeweiligen Linearantriebs eine Spindel mit strahlförmig entlang der Bewegungslänge angeordneten Steigungsflanken und einer über die Bewegungslänge variablen Steigung der Steigungsflanken auf, wobei dem jeweils anderen Linearantriebsteil des jeweiligen Linearantriebs eine auf der Spindel geführte Spindelmutter mit in die Steigungsflanken eingreifenden Eingriffselementen zugeordnet ist.
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Eine ,,Spindel" ist beispielsweise eine gewindeähnlich ausgestaltete stabförmige Anordnung, welche in diese Spindel eingebrachte ,,Steigungsflanken" aufweist, welche analog von Gewindegängen eingebracht sind. In diese ,,Steigungsflanke" greifen jeweils entsprechende ,,Eingriffselemente" ein, welche beispielsweise in Form von korrespondierend zu einer Querschnittsgeometrie der Steigungsflanken ausgebildete Gleitstücke sind.
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Um eine solche Spindel mit einer entsprechenden Spindelmutter möglichst spielfrei nutzen zu können, wie dies bei medizinischen Kinematiken besonders wichtig ist, weist die Spindelmutter zwischen den Eingriffselementen wirkende elastische Ausgleichsmittel zum Ausgleichen entlang der Bewegungslänge auftretende Abstandsdifferenzen, der jeweiligen veränderlichen Geometrie durch die variable Steigung und/oder Toleranzen zwischen und/oder an jeweiligen Steigungsflanken auf.
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Ein solches „elastisches Ausgleichsmittel“ kann beispielsweise eine Feder oder ein Federelement sein, wobei unterschiedliche Eingriffselemente mittels des elastischen Ausgleichsmittels gegeneinander verspannt in eine jeweilige Wirkrichtung der Spindel wirken und somit Abstandsdifferenzen und/oder Toleranzen ausgleichen können. Hierbei können mechanische Federn sowie auch hydraulische Federeinrichtungen oder gleichwirkende Mittel eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform ist der Instrumentenaufnahme ein dritter Linearantrieb mit einer durch den virtuellen Drehpunkt verlaufenden Bewegungsachse zum linearen Bewegen des chirurgischen Instruments durch den virtuellen Drehpunkt hindurch zugeordnet.
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Ein solcher dritter Linearantrieb kann dabei beispielsweise eine Eindringtiefe des chirurgischen Instrumentes in einen zu behandelnden Körper derart realisieren, dass der virtuelle Drehpunkt unverändert bleibt, weswegen der dritte Linearantrieb eine im Wesentlichen durch den virtuellen Drehpunkt verlaufende Bewegungsachse aufweist. Auch in diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass entsprechend technisch bedingte Abweichungen ausdrücklich mit inbegriffen sind.
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Ebenso kann dem Grundkörper eine Drehaufnahme mit einer Drehachse zum drehbeweglichen Verbinden der medizinischen Kinematik mit einem medizinischen Roboter zugeordnet sein, wobei die Drehachse windschief zu einer Bewegungsachse des ersten Linearantriebs angeordnet ist.
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Mittels einer solchen Drehaufnahme mit einer entsprechenden Drehachse kann damit eine aufgrund der vorherigen Ausgestaltung der medizinischen Kinematik im Wesentlichen zweidimensionale Wirkweise auf eine dritte Dimension erweitert werden, wobei die Anordnung der Drehachse insbesondere derart erfolgt, dass die Drehachse durch den virtuellen Drehpunkt verläuft. Damit kann die Bewegung der medizinischen Kinematik in allen sechs Freiheitsgraden, nämlich in drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgraden erfolgen.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen medizinischen Roboter mit einer medizinischen Kinematik gemäß einer der vorig beschriebenen Ausführungsformen. Ein solcher medizinischer Roboter nutzt alle Vorteile der medizinischen Kinematik und kann zudem die medizinische Kinematik global im Arbeitsraum oder auch außerhalb des Arbeitsraumes positionieren und führen, sodass insgesamt ein einfach anwendbares kompaktes medizinisches System bereitgestellt wird.
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In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer medizinischen Kinematik gemäß einer der vorherig bezeichneten Ausführungsformen und/oder eines medizinischen Roboters mit einem virtuellen Drehpunkt mit folgenden Schritten:
- - Anordnen der medizinischen Kinematik in der Arbeitszone, sodass die medizinische Kinematik in der Arbeitszone angeordnet ist,
- - Führen der medizinischen Kinematik und/oder des medizinischen Roboters um den virtuellen Drehpunkt (RCM) mittels eines Zusammenwirkens der Geometrie der Führungskurve mit dem variablen Übersetzungsverhältnis, sodass die Instrumentenaufnahme um den virtuellen Drehpunkt geschwenkt wird,
sodass die medizinische Kinematik mit einem virtuellen Drehpunkt betrieben ist.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Kinematik für einen medizinischen Roboter in einer Seitenansicht,
- 2 eine schematische Übersichtsdarstellung eines medizinischen Roboters mit einer Kinematik der 1,
- 3a bis 3c die Kinematik der 1 in unterschiedlichen Positionen, sowie
- 4 eine schematische Detaildarstellung eines Spindeltriebes der Kinematik der 1.
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Eine Kinematik 101 für medizinische Zwecke ist eine sogenannte ,,RCM"-Mechanik, welche zum Führen eines medizinischen Instrumentes nutzbar ist. Die Kinematik 101 weist einen Grundkörper 103 auf. Der Grundkörper 103 dient dem Halten der weiteren Bauteile der Kinematik 101 und damit auch als mechanisches Bezugssystem für die Bewegung weiterer Bauteile. Der Grundkörper 103 ist mittels eines Drehgelenkes 141 an einem medizinischen Roboter anschließbar, wobei eine Drehung um eine Drehachse 183 des Drehgelenkes 141 in Bezug zum medizinischen Roboter ermöglicht ist.
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Am Grundkörper 103 ist eine Führung 105 angeordnet, wobei ein statischer Teil 109 der Führung mittels eines Fixpunktes 143 drehbar, jedoch ortsfest mit dem Grundkörper 103 verbunden ist. Ein beweglicher Teil 111 der Führung 105, welcher gegenüber dem statischen Teil 109 längsverschieblich angeordnet ist, kann dabei auf dem statischen Teil 109 in Bezug zum Fixpunkt 143 hin- und hergleiten. An dem beweglichen Teil 111 ist ein Führungspunkt 145 angeordnet, welcher als Zapfen ausgeführt ist. Dieser Führungspunkt 145 gleitet in einer Kulisse 147, wobei die Kulisse 147 am Grundkörper 103 angeordnet ist. Die Kulisse 147 ist dabei bogenförmig, wobei somit bei einer Längsverschiebung des beweglichen Teils 111 gegenüber dem statischen Teil 109 der Führung 105 eine entsprechend oszillierende Bewegung der Führung 105 initiiert ist.
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Zum Antrieb der Führung 105 dient ein Linearantrieb 108, wobei eine Spindel 110 axial fest gegenüber dem Fixpunkt 143 angeordnet ist und ein beweglicher Teil 112 mechanisch axial fest mit dem beweglichen Teil 111 der Führung 105 verbunden ist. Somit kann der bewegliche Teil 111 der Führung 105 mittels dem Linearantriebe 108 axial bewegt werden, womit die obig beschriebene oszillierende Bewegung ausgelöst wird. Die Führung 105 dient dabei lediglich der Aufnahme mechanischer Kräfte und ist damit Bestandteil des Linearantriebes 108 im Sinne des Wirkzweckes, nämlich des Antriebs in linearer Richtung.
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Ebenso der Führung 105 zugeordnet ist ein Linearantrieb 107, wobei eine Spindel 113 des Linearantriebs 107 über einen Lagerpunkt 117 ebenso drehbar, aber axial fest gegenüber dem Fixpunkt 143 angeordnet ist. Ein beweglicher Teil 116, welcher mittels der Spindel 113 angetrieben wird, ist analog zu den vorig beschriebenen Vorgängen axial, und zwar parallel zur Führung 105 und Linearantrieb 108, verschieblich. Dazu ist der bewegliche Teil 116 in einem Stützrohr 115 längsbeweglich aufgenommen, insbesondere um ein Verkippen gegenüber der Spindel 113 zu vermeiden und um den beweglichen Teil 116 zu führen.
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Der Linearantrieb 107 weist dabei ein variables Übersetzungsverhältnis auf, welches in späteren Ausführungen detailliert erläutert werden wird.
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Zwischen dem Linearantrieb 108 und dem Linearantrieb 107 besteht eine mechanische Kopplung in Form eines Zahnriemengetriebes (nicht dargestellt), sodass eine Drehbewegung des Linearantriebs 108 mit einer Drehbewegung des Linearantriebs 107 synchronisiert ist. Insgesamt ergibt sich damit aus dieser mechanischen Kopplung sowie der variablen Übersetzung des Linearantriebs 107 über seine Bewegungslänge ein variables Übersetzungsverhältnis zwischen dem Linearantrieb 108 und dem Linearantrieb 107.
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Die Führung 105 dient dazu, einen Momentandrehpunkt 185 im Raum zu bewegen. Um den Momentandrehpunkt 185 schwenkbar angeordnet ist ein Instrumentenhalter 121. Der Instrumentenhalter 121 weist eine Laufschiene 123 auf, auf der ein Linearantrieb 125 angeordnet ist. Mittels des Linearantriebs 125 wird ein Schaft 127 als Teil eines chirurgischen Instrumentes längsverschieblich an der Laufschiene 123 aufgenommen. Der Schaft 127 weist zudem eine Zuleitung 131 auf, die beispielhaft für im Trokar 127 geführte Instrumente, Beleuchtungseinrichtungen und dergleichen steht. Der Schaft 127 weist weiterhin eine Instrumentenspitze 129 auf.
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Der Linearantrieb 107, insbesondere der bewegliche Teil 116 des Linearantriebes 107, ist mit einem Hebel 119 versehen. Der bewegliche Teil 116 ist dabei im Stützrohr 115 geführt und mittels des Hebels 119 derart mit dem Instrumentenhalter 121 verbunden, dass der Instrumentenhalter 121 mittels des Linearantriebes 107 über den Hebel 119 angetrieben ist. Die Linearbewegung des Linearantriebs 107 wirkt dabei mittels des Hebels 119 und dem sich aus der Anordnung des Hebels ergebenden weiteren Übersetzungsbeteiligung auf die Instrumentenhalterung 121. Insgesamt ist also aus dem Linearantrieb 107 und dem Hebel 119 ein Schwenkantrieb für die Instrumentenhalterung 121 gebildet. Somit lässt sich der Instrumentenhalter 121 mittels des Linearantriebs 107 und der Koppelwirkung des Hebels 119 um den Momentandrehpunkt 185 schwenken.
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Die geometrischen Zusammenhänge seien im Folgenden noch einmal detailliert erläutert:
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Für beispielsweise chirurgische Eingriffe ist es zweckdienlich, dass ein chirurgisches Instrument um einen virtuellen Drehpunkt dreht, also an beispielsweise einer Eintrittsstelle in einen Körper keine Lateralbewegung durchführt. In diesem Zusammenhang weist der Schaft 127 einen sogenannten Trokarpunkt, nämlich den virtuellen Drehpunkt 181 auf, an dem der Schaft 127 beispielsweise in einem Trokar eingeführt ist. Die Kulisse 147, welche auf den Zapfen 145 wirkt, ist im Zusammenhang mit der Übersetzung des Linearantriebs 108 zum Linearantrieb 107 und des variablen Übersetzungsverhältnisses über die Bewegungslänge des Linearantriebs 107 in Zusammenwirkung mit dem Hebel 119 derart ausgestaltet, dass der Momentandrehpunkt 185 bei einem Antrieb des Linearantriebs 108 eine Kreisbahn um den virtuellen Drehpunkt 181 beschreibt, nämlich die Kreisbahn 187. Ebenso ist der Winkel der Drehachse 183 zu entsprechenden Bewegungsachsen der Linearantriebe windschief eingestellt und zwar derart, dass die Drehachse 183 durch den virtuellen Drehpunkt 181 verläuft. Somit kann eine Bewegung des Instruments unter Nutzung der Kinematik 101 und eine Drehung der Kinematik 101 um die Drehachse 183, beispielsweise an einem medizinischen Roboter, so erfolgen, dass der virtuelle Drehpunkt 181 fest im Raum, also beispielsweise auch fest im Bezug zu einer Eintrittsstelle an einem Patienten bleibt.
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Beispielhaft sei hierzu ein medizinischer Roboter 201 mit einem Fuß 203 sowie einem Arm 205 beschrieben, wobei an einem distalen Ende des Arms 205 die Kinematik 101 angeschlossen ist. Der virtuelle Drehpunkt 181 befindet sich dabei fest an einer Begrenzung eines beispielhaften Körpers 250, welcher auf einem Tisch 252, also beispielsweise einem Operationstisch, liegt.
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Die Wirkung der Kinematik 101 sei noch einmal detailliert dargestellt (vergleiche hierzu auch 3a bis 3c):
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Unabhängig von der jeweiligen Position des Linearantriebs 108 und des Linearantriebs 107 in Bezug zum Grundkörper 103 der Kinematik 101, ist in unterschiedlichen Positionen 301, 303 und 305 (vgl. 3a, 3b, 3c) jeweils eine Bewegung des Momentandrehpunkts 185 auf der Kreisbahn 187 um den virtuellen Drehpunkt 181 zu beobachten. Dabei wird mittels des Linearantriebs 107 die Schwenkbewegung der Instrumentenaufnahme 121 so nachgeführt, dass es zu keinen technisch schädlichen Abweichungen von dieser Bewegung kommt. Auch eine Rotation der Kinematik 101 um die Drehachse 183 hat hier keinen negativen Einfluss.
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Ein Spindeltrieb 401, wie er im Linearantrieb 107 Verwendung findet, sei hier noch einmal detailliert erläutert:
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Der Spindeltrieb 401 weist die Spindel 113 mit spiralförmigen, gewindeähnlichen Flanken 114 auf, wobei die entsprechenden Flanken Teil eines U-förmigen Profils sind.
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Korrespondierend zum Profil dieser Flanken 114 ist innerhalb einer Spindelmutter 403 ein Zapfen 405 radial zur Spindel 113 geführt und greift mit einem Kopfbereich 406 in eine Flanke 114 ein. Damit ist ein fester Bezug in Längsrichtung entlang einer Längsachse 481 durch den Zapfen 405 erstellt. Der Zapfen 405 dient dabei als fest gegenüber der Spindelmutter 403 angeordneter Zapfen. Weitere Zapfen 407, welche drehfest aber längs verschiebbar in Langlöchern geführt in der Spindelmutter 403 angeordnet sind und ebenfalls radial zur Spindel 113 angeordnet und in die Flanken 114 eingreifend positioniert sind, werden mittels Federn 409 in Bezug zu dem Zapfen 405 spielfrei gehalten, sodass mittels der Federn 409 ein Verspannen der Zapfen 405 und 407 innerhalb der Flanken 114 erfolgt und damit insgesamt ein spielfreies Führen der Spindelmutter 403 auf der Spindel 113 ermöglicht ist.
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Die variable Steigung der Flanken 114 entlang einer Längsachse 481 der Spindel 113 (vgl. 4) ist dabei Teil des variablen Übersetzungsverhältnisses des Linearantriebs 107 gegenüber dem Linearantrieb 108. Die Zapfen 405 dienen dabei gemeinsam mit den Zapfen 407 und den Federn 409 neben dem Ausgleich von Spiel auch einem Ausgleich der veränderten Abstände der Flanken 114 zueinander, die sich aus der variablen Steigung ergeben.
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Die Spindelmutter 403 ist im obigen Beispiel der Kinematik 101 mit dem beweglichen Teil 116 des zweiten Linearantriebs 107 mechanisch verbunden und stellt die kontrollierte Bewegung des beweglichen Teils 116 in Bezug zur Spindel 113 sicher, wobei der bewegliche Teil 116 zur Entkopplung der Kraftaufnahme im Stützrohr 115 geführt ist, sodass die Spindel 113 gemeinsam mit der Spindelmutter 403 nur axiale Kräfte aufnehmen muss.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Kinematik
- 103
- Grundkörper
- 105
- Führung
- 107
- Linearantrieb
- 108
- Linearantrieb
- 109
- statischer Teil
- 110
- Spindel
- 111
- beweglicher Teil
- 112
- beweglicher Teil
- 113
- Spindel
- 114
- Flanke
- 115
- Stützrohr
- 116
- beweglicher Teil
- 117
- Lagerpunkt
- 119
- Hebel
- 121
- Instrumentenhalter
- 123
- Laufschiene
- 125
- Linearantrieb
- 127
- Schaft
- 129
- Instrumentenspitze
- 131
- Zuleitung
- 141
- Drehgelenk
- 143
- Fixpunkt
- 145
- Führungspunk
- 147
- Kulisse
- 181
- virtueller Drehpunkt
- 183
- Drehachse
- 185
- Momentandrehpunkt
- 187
- Kreisbahn
- 201
- Medizinischer Roboter
- 203
- Fuß
- 205
- Arm
- 250
- Körper
- 252
- Tisch
- 301
- Position
- 303
- Position
- 305
- Position
- 401
- Spindeltrieb
- 403
- Spindelmutter
- 405
- Zapfen
- 407
- Zapfen
- 409
- Feder
- 481
- Längsachse
