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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Anwendung als Mikromanipulator.
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Grundsätzlich sind Mikromanipulatoren beziehungsweise Greifer, die als Mikromanipulatoren verwendet werden, eine Baugruppe aus mehreren Einzelteilen, welche aus fertigungstechnischer Sicht im 3D-Druck wie mehrere ineinander verschachtelte Bauteile behandelt werden. Beweglichkeit und Funktionalität derartiger Greifer werden üblicherweise durch Schweißen, Kleben, Löten, Pressen und anderen Fügeverfahren erzeugt. Die Fertigung und Montage bedarf mehrerer Einzelschritte und ist aufwändig und fehleranfällig. Auch sind die Verbindungspunkte der einzelnen Bauteile anfällig für Verschmutzungen und/oder Verschleiß.
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Beispielsweise offenbart die
DE 101 36 581 A1 ein Verfahren zur Messung und/oder Regelung der Greifkraft eines Mikromanipulators, mit dem Gegenstände mit mikroskopischen Abmessungen, insbesondere im Bereich zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter, greifbar sind, wobei der Mikromanipulator zwei gegeneinander verschiebliche Klemmbacken aufweist, zwischen die ein Gegenstand unter Aufbringung einer Klemmkraft klemmbar ist, wobei eine der Klemmbacken 2 als Teil einer Federzunge 3 ausgebildet ist, die in Eigenschwingung versetzt wird, wobei die Änderung der Schwingung während der Berührung des Gegenstandes 1 durch die Federzunge 3 beobachtet wird, wobei aus der Änderung eine die Klemmkraft charakterisierende Größe berechnet und wobei die Greifkraft anhand der charakterisierenden Größe gesteuert wird.
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Die
EP 2 120 818 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer chirurgischen Mikromanipulatorspitze, die eine proximale Montagebasis, mindestens einen ersten Krümmer und einen distalen Manipulatorfinger umfasst, der über den ersten Krümmer mit der Montagebasis verbunden ist und am freien Ende der Spitze endet. Darüber hinaus umfasst die Befestigungsbasis mindestens ein distales Segment. Der erste Krümmer und der Manipulatorfinger bilden zusammen einen Spitzenabschnitt, und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spitzenabschnitt durch Anspitzen gleichmäßig verjüngt ist.
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Bei allen gängigen Mikromanipulatoren müssen mehrere einzelne Bauteile gefertigt und zusammen montiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu konventionell gefertigten Mikromanipulatoren zu schaffen, welche in einem einzigen Arbeitsschritt gefertigt werden können und welche bei ähnlichen Öffnungswinkeln und Einbauräumen einen einfacheren Aufbau aufweisen.
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Die Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Werkzeug zur Anwendung als Mikromanipulator, aufweisend ein entlang einer Längsachse ausgerichtetes Gestell, welches als Hohlkörper um einen Innenraum herum angeordnet ist. Angeordnet an einer ersten Stirnseite weist das erfindungsgemäße Werkzeug wenigstens ein Manipulatorelement auf. Angeordnet an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite weist das erfindungsgemäße Werkzeug wenigstens ein Betätigungselement auf, welches in dem Innenraum des Gestells gleitgelagert und axial beweglich ist. Erfindungsgemäß sind das Gestell, das wenigstens eine Betätigungselement und das wenigstens eine Manipulatorelement formschlüssig und beweglich miteinander verbunden und das Werkzeug komplett durch additive Fertigung hergestellt.
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Der Mikromanipulator ist insbesondere für medizinische Anwendungen vorgesehen und soll bevorzugt für Minimal-invasive Eingriffe (minimalinvasive Chirurgie (MIC)) eingesetzt werden.
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Das Gestell kann zylinderförmig oder in seiner Querschnittsfläche eckig ausgebildet sein. Das Manipulatorelement ist funktionell mit dem Betätigungselement verbunden und wird durch dieses bewegt.
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Vorteilhafterweise sind das Gestell, das wenigstens eine Manipulatorelement und das wenigstens eine Betätigungselement aus ein und demselben Material additiv gefertigt.
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Dabei kann das Werkzeug aus metallischem Werkstoff oder Keramik oder deren Kombinationen bestehen und durch Mikro Laser Sintern hergestellt sein. Bevorzugte Metalle sind Rostfreier Stahl - Chirurgenstahl, Titan oder andere in der Medizintechnik übliche Metalle. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Werkzeug aus einem Kunststoff gefertigt ist.
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Bevorzugt weist das Manipulatorelement wenigstens zwei Greifbacken auf. Die wenigstens zwei Greifbacken sind dabei derart angeordnet, dass sie einen geschlossenen Zustand und einen geöffneten Zustand einnehmen können, wobei sie im geschlossenen Zustand mit jeweils einer Auflagefläche aneinander aufliegen. Zwischen den Auflageflächen können Objekte gegriffen werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Greifbacke mit dem Gestell und dem Betätigungselement beweglich verbunden, während eine zweite Greifbacke mit dem Gestell starr verbunden ist. Eine derartige Ausführungsform stellt eine einseitig öffnende Variante dar.
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Bei der einseitig öffnenden Variante kann es ebenso vorgesehen sein, dass die zweite Greifbacke in den Volumenkörper des Gestells integriert ist, also einteilig mit dem Gestell ausgebildet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind beide Greifbacken mit dem Gestell und dem Betätigungselement beweglich verbunden. Eine derartige Ausführungsform stellt eine beidseitig öffnende Variante dar.
Dabei kann vorgesehen sein, dass jeweils eine Greifbacke in einem Verbindungsbereich eine erste Aussparung aufweist, in welche ein erster Vorsprung und/oder ein erster Stift des Gestells greift. Die erste Aussparung ist dabei zentral im Verbindungsbereich der jeweiligen Greifbacke angeordnet. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeweils eine Greifbacke, insbesondere eine Greifbacke, welche beweglich mit dem Gestell und/oder dem Betätigungselement verbunden ist, eine zweite Aussparung aufweist, in welche ein zweiter Vorsprung und/oder ein zweiter Stift des Gestells greift, sowie, dass jeweils eine Greifbacke eine dritte Aussparung aufweist, in welche ein Vorsprung und/oder ein Stift des Betätigungselementes greift (Betätigungsstift). Die zweite und die dritte Aussparung sind dabei jeweils im Randbereich des Verbindungsbereiches angeordnet. Dabei wird bei einer Bewegung des Betätigungselementes in axialer Richtung eine Kraft auf die jeweils mit dem Betätigungselement in Wirkverbindung stehende/n Greifbacke/n ausgeübt und die jeweilige/n Greifbacke/n bewegt.
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Vorteilhafterweise sind die mit dem Gestell und dem Betätigungselement beweglich verbundene/n Greifbacke/n drehbar um eine Achse angeordnet, welche entlang der Längsachse des an dem Gestell angeordneten zweiten Stiftes verläuft, mit dem die jeweilige Greifbacke im Randbereich ihres Verbindungsbereiches verbunden ist.
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Es ist denkbar, dass auf die erste Aussparung und den ersten Stift verzichtet werden kann.
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Die beiden Greifbacken können in einer Ebene oder leicht versetzt zueinander angeordnet sein, wobei bei einer versetzten Anordnung zumindest gewährleistet ist, dass die Auflageflächen der Greifbacken im geschlossenen Zustand aufeinander aufliegen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Werkzeug wenigstens eine Lagesicherung zur axialen Fixierung des wenigstens einen Manipulatorelementes aufweist. Eine solche Lagesicherung kann beispielsweise in der Art eines beweglichen und/oder elastisch federnden und/oder starren Riegels beziehungsweise Vorsprunges ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise wird durch die Lagesicherung gewährleistet, dass das wenigstens eine Manipulatorelement sich nicht von dem Stift löst, über welchen es mit dem Gestell und/oder dem Betätigungselement verbunden ist.
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Das Manipulatorelement kann weiterhin bevorzugt als Scherenmechanismus oder als Spreizer ausgebildet sein. Auch der Scherenmechanismus oder der der Spreizer sind in diesem Fall beweglich mit dem Betätigungselement verbunden.
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Vorzugsweise weist das Betätigungselement an seiner frei liegenden von dem Gestell abgewandten Stirnseite wenigstens eine Öffnung für eine Betätigung auf, z.B. für einen Seilzug. Über eine angebrachte Seilzugbetätigung kann das Betätigungselement in eine axiale Bewegung versetzt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Werkzeug als Roboter-Endeffektor ausgebildet ist.
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Alternativ kann das erfindungsgemäße Werkzeug hydraulisch oder pneumatisch betrieben werden.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Werkzeug geeignet zur Anwendung in mikroinvasiven Untersuchungen und Operationen. Weitere denkbare Anwendungsgebiete sind beispielsweise in der Labortechnik und Weltraumforschung zu sehen.
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Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Werkzeug additiv durch Mikro Laser Sintern hergestellt.
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Dabei können das Gestell, das Manipulatorelement und das Betätigungselement aus dem gleichen Material bestehen.
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Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Werkzeug als eine funktionale Baugruppe aufgrund der Möglichkeiten der additiven Herstellung fertigungstechnisch als ein einziges Bauteilausgebildet, welches aus mehreren zueinander beweglichen Funktionsgruppen besteht. Somit entfallen mehrere Bearbeitungsschritte, die konventionell zur Fertigung einer Baugruppe notwendig sind: Fertigung mehrerer Einzelteile, Gewährleistung und Einhaltung von Fertigungstoleranzen der Einzelteile inklusive Qualitätssicherung, logistisches Zusammenführen der Einzelteile zur Montage, Montagearbeiten sowie Qualitätssicherungsarbeiten nach der Montage.
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Grundsätzlich ist der Greifer eine Baugruppe aus mehreren Einzelteilen, welche aus fertigungstechnischer Sicht im 3D-Druck wie mehrere ineinander verschachtelte Bauteile behandelt wird. Der Greifer ist mittels Mikro Laser Sintern (MLS) aus Metall hergestellt. Die einzelnen Volumenkörper sind im fertigen Greifer ausschließlich über Formschluss und ohne einen Montage- oder Fügevorgang miteinander zu einem beweglichen Mechanismus verbunden. Dies unterscheidet das vorliegende Greiferdesign grundsätzlich von konventionell gefertigten Greifermechanismen aus Metall mit ähnlichen Öffnungswinkeln und Einbauräumen, deren Beweglichkeit und Funktionalität durch Schweißen, Kleben, Löten, Pressen und anderen Fügeverfahren erzeugt werden. Alle Einzelkörper und im Besonderen die Dreh- und Schiebeverbindungen sind nach den verfahrensspezifischen Designregeln für das MLS modelliert, sodass ein besonders geringes Spiel der beweglichen Elemente erzeugt wird. Dies und die gleichzeitig geringe Oberflächenrauheit der Bauteile ermöglichen eine spielarme Passung.
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Alle innenliegenden Funktionsflächen der Dreh- und Schubgelenke und damit deren Funktion können ohne weitere Oberflächennachbearbeitung direkt nach dem Drucken und Trennen der Baugruppe von der Bauplattform genutzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Figuren näher erläutert, ohne dabei auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:
- 1 eine Seitansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges im geöffneten Zustand;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges im geöffneten Zustand;
- 3 eine Seitansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges im geschlossenen Zustand; und
- 4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges im geschlossenen Zustand.
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Die 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Werkzeug im geöffneten Zustand, wobei in 1 eine Seitansicht und in 2 eine perspektivische Ansicht dargestellt ist.
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Das Werkzeug weist ein Gestell 1 auf, welches entlang einer Längsachse L ausgerichtet ist. Das Gestell 1 ist als Hohlkörper mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen und einem Innenraum ausgebildet. Dabei weist das Gestell 1 eine erste Stirnseite 1.1 und eine der ersten Stirnseite 1.1 gegenüberliegende zweite Stirnseite 1.2 auf. An der ersten Stirnseite 1.1 ist ein Manipulatorelement 2 angeordnet, welches in der dargestellten Ausführungsform zwei Greifbacken 2.1 aufweist. An der zweiten Stirnseite 1.2 ist ein Betätigungselement 3 angeordnet, welches axial verschiebbar in dem Gestell 1 gelagert ist. Die axiale Beweglichkeit des Betätigungselementes 3 ist in 1 (sowie in 3) durch einen doppelseitigen Pfeil angedeutet.
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Die beweglich angeordneten Greifbacken 2.1 weisen jeweils eine erste Aussparung 2.2 auf, in welcher ein am Gestell 1 angeordneter erster Stift 1.3 greift. Die erste Aussparung 2.2 befindet sich dabei in der dargestellten Ausführungsform in einem zentralen Bereich eines Verbindungsbereiches 2.5 des Manipulatorelements 2. Die beweglich angeordnete hier untere Greifbacke 2.1 weist weiterhin jeweils eine zweite Aussparung 2.3 auf, in welche ein am Gestell 1 angeordneter zweiter Stift 1.4 greift. Die beiden Greifbacken 2.1 sind um den ersten Stift 1.3 drehbar/schwenkbar gelagert. Die beweglich angeordnete hier obere Greifbacke 2.1 weist weiterhin jeweils eine dritte Aussparung 2.4 auf, in welche ein am Betätigungselement 3 angeordneter Betätigungsstift 3.1 greift. Die zweite Aussparung 2.3 und die dritte Aussparung 2.4 sind in einem Randbereich des Verbindungsbereiches 2.5 angeordnet. Eine durch den Betätigungsstift 3.1 des Betätigungselementes 3 und den zweiten Stift 1.4 des Gestells 1 verlaufende Achse A wird durch die axiale Bewegung des Betätigungselementes 3 in ihrem Winkel zur Längsachse L derart verändert, dass die beiden Greifbacken 2.1 in eine Drehbewegung versetzt wird und beide Greifbacken 2.1 sich voneinander wegbewegen (angedeutet durch Pfeile).
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Vorzugsweise weist das Betätigungselement 3 an seiner frei liegenden von dem Gestell 1 abgewandten Stirnseite wenigstens eine nicht bezeichnete Öffnung für ein Zug- Druckelement auf. Darüber können Zug- und Druckkräfte zum Öffnen und Schließen der Greifbacken 2.1 eingeleitet werden. Über eine entsprechende Betätigung kann somit das Betätigungselement in eine axiale Bewegung versetzt und darüber die erforderliche Zug-Druck-Bewegung realisiert werden.
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In 2 zusätzlich zu erkennen sind die Auflageflächen 2.6 der Greifbacken 2.1, welche im geschlossenen Zustand der Greifbacken 2.1 aufeinander aufliegen. Ebenfalls in 2 (sowie in 4) zu erkennen ist eine Öffnungen 3.2 an der freien Stirnseite des Betätigungselementes 3, durch welche eine Seilzugbetätigung angebracht werden kann.
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Die 3 und 4 zeigen ein erfindungsgemäßes Werkzeug im geschlossenen Zustand, wobei in 3 eine Seitansicht und in 4 eine perspektivische Ansicht dargestellt ist.
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Da die Greifbacken 2.1 sich in einem geschlossenen Zustand befinden, sind die aufeinander aufliegenden Auflageflächen nicht zu erkennen.
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Alle übrigen Merkmale sind adäquat zu den 1 und 2 zu erkennen. Auf die entsprechende Stelle in der Beschreibung wird hiermit verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gestell
- 1.1
- erste Stirnseite des Gestells
- 1.2
- zweite Stirnseite des Gestells
- 1.3
- erster Stift
- 1.4
- zweiter Stift
- 2
- Manipulatorelement
- 2.1
- Greifbacke
- 2.2
- erste Aussparung
- 2.3
- zweite Aussparung
- 2.4
- dritte Aussparung
- 2.5
- Verbindungsbereich
- 3
- Betätigungselement
- 3.1
- Betätigungsstift
- 3.2
- Öffnungen für Zug- Druckelement
- L
- Längsachse
- A
- Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10136581 A1 [0003]
- EP 2120818 A1 [0004]
