DE3136788A1 - "beruehrungsdetektor" - Google Patents

Description

Patentanwälte · European Patent Attorneys

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München

Vl P536 D

VARIAN ASSOCIATES, INC. Palo Alto, CaI., USA

BerUhrungsdetektor Priorität: 26. September 1980 - USA - Serial No. 191 109

Die Erfindung betrifft einen Berührungsdetektor zum Wahrnehmen eines Aufpralls oder Zusammenstoßes, an dem eine bewegliche Vorrichtung beteiligt ist, z.B. ein Elektronenbestrahlungsgerät und bezieht sich insbesondere auf einen Berührungsdetektor, dessen Empfindlichkeit von der Lage und Stellung unabhängig ist und der in wirksamer Weise auf äußere Kräfte anspricht, die in einem großen Bereich verschiedener Richtungen aufgebracht werden.

Ein Berührungsdetektor bzw. eine Sicherheitsvorrichtung, die Kollisionen wahrnimmt und Schaden oder Verletzungen verhindert, indem sie Hindernisse fühlt, ist ein wesentliches Merkmal für viele bewegliehe Vorrichtungen oder Geräte. Dies trifft insbesondere zu bei einem Elektronenbestrahlungsgerät, denn ein solches Gerät wird typischerweise in einem nominalen Abstand von ca. 5 cm vom Patienten bei der normalen Behandlung betätigt. Dabei ist wünschenswert, den Patienten vor Störungen durch jegliche nennenswerte Berührung mit dem Ende des Gerätes zu schützen.

Obwohl schon viele verschiedene Arten von Geräten zur Berührungswahrnehmung und/oder Kollisionsverhinderung entwickelt worden sind, sind die meisten von ihnen aus den verschiedensten Gründen nicht ohne weiteres für Bestrahlungsiherapiegeräte geeignet. Zunächst muß ein derartiges Behandlungsgerät geeignet sein, unter Einnahme der verschiedensten Positionen und Stellungen betätigt zu werden. Folglich ist es wünschenswert, daß die Empfindlichkeit des Berührungsdetektors für ein solches Gerät soweit wie möglich von der Richtung unabhängig ist, in der das Gerät eingestellt ist. Zweitens ist ein derartiges Gerät meistens freier bewegbar und drehbar als beispielsweise eine Schiebetür, gegen die ein Aufprall nur aus einer Richtung in Betracht gezogen werden muß. Drittens muß eine Maschine zur Strahlungstherapie eine öffnung haben, durch die ein Strahl hindurchgeht. Eine solche öffnung muß in Richtung des zu behandelnden Patienten

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weisen, und das ist genau die Richtung, längs der eine unbeabsichtigte Kollision mit dem Gerät am wahrscheinlichsten ist. Die meisten der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Berührungsdetektoren, die für andere Arten von Vorrichtungen entwickelt worden sind, können wegen grundsätzlicher konstruktionsmäßiger Erfordernisse nicht für Strahlentherapiegeräte hergenommen werden.

Frühere Versuche, einen Berührungsdetektor für ein Strahlungstherapiegerät zu entwickeln, haben z.B. zu einer Vorrichtung geführt, die so ausgelegt ist, daß sie im Fall einer Kollision sozusagen in sich zusammenfällt statt tatsächlich die motorisierte Bewegung anzuhalten. Eine solche Anlage bietet nicht nur dem Patienten keinen vollen Schutz sondern hat außerdem den Nachteil, daß das volle Gewicht des hängend angebrachten Teils in einer Ebene außerhalb des Schwerpunktes abgestützt werden muß. Das auf diese Weise abzustützende Gewicht kann so groß sein, daß es die Empfindlichkeit des Systems deutlich beeinträchtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Berührungsdetektor für ein Strahlungstherapiegerät, z.B. ein Elektronenbestrahlungsgerät zu schaffen. Insbesondere soll ein Berührungsdetektor geschaffen werden, der gegenüber in verschiedenen Richtungen aufgebrachten Kräften empfindlich ist. Vor allem soll ein Berührungsdetektor geschaffen werden, dessen Empfindlichkeit nicht nur leicht einstellbar sondern auch in angemessener Weise unabhängig von der Richtung der aufgebrachten Kraft und der Stellung des Detektors ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Pig· 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 1, der durch die Linie 3-3 begrenzt ist;

Pig. 4 ein äquivalentes Federsystem zur Erläuterung der Dynamik des Fühlers gemäß Fig. 1 und 2;

Fig· 5 eine Darstellung des Verhältnisses zwischen einer linearen Verlagerung eines Segmentes eines Seils und dessen Beitrag zur Gesamtbewegung der Feder beim Detektor gemäß Figo 1 und 2;

Fig. 6 eine Darstellung der vier Grundarten der Fühlerverlagerung beim Detektor gemäß Fig. 1 und 2.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figo 1, 2 und 3 gezeigt ist, sind die Grundelemente eines Berührungsdetektors 10 ein Rahmen 12 sowie ein Fühler 15- An einer Vorrichtung oder einem Gerät oder einem Teil eines Gerätes, welches hier nicht gezeigt ist und welches vor zufälligen Kollisionen während seiner motorisierten Betätigung geschützt werden soll, ist der Rahmen 12 fest angebracht. Ein solches Gerät oder ein Teil eines solchen Gerätes kann im allgemeinen nicht nur lineare Bewegungen durchführen sondern auch die verschiedensten Haltungen oder Stellungen in einem ziemlich großen Bereich einnehmen. Der Fühler 15 seinerseits ist gegenüber dem Rahmen 12 verschiebbar und als etwa viereckige Schale geformt, deren vier Ecken aus Gründen der Sicherheit glatt abgerundet sind. Der Fühler 15 ist so groß, daß er die zu schützende Oberfläche, an der der Rahmen 12 befestigt ist, vollkommen bedeckt. Wenn die zu schützende Vorrichtung ein Strahlungstherapiegerät, z.B. ein Elektronenbestrahlungsgerät ist, welches eine Öffnung für einen Strahl hat, so muß auch der Rahmen 12 -und der Fühler 15 mit einer Öffnung versehen sein. Diese Öffnungen müssen so groß und so angeordnet sein, daß sie ein ungehindertes Hindurchtreten des Strahls vom Gerät ermöglichen, oder sie müssen so ausgelegt sein, daß sie die Aufgabe erfüllen, die Größe und Gestalt des hindurchtretenden Strahls

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zu bestimmen.

Am Rahmen 12 sind sieben Seilscheiben 20, eine Druckfeder 22 in gewöhnlicher schraubenlinienförmiger Gestalt sowie eine Winde bzw. ein Stellzapfen 26 zum Seilvorspannen angebracht. Die Druckfeder 22 ist innerhalb einer Führungstrommel 30 angeordnet, so daß ihre eindimensionalen Bewegungen längs ihrer eigenen Richtung beschränkt sind. Am freibeweglichen Ende der Druckfeder 22 ist eine Stirnschraube 31 befestigt, die sich mit der Feder bewegt und ein Loch 32 aufweist, durch das ein Seil 25 hindurchgeführt ist. An einem Ende des Seils 25 ist ein Endstück 35 befestigt, welches im Vergleich zu dem Loch 32 so groß ist, daß es nicht hindurohgleiten kann. Das Seil 25 ist über die sieben Seilscheiben 20 geführt, und sein anderes Ende ( endstückfrei ) durchsetzt ein Loch im Stellzapfen 26. Wenn der Stellzapfen 26 so betätigt wird, daß das Endstück 35 mit der Stirnschraube 31 in Berührung gebracht wird und auf die Druckfeder 22 eingewirkt wird, kann die Länge des Seils 25 und folglich die Spannung im Seil auf einen im Voraus gewählten Wert eingestellt werden. Der Stellzapfen 26 und die sieben Seilscheiben 20 sind am Rahmen 12 so angeordnet, daß das unter Vorspannung stehende Seil 25 eine achteckige Gestalt annimmt, und die Bewegung des Seils 25 aufgrund der im Seil herrschenden Zugkraft kann direkt auf die Druckfeder 22 übertragen werden. Der Stellzapfen 26 hat einen sechseckigen Kopf und wird mittels eines unter Federspannung stehenden Stiftes 27 in seiner Lage gehalten.

An der Innenfläche des schalenförmigen Fühlers 15 sind acht Ansätze bzw. Seilhalter 35 befestigt, mit deren Hilfe der Fühler 15 am Seil 25 hängend angebracht ist. Sie können von beliebiger einfacher Bauart sein; da sie aber die Aufgabe haben, die Auswirkung äußerer Kräfte, die vom Fühler wahrgenommen werden, exakt an das Seil 25 und schließlich an die Druckfeder 22 zu übertragen, können sie mit einer Öffnung versehen sein, durch die das Seil 25 hindurchgeführt

ist. Diese öffnungen müssen so angeordnet sein, daß die vom Seil 25 beschriebene achteckige Gestalt beim Fehlen einer auf den Fühler 15 wirkenden äußeren Kraft nicht beeinträchtigt wird. Ferner sind vorzugsweise die Seilhalter 35 im Verhältnis zum Achteck symmetrisch angeordnet, so daß das Gewicht des Fühlers 15 auf die zwischen zwei einander benachbarten Seilscheiben gestreckten Segmente des Seils 25 gleichmäßig verteilt wird.

Der Berührungsdetektor 10 ist ferner mit einem Schalter 40 versehen, der einen nicht gezeigten Schaltkreis öffnet, wenn der Fühler 15 ein Signal abgibt, daß es zu einem Zusammenstoß gekommen ist. An der Stirnschraube 31 ist ein Paar Gegenmuttern 33 befestigt, und an einer dieser Gegenmuttern 33 liegt ein aus einem einfachen Metallstück bestehender Arm 34 zur Betätigung des Schalters an. Die Gegenmuttern sind so eingestellt, daß der Schaltkreis immer dann öffnet, wenn der Fühler 15 gegenüber dem Rahmen 12 so stark abgelenkt wird, daß es zu einer Verlagerung der Druckfeder 22 um ein einen vorherbestimmten Schwellenwert übersteigendes Stück kommt. Der genannte Schaltkreis dient insgesamt zur Steuerung der motorisierten Bewegung des zu schützenden Gerätes; er muß aber auch so ausgelegt sein, daß er den gesamten Betrieb beendet, z,B. den Strahl abschaltet, wenn das in Frage stehende Gerät ein Strahlungstherapiegerät ist, beispielsweise ein Elektronenbestrahlungsgerät.

Die Dynamik des Fühlers 15 gemäß Fig. 1 und 2 läßt sich am zweckmäßigsten bei Betrachtung eines Vierecksystems 15' untersuchen, welches einen Fühler 15 darstellt, der mit Hilfe von acht Sätzen von zwei Federn, die dreidimensional angeordnet sind, aufgehängt ist, wie Fig. 4 zeigt. Acht Punkte 41 bis 48 geben die Positionen wieder, an denen der Fühler 15 mit Hilfe von Seilhaltern 35 am Seil 25 aufgehängt angebracht ist. Dies Modell ist deshalb angemessen, weil jedes Segment des Seils 25 eine Kraft auf die kontaktierenden Seilhalter nur in senkrechten Richtungen ausüben kann, wo-

bei es in jeder dieser senkrechten Richtungen als lineare Feder innerhalb einer bestimmten Bewegungsgrenze wirkt. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist ein Satz kartesischer Koordinaten, wie in der Zeichnung dargestellt, bestimmt, bei dem die x- und y-Achsen jeweils parallel zu jeder von zwei einander benachbarten Seiten des Vierecksystems 15' liegen, während die z-Achse senkrecht zu der Ebene derselben verläuft.

Die Auswirkung einer auf den Fühler 15 von außen einwirkenden Kraft auf die Druckfeder 22 soll nun anhand von Fig. 5 erläutert werden, die eine einfache lineare Verlagerung cf eines Seilhalters 35 in Richtung des Seilhalters darstellt. Jede Verlagerung in Richtung senkrecht zu demjenigen Teil des Seils, welches den Seilhalter abstützt, kann ähnlich erläutert werden. Eine gestrichelte Linie 25» gibt die ursprüngliche Position des Seils 25 wieder, während eine durchgezogene Linie 25 die verlagerte Stellung anzeigt. Wenn der Abstand zwischen dem Seilhalter 35 und der ihm am nächsten liegenden Seilscheibe 20 vor der Verlagerung mit L und nach der Verlagerung mit L¹ bezeichnet wird, so ist der durch L¹ - L bestimmte Abstand d oder YcT +L - L derjenige Teil der Bewegung der Druckfeder 22, der auf der Verlagerung dieses speziellen Seilhalters beruht. Eine einfache Vektoraddition zeigt, daß die Kraft f, die in dem in Fig. 5 gezeigten verlagerten Zustand vom Seil 25 auf den Seilhalter 35 ausgeübt wird, durch T (<//L) wiedergegeben wird, wobei T der Zug im Seil 25 ist und unabhängig von der äußeren Kraft betrachtet werden kann, wenn_s wie das bei den meisten praktisch verwirklichten Ausführungsbeispielen der Fall ist, der maximal erlaubte Wert für 6 Viel kleiner ist als L.

Unter Bezugnahme auf das oben eingeführte Koordinatensystem können nun die vier folgenden grundlegenden Verlagerungsarten des Vierecksystems 15* betrachtet werden. Sie sind in Fig. 6 gezeigt, ih der das Vierecksystem 15' als

ΛΌ

schalenförmiger Fühler 15 dargestellt ist, wie in Fig. 2. Die jeweils eingetragenen Pfeile F. stellen eine Kraft in Richtung der durch den Index angedeuteten Achse dar. Fig. 6a ist eine Ansicht des Viereeksystems 15' gemäß Fig. 4 sowie der vor Kollision zu schützenden Vorrichtung (die in den vorhergehenden Figuren nicht gezeigt ist) in Richtung der negativen y-Achse, während Fig. 6b, c und d Ansichten des Systems in Richtung der negativen x-Achse sind. Die vier grundlegenden Verlagerungsarten sind eine Verlagerung längs der x-Achse (Modus 1), eine Verlagerung längs der y-Achse (ModuB 2), gleiche Verlagerungen der Punkte 43 und 44 längs der z-Achse (Modus 3) sowie eine gleichförmige Verlagerung des gesamten Fühlers 15 (bzw. Vierecksystems 15') längs der z-Achse (Modus 4). Durch Kombinieren dieser Grundarten können weitere Verlagerungsarten erhalten werden, z.B. Modus 5 durch Kombination von Modus 1 mit Modus 2 (d.h. jede lineare Verlagerung in der x-y-Ebene), Modus 6 durch Kombinieren von Modus 1 mit Modus 3 oder Modus 2 mit Modus 31 Modus 7 durch Kombinieren von Modus 1, 2 und 3, Modus 8 durch Kombinieren von Modus 1 mit Modus 4 oder Modus 2 mit Modus 4 sowie Modus 9 durch Kombinieren von Modus 1, 2 und 4. Für jeden Modus der Verlagerung kann die Gesamtbewegung des Seils 25 (bzw. das Strecken der Druckfeder 22) in Werten von d oder in Werten von <f ausgedrückt werden, indem untersucht wird, welohe der 2x8= 16 Federn gemäß Fig. 4 gestreckt oder zusammengedrückt sind. Beim Modus 1 z.B. werden die horizontalen Federn an den Punkten 41, 42, 45 und 46 allein zusammengedrückt oder gestreckt, so daß die Gesamtbewegung D = 4d beim Modus 1. Ähnlich ergibt sich D = 4d für Modus 2 und 3, D = 8d für Modus 4, 5 und 6, D = 12d für Modus 7 und 8 sowie D = 16d für Modus 9. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel, bei dem L = 0,75 Zoll (19,05 mm) T = 10 lbs. (4,5359 kg) und der Maximalwert für cf = 0,12 Zoll (3,05 mm) zeigt sich, daß

D = 0,038 Zoll (0,97 mm) bei Modus 1. Dies liegt deutlich über dem Schaltweg verschiedener üblicher Mikroschalter. Im Fall von Modus 91 bei der die am weitesten gehende Bewe-

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gung auftritt, ergibt sich D = 0,152 Zoll (3,86 min), und hierfür muß der Mechanismus ausgelegt sein.

Das Gerät, an dem der Berührungsdetektor 10 befestigt ist, wird routinemäßig in allen Richtungen bewegt, aber es ist wünschenswert, daß die Empfindlichkeit des Berührungsdetektors 10 von der Ausrichtung oder Stellung des Gerätes unabhängig ist. Wenn der Fühler 15 θ oz (226,792 g) wiegt, ist jedoch D = 0,00468 (0,1189 mm) bei der 90°-Position₁ oder wenn die Ebene des Vierecksystems 15' vertikal ist (Modus 1 oder 2), während D = 0,00234 (0,0594 mm) bei der 0°-Position_/ oder wenn die Ebene des Vierecksystems 15' horizontal ist (Modus 4). Bei den Zwischenstellungen fällt der Wert für D zwischen die beiden oben genannten Werte. Die maximale Änderung der Bewegung aufgrund der Rotation des Gerätes ist also 0,0023 (0,0584 mm) was nahezu vernachlässigbar ist, da der Schalter 40 so einzustellen ist, daß er derartig kleine Ausschläge nicht zur Kenntnis nimmt. Ebenso wird die maximal mögliche Bewegungskraft für seitliche Bewegung errechnet als P =6,4 Ib. (2,91 kg) (Modus 1). Das führt zu dem Gesamtschluß, daß der Berührungsdetektor 10 gegenüber Stellungs- oder Lageänderungen nicht empfindlich ist, wohl aber empfindlich reagiert auf jede äußere Berührung über einen im Voraus eingestellten Wert in der Nähe von 6 lbs. (2,72 kg) hinaus. Da dies System einen Momentanschalter darstellt, ist ein rückstellbares Relais nötig, und ein entsprechend angeordneter Rückstellschalter ermöglicht eine einfache Rückstellung des Systems, falls es zu einer unbeabsichtigten Auslösung gekommen sein sollte. Da der Schalter so arbeitet, daß er einen Schaltkreis öffnet, ist seine Arbeitsweise ausfallsicher. Das einzige mechanische Versagen, vor dem kein Schutz bestünde, wäre ein Versagen in der Seil- oder Seilscheibenanordnung, da aber durch ein solches Versagen die hängende Anbringung des Fühlers beeinträchtigt würde, wäre es durch eine Bedienungsperson ohne weiteres erkennbar.

Die Erfindung ist anhand eines "bestimmten Ausführungsbeispiels "beschrieten worden, weiehes jedoch nicht einschränkend aufzufassen ist. Es liegt auf der Hand, daß z.B. die Anzahl Seilscheiben und Seilhalter ebenso wie die geometrischen Figuren, die das Seil "beschreibt, je nach der Größe und Form des Fühlers entsprechend abgewandelt sein könnten, wobei die Gestalt und Größe des Fühlers ihrerseits wiederum von der Geometriö der zu schützenden Vorrichtung abhängen können. Ferner ist klar, daß die Seilscheiben 20 durch geeignete schwenkbare Führungsärme oder feste Führungselemente ohne Notwendigkeit für Räder oder Drehscheiben ersetzt sein können.

Claims (8)

1. Ansprüche

   1,/ Berührungsdetektor,

   gekennzeichnet durch einen Rahmen, einen Fühler, ein am Rahmen befestigtes elastisches Glied mit einem beweglichen freien Ende, ein Seil, welches mit einem Ende am Rahmen und mit dem anderen Ende an dem freien Ende des elastischen Gliedes befestigt ist, und eine Führungseinrichtung, die das Seil in vorherbestimmter gestreckter Stellung gegenüber dem Rahmen hält, wenn keine äußere Kraft auf den Fühler einwirkt, wobei der Fühler von dem Seil so abgestützt ist, daß eine von außen auf den Fühler aufgebrachte Kraft bewirkt, daß das elastische Glied durch Verlagerung des Seils aus der vorherbestimmten gestreckten Stellung verformt wird.
2. 2. Berührungsdetektor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichne t, daß er eine elektrische Schalteinrichtung aufweist.
3. 3. Berührungsdetektor nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schalteinrichtung so mit dem elastischen Glied verbunden ist, daß sie betätigt wird, wenn das elastische Glied eine Verformung von vorherbestimmter Größe erfährt.
4. 4. Berührungsdetektor nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzei chne t, daß das Gewicht des Fühlers, die Elastizitätskonstante und die Abmessungen der elastischen Einrichtung in solcher Beziehung zueinander stehen, daß unabhängig von der Ausrichtung des Berührungsdetektors die elektrische Schalteinrichtung nicht betätigt wird, wenn keine äußere Kraft auf den Fühler wirkt.
5. 5. Berührungsdetektor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzei chnet, daß die Führungs-

   einrichtung eine Vielzahl von am Rahmen angebrachten Seilscheiben aufweist.
6. 6. Berührungsdetektor nach Anspruch 5,

   dadurch gekennze ichne t, daß die Seilscheiben in einer polygonalen Formation angeordnet sind.
7. 7. Berührungsdetektor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennze lehne t, daß das elastische Glied eine Feder ist.
8. 8. Berührungedetektor nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen und der Fühler mit öffnung versehen sind, und daß der Rahmen an einem Elektronenbestrahlungsgerät fest angebracht ist.