DE4413918A1 - Haltesystem für Arbeitskomponenten mit variabler Positionswahl und mechanisch definiertem Bewegungsbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Haltesystem für Arbeitskomponenten mit variabler und feststellbarer Positionswahl. Der Bewegungs­ bereich ist definiert. Die Arbeitskomponente, die in dem Hal­ tesystem eingespannt ist, bewegt sich innerhalb eines Doppel­ kegels, dessen beide Grundflächen Kugelsegmentschalen sind.

Derartige Systeme finden ihren Einsatz dort, wo in gegenüber der Umgebung abgeschottet zu bleibenden Räumen gearbeitet oder manipuliert werden muß. Das können Räume mit lebensfeindli­ chen, aggressiven Atmosphären oder reinzuhaltende Bereiche sein. Das Haltesystem kann im handwerklichen und industriellen Bereich zur Führung von Instrumenten oder Werkzeugen dienen. Es ist aber auch in der Medizin zur Führung chirurgischer oder diagnostischer Instrumente bei Operationen geeignet.

Das Haltesystem hat die prinzipielle Eigenschaft, daß es bei der Bewegung einer eingespannten Arbeitskomponente immer einen Punkt auf der Achse gibt, der sich gegenüber dem System nicht bewegt. Dieser Punkt ist die Stelle, an der die Arbeitskompo­ nente von der Umgebung in den Raum eindringt, in dem manipu­ liert werden soll. Dabei kann das Haltesystem auf die Grenz­ wand fest aufgesetzt sein oder wird mit einem feststellbaren Haltearm in Position gehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Haltesystem be­ reitzustellen, das einen konstruktiv einfachen Aufbau hat und dessen Bauelemente einfach und ohne zu große Genauigkeitsan­ forderung wirtschaftlich herzustellen sind. Des weiteren soll es einfach und schnell zusammensetzbar und zerlegbar sein und einer gründlichen Reinigung, insbesondere einer Sterilisierung beim Einsatz im medizinischen Bereich überall leicht zugäng­ lich sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst. Drei Kugelschalensegmente, die alle den selben Kugelradius haben, liegen aufeinander und be­ rühren sich nur an der Kontur, sofern sie nicht mit zu großer Kraft zusammengedrückt werden. Dadurch kommt eine Art Krallen­ wirkung der Unterschale in der Stützschale und der Stützschale in der Oberschale zustand, die durch Abrunden der berührfähi­ gen Konturkanten entschärft oder durch Schärfen der Konturkan­ ten verstärkt werden kann. Letzteres sollte allerdings unter Vermeidung von Oberflächenbeschädigungen erfolgen. Durch die Kugelschalenform ist den drei Schalen jeweils eine hohe mecha­ nische Steifigkeit eigen, so daß die Verspannung der drei Schalen durch das Federsystem mit vorgegebener Federkonstanten durch den Durchbruch hindurch für den jeweiligen Anwendungs­ fall eine hohe Unverrückbarkeit gegeneinander eingestellt wer­ den kann.

Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Es ist von Vorteil für die Führung des oberen Kugelschalensegments, wenn die Oberschale an einem Rohrstück ansetzt und so ohne Verkanten und ohne Materialabrieb auf der Rohrachse geführt wird. Weiterhin ist zur Fixierung einer Po­ sition zweckmäßig, wenn sich am äußeren Rand der oberen Kugel­ schale ein gummiartiger Ring befindet, der die Haftreibung zwischen der Oberschale und der Stützschale in den einander berührenden Bereichen erhöht, also eine höhere Haftreibungs­ kraft verursacht.

Die Wahl des Materials, aus dem das Haltesystem besteht, rich­ tet sich nach dem Verwendungszweck. In unproblematischen, le­ bensfreundlichen Umgebungen wird lediglich der Standpunkt der mechanischen Festigkeit und Belastbarkeit bestimmend sein. In einer Umgebung mit aggressiver Atmosphäre wird neben der me­ chanischen Anforderung noch die chemische Reaktionsträgheit der Baukomponenten des Haltesystems gegenüber dieser Atmo­ sphäre entscheidend sein. Der medizinische Einsatz fordert darüber hinaus noch das unproblematische Reinigen und Sterili­ sieren sowie die dafür notwendige Hitzebeständigkeit der Bau­ elemente des Haltesystems. Letzteres wäre im wesentlichen nur bei den eingesetzten Kunststoffen zu fordern.

Die geforderte mechanische Festigkeit wird entscheidend sein, wie das Rohr mit der unteren Schale und das Rohrstück mit der oberen Schale verbunden wird, sei es Verpressen oder Ver­ schweißen oder Verlöten.

Der Durchbruch durch die Stützschale legt für das eingespannte Werkzeug den Bewegungsraum, der ein Doppelkegel ist, fest. Der Scheitelpunkt ist der invariante Punkt, der auf der Rohrachse liegt. Beim kreisrunden Durchbruch ist es der erwähnte Doppel­ kegel, beim rechteckigen Durchbruch eine rechteckige oder gar quadratische Doppelpyramide und bei einem irgendwie gearteten Bewegungspfad eine Art Doppelfächer. Weitere Formen sind nicht ausgeschlossen und können entweder unmittelbar als Durchbruch in der Stützschale oder durch unmittelbares Auflegen einer Führungsschale mit vorgegebenem Durchbruch festgelegt werden.

Das Haltesystem muß einfach eingespannt werden können. Das kann dadurch erfolgen, daß Haltefahnen am Rand der Stützschale abstehen, an denen Haltezangen ansetzen, oder daß nur eine Haltezange an einer solchen Fahne angreift. Die Fahnen können auch abgewinkelt sein, so daß daran ein Halterahmen ver­ schraubt werden kann. Ein einfache,ebene hutförmige Krempe am Stützschalenrand ist ebenso denkbar und ist fertigungstech­ nisch ebenfalls einfach herzustellen.

Das erfindungsgemäße Haltesystem hat einen einfachen mechani­ schen Aufbau durch die drei Kugelschalensegmente, die sich über die Verspannung des Federsystems aneinander krallen, aber auch über die beiden Federn mit ausreichender Kraft in vorgeb­ baren Grenzen unverrückbar aneinander gepreßt werden können.

Insbesondere ist die Herstellung der Kugelschalensegmente ein­ fach, da sie alle drei denselben Kugelradius haben.

Die Kugelschalensegmente sind leicht durch Pressen oder Tief­ ziehen oder Gießen herstellbar, je nach dem ob sie aus Kunst­ stoff oder Metall sind. Durch ihre Form weisen sie grundsätz­ lich eine mechanische Steifigkeit auf, die ein einseitiges Einspannen oder ein Einspannen in einen Rahmen zuläßt. Die Ku­ gelform setzt einer Verwindung hohen Widerstand entgegen. Da­ durch kann der Kugelmittelpunkt oder der rauminvariante Punkt zuverlässig eingehalten werden. Die Wandstärke der Schalenseg­ mente wird durch Festigkeitsüberlegungen festgelegt.

Die Anpresskraft läßt sich durch die Federkonstante des ausge­ wählten Federsystems festlegen. Die Überwurfmutter wird beim Zusammenbau des Systems bis zu einem auf der Überwurfmutter vorhandenen Anschlag auf das Rohr aufgeschraubt. Ein zwischen dem Rohr und dem Anschlag liegender gummiartiger Ring hilft oder dient dazu, durch das Rohr gesteckte Instrumente damit unverrückbar zu verklemmen.

Die Anpreßkraft kann ganz oder teilweise aufgehoben werden, wenn der Lösering entsprechend weit in Richtung der Überwurf­ mutter gezogen wird, und so sich die an der Oberschale auflie­ gende Feder völlig oder teilweise entspannt. Besitzt der Lö­ sering an seinem Umfang zwei einander gegenüberliegende, ab­ stehende Laschen und steht an der Überwurfmutter ebenfalls eine solche Lasche ab, so ist die Verringerung oder gar Aufhe­ bung der Anpreßkraft mit Daumen, Zeige- und Mittelfinger, der Dreifingertechnik, einfach durchzuführen.

Für den medizinischen Einsatz ist neben der raschen und siche­ ren Positionierbarkeit eines in das Haltesystem eingespannten Instruments insbesondere auch der Aspekt der leichten Zerleg­ barkeit und der einfachen und unbeschwerlichen Zugänglichkeit für die Reinigung und Sterilisierung ein maßgebendes Argument.

Einer Herstellung des Haltesystem aus Keramik steht nichts entgegen. Der Nachbearbeitungsaufwand und damit die Herstel­ lungskosten dürften aber einer wirtschaftlichen Produktion derzeit noch im Wege stehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Einsatz in der chirurgischen Medizin ist in der Zeichnung dargestellt und soll anhand der folgenden Figuren beschrieben werden.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch das Haltesystem und

Fig. 2 einen Schnitt durch Oberschale mit Rohrstück sowie

Fig. 3 die Draufsicht auf das Haltesystem.

Fig. 1 zeigt den axialen Schnitt durch das Haltesystem im Zu­ sammenbau. Tragendes Element des Systems ist die Stützschale 1, die ein Segment einer Kugelschale mit dem Radius R ist. Sie hat in diesem Durchführungsbeispiel in der Radialprojektion einen kreisrunden Durchbruch 2. Der besseren Übersicht wegen ist nur eine Haltefahne 3 in der Fig. 1 eingezeichnet, an der eine Haltezange oder sonst eine geeignete Halteeinrichtung (nicht eingezeichnet) ansetzen kann. Der hutartige Rand ist gestrichelt angedeutet.

Das Rohr 5 ist in der Zeichnung mit seiner Achse 4, radial vom Kugelmittelpunkt der kugelsegmentförmigen Unterschale 7 weg­ führend, eingezeichnet. Die angeschweißte Unterschale 7 hat denselben Kugelradius R wie die Stützschale 1 und eine kreis­ förmige Berandung, deren Radius etwas größer als der Durch­ bruch 2 in der Stützschale 1 ist.

Über das Rohr 5 ist von oben die kugelsegmentförmige Ober­ schale 8, die ebenfalls eine kreisförmige Berandung hat, ge­ stülpt und wird über die Druckfedern 9, 10 auf die Stützschale 1 gedrückt. Der Radius ihres Berandungskreises ist ebenfalls nur wenig größer als der des Durchbruchs 2.

Den invarianten Punkt bildet aber nur der mittlere Kugelmit­ telpunkt der Stützschale. Jedoch liegen alle drei Kugelmittel­ punkte des zusammengebauten Haltesystems auf der Rohrachse.

Der Durchbruch in der Oberschale 8 ist von der Form des äuße­ ren Rohrquerschnitts und nur wenig größer als derselbe, so daß die Oberschale 8 ohne Mühe in Richtung der Achse 4 bewegt wer­ den kann. Die Oberschale 8 hat denselben Kugelradius R wie die andern beiden Schalen und hat bei Bedarf noch den Bremsring an Ihrer Kontur zur Stützschale hin anliegen.

Die Überwurfmutter spannt die Federn 9, 10 samt Lösering 14 ein. Sie schließt in der Bildebene oben mit einer ringförmigen Scheibe 16, dem Anschlag 16, ab, so daß sie nur bis dorthin auf das Rohr aufgeschraubt werden kann. Die Anpresskraft der Ober- und Unterschale 8, 7 an der Stützschale 1 wird bei nicht betätigtem Lösering 14 durch die Federkonstante der beiden Fe­ dern 9, 10 festgelegt. Über die Klemmscheibe 13 drückt die Druckfeder 9 auf die Oberschale 8. Beide Druckfedern 9, 10 sind durch den Lösering 14 voneinander getrennt und werden über die Überwurfmutter 11 auf dem Rohr 5 eingespannt gehal­ ten.

Zum Einspannen bzw. Verklemmen eines durch das Rohr 5 geführ­ ten Instruments befindet sich zwischen oberem Rohrende in dem Anschlag 16 der Überwurfmutter 11 eine von der Trokartechnik her bekannte Einrichtung, um dort das Instrument zu fixieren. Im einfachsten Fall ist das lediglich ein elastischer Ring, der beim Einschrauben der Überwurfmutter 11 gequetscht wird.

Zieht man mit dem Zeige- und Ringfinger den Lösering 14 über zwei an seinem Rand angebrachte und einander gegenüberliegende Laschen oder Ösen in Richtung der Überwurfmutter 11 unter Ab­ stützung des Daumens daran, so entspannt sich die Druckfeder 9 und verringert die Anpreßkraft auf die Stützschale 1. Jetzt läßt sich das Rohr 5 in diesem gelösten Zustand samt Ober- 8 und Unterschale 7 leicht in eine andere Position innerhalb des Durchbruchs 2 verschieben. In diesem Zustand kann jetzt auch das Rohr um einen beliebigen Winkel um seine Achse gedreht werden. Das Verschieben und Rotieren des Rohrs innerhalb des Durchbruchbereichs sind dennoch zwei völlig voneinander ent­ koppelte Manipulationen. Wird der Lösering 14 nach Erreichen der neuen Position wieder freigegeben, so verkrallen sich die beiden Schalen 7 und 8 erneut mit der Federkraft an der Stütz­ schale 1.

Dadurch, daß nur die zur Stützschale 1 hin gerichteten Ränder der Konturen der Ober- und Unterschale 8, 7 auf der Stütz­ schale aufliegen und durch die eingestellte Federkraft ange­ preßt werden, kommt es zu einem gewissermaßen sicheren Ver­ krallen der drei Schalen 1, 7, 8 miteinander, das ein gegen­ seitiges Verrücken, ohne den Lösering 14 zu ziehen, erst ab Überschreiten der durch die eingestellte Federkraft wirkende Reibungskraft zuläßt. Somit ist unterhalb dieser Krafteinwir­ kung ein feste Position des Rohres 5 mit einfachen technischen Mitteln gegeben, die kein Verkippen der Oberschale 8 gegen die Unterschale 7 während des Zusammengespanntseins zuläßt. Zur Unterstützung der Kantenreibung zwischen der Oberschale 8 und der Stützschale 1 kann noch der Bremsring 12 am Rand der Ober­ schale 8 anliegen. Die Oberschale 8 selbst kann dazu aber auch aus einem Material sein, das stärker auf der Stützschale 1 reibt, sei es Metall oder Kunststoff oder gar Keramik.

Der Federkraftbereich kann darüber hinaus durch Federn mit an­ derer Federkonstanten abgestimmt werden. Insbesondere bei hö­ heren Federkräften ist es für das gegenseitige Verkrallen der drei Kugelsegmentschalen 1, 7, 8, ohne zusätzliches Berühren an andern Stellen zuzulassen, sinnvoll, wenn die die Stütz­ schale berührende Kontur an Ober- und Unterschale 7, 8 soweit erhöht ist, daß sich die drei Schalen durch ihre Elastizität sicher nicht andersartig als über die beiden Konturen berühren können.

Im Durchführungsbeispiel, das für den medizinischen Einsatz konzipiert wurde, bestehen Stützschale 1, Unterschale 7, Ober­ schale 8 und das Rohr 5 aus Edelstahl von etwa 1 mm Dicke. Diese Materialdicke orientiert sich natürlich an der vorgese­ henen Dimension des Haltesystems und an der Belastung und kann daher größer oder gar noch kleiner sein. Das Rohr 5 hatte zunächst eine lichte Weite von 10 mm. Auch dies wird sich an dem Einsatzvorhaben orientieren und kann daher größer oder kleiner sein.

Das Rohrstück 15 hat im wesentlichen die Funktion, die Ober­ schale 8 bei entspannter Feder 9 leicht und ohne Verkanten axial zu bewegen. Darüber hinaus soll insbesondere ein Materi­ alabrieb am Rohr 5 und dem Rohrstück 15 selbst vermieden wer­ den, was im medizinischen Einsatzbereich wegen einer eventuel­ len Verschmutzung der Wunde zu beachten ist.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht das Haltesystem mit einer Halte­ fahne 3, das die einfachste Vorrichtung ist, um das Halte­ system einzuspannen. Statt der Haltefahne 3 ist auch ein um­ laufender, zur Stabilitätserhöhung abgewinkelter tellerförmi­ ger oder hutkrempenartiger Rand (in den Fig. 1 und 3 ge­ strichelt angedeutet) möglich, mit dem dann an jeder beliebi­ gen Stelle eingespannt werden kann.

Mindestens zwei am Rand der Stützschale 1 gleichmäßig verteilt angebrachte Haltefahnen 3, die eventuell noch einen Winkel aufweisen, sind geeignet, das System in einen Halterahmen un­ verrückbar einzuspannen. Solche Maßnahmen können getroffen werden, ohne den Herstellungsprozeß wesentlich zu verkompli­ zieren.

Bezugszeichenliste

1. Stützschale
2. Durchbruch
3. Haltefahne
4. Achse
5. Rohr
6. Kugelmittelpunkt
7. Unterschale
8. Oberschale
9. Druckfeder
10. Druckfeder
11. Überwurfmutter
12. Bremsring
13. Klemmscheibe
14. Lösering
15. Rohrführung
16. Anschlag, Scheibe
R Kugelradius der Kugelschalensegmente

Claims (10)

1. Haltesystem für Arbeitskomponenten mit variabler, fest­ stellbarer Positionswahl und mechanisch definiertem Bewe­ gungsbereich, wobei sich der Einspannbereich bei der Posi­ tionswahl auf dem Sektor einer gedachten Kugelschale be­ wegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Haltesystem

• a) aus einer Stützschale (1) besteht, die ein Segment einer Kugelschale ist und einen zentrischen Durchbruch (2) aufweist, und die an ihrer äußeren Kontur mindestens eine ebene Haltefahne (3) oder einen hutkrempenartigen Rand besitzt,
• b) aus einem geraden Rohr (5) und einer daran befestigten Unterschale (7), die das Segment einer Kugelschale ist, besteht, wobei das Rohr (5) die Unterschale (7) zen­ trisch durchdringt und der Kugelmittelpunkt (6) der Un­ terschale (7) auf der Rohrachse (4) liegt,
• c) aus einer Oberschale (8) besteht, die das Segment einer Kugelschale ist und im Zentrum einen Durchbruch auf­ weist, durch den das Rohr (5) mit geringem Spiel ge­ steckt werden kann,
• d) in der Reihenfolge: Unterschale (7), Stützschale (1), Oberschale (8) oder umgekehrt, unmittelbar aufeinander folgend, aufgebaut ist, und Unter- sowie Oberschale (7, 8) in keiner Position des Systems durch den Durchbruch (2) in der Stützschale (1) fallen können,
• e) die Kugelmittelpunkte (6) der drei Schalen (1, 7, 8) des zusammengebauten Haltesystems stets auf der Rohrachse (4) liegen, die Kugelradien (R) der drei Kugelschalen­ segmente (1, 7, 8) gleich sind und der Kugelmittelpunkt (6) der Stützschale (1) den invarianten Punkt bildet,
• f) durch zwei hintereinander liegende Druckfedern (9, 10) zusammengespannt bleibt, die über den äußeren Bereich des Rohrs (5) geführt sind, wobei die eine Druckfeder (9) auf der Oberschale (8) außen über eine dazwischen liegende Klemmscheibe (13) aufliegt, beide Federn (9, 10) durch einen dazwischen liegenden, in Richtung der Rohrachse (4) hin und her beweglichen Lösering (14) se­ pariert sind und das Federsystem (9, 10) durch eine Überwurfmutter (11) zusammengedrückt bleibt, die bis zum Anschlag am äußeren Rohrende aufgeschraubt wird.

2. Haltesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum der Oberschale (8) nach außen hin eine Rohrfüh­ rung (15) ansetzt, durch das das Rohr (5) der Unterschale (7) zur axialen Stabilisierung ohne Verkantung und Materi­ alabrieb führbar ist.

3. Haltesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberschale (8) an ihrer äußeren, zur Stützschale (1) hin liegenden Kontur einen gummiartigen Ring (12) anliegen hat, der die Haftreibung zwischen der Stützschale (1) und der Oberschale (8) erhöht.

4. Haltesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschale (1) aus einem mechanisch festen, metalli­ schen Material wie Edelstahl oder aus einer Hartaluminium­ legierung ist.

5. Haltesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschale (7) mit Rohr (5) und die Oberschale (8) mit oder ohne Rohrführung (15) aus einem mechanisch festen, me­ tallischen Material wie Edelstahl oder einer Hartaluminium­ legierung sind.

6. Haltesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (5) und die Rohrführung mit der zugehörigen Schale (7, 8) verpreßt oder verschweißt oder verlötet sind.

7. Haltesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bis auf die beiden Druckfedern (9, 10), die Überwurfmutter (11) und die Klemmscheibe (13) die Oberschale (8) aus einem mechanisch festen und thermisch belastbaren Kunststoff be­ steht.

8. Haltesystem nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchbruch (2) in der Stützschale (1) in radialer Pro­ jektion kreisrund oder elliptisch oder rechteckig ist.

9. Haltesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf der Stützschale (1) eine Führungsschale aufliegt, die im Bereich des Durchbruchs einen Schlitz auf­ weist, wodurch das Rohr (5) nur in diesem Schlitz entlang bewegt werden kann.

10. Haltesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur an der Unter- und Oberschale (7, 8) soweit zur Stützschale (1) hin hochgezogen ist, daß bei höchstmöglich wirkender Federkraft und der daraus resultierenden elasti­ schen Verformung dieser beiden Schalen (7, 8) außer der Be­ rührung über die beiden aufliegenden Konturen keine zusätz­ liche Berührung an der Stützschale (1) möglich ist.