DE4413918C2

DE4413918C2 - Haltesystem für Arbeitskomponenten mit variabler Positionswahl und mechanisch definiertem Bewegungsbereich

Info

Publication number: DE4413918C2
Application number: DE4413918A
Authority: DE
Inventors: Heinz Becker
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-04-21
Filing date: 1994-04-21
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2014-04-22
Also published as: DE4413918A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Haltesystem für Arbeitskomponenten mit variabler und feststellbarer Positionswahl entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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.

Aus der DE-PS 8 37 610 ist ein Stativkopf bekannt, der auf dem Prinzip eines Kugelschalengelenks beruht, das feststellbar ist. Sämtliche Kugelflächen haben einen gemeinsamen Kugelmit telpunkt, d. h. unmittelbar sich gegenüberliegende Kugelflä chen oder Kugelflächensegmente berühren sich flächig. Durch die verhältnismäßig großflächige Berührung entsteht ein An preßdruck, der von den sich berührenden Kugelsegmentflächen bestimmt wird.

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. Desweiteren 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 Merkmale des Anspruch 1 gelöst.

Drei Kugelschalensegmente, die alle den selben Kugelradius ha ben, liegen aufeinander und berühren sich nur an der Kontur, sofern sie nicht mit zu großer Kraft zusammengedrückt werden. Dadurch kommt eine Art Krallenwirkung der Unterschale in der Stützschale und der Stützschale in der Oberschale zustand, die durch Abrunden der berührfähigen Konturkanten entschärft oder durch Schärfen der Konturkanten verstärkt werden kann. Letz teres sollte allerdings unter Vermeidung von Oberflächenbe schädigungen erfolgen.

Die Kugelmittelpunkte der drei Schalen liegen im verspannten Zustand auf einer Geraden, wobei der Kugelmittelpunkt der Stützschale den invarianten Punkt bildet.

Durch die Kugelschalenform ist den drei Schalen jeweils eine hohe mechanische Steifigkeit eigen, so daß die Verspannung der drei Schalen durch das Federsystem mit vorgegebener Federkon stanten durch den Durchbruch hindurch für den jeweiligen Anwendungsfall eine hohe Unverrückbarkeit gegeneinander einge stellt werden kann.

Die Unteransprüche 2 bis 9 kennzeichnen vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung.

Zur Fixierung einer Position ist es vorteilhaft, wenn sich am äußeren Rand der oberen Kugelschale ein gummiartiger Ring be findet, der die Haftreibung zwischen der Oberschale und der Stützschale in den einander berührenden Bereichen erhöht, also eine höhere Haftreibungskraft verursacht (Anspruch 2).

Eine ausschließliche, gegenseitige Berührung der Kugelschalen entlang der Konturlinien der oberen und unteren Schale wird erreicht, wenn die Konturen derselben so in Richtung der Stützschale gezogen sind, daß auch bei größtem Federdruck ge rade keine gegenseitig flächige Berührung der Kugelschalen zu stande kommt (Anspruch 3).

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 (An sprüche 4 und 5). In einer Umgebung mit aggressiver Atmosphäre wird neben der mechanischen Anforderung noch die chemische Re aktionsträgheit der Baukomponenten des Haltesystems gegenüber dieser Atmosphäre entscheidend sein. Der medizinische Einsatz fordert darüber hinaus noch das unproblematische Reinigen und Sterilisieren sowie die dafür notwendige Hitzebeständigkeit der Bauelemente des Haltesystems. Letzteres wäre im wesentli chen nur bei den eingesetzten Kunststoffen zu fordern (An spruch 7).

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 (Anspruch 6).

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 (Ansprüche 8 und 9).

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 der Stützschale oder der raum invariante Punkt zuverlässig eingehalten werden. Die Wand stärke der Schalensegmente 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 unver rückbar zu verklemmen.

Die Anpreßkraft kann nahezu oder völlig aufgehoben werden, wenn der Lösering entsprechend weit in Richtung der Überwurf mutter gezogen wird und so sich die an der Oberschale auflie gende Feder fast oder völlig entspannt. Besitzt der Lösering an seinem Umfang zwei einander gegenüberliegende, abstehende Laschen und steht an der Überwurfmutter ebenfalls eine solche Lasche ab, so ist die Verringerung oder gar Aufhebung der An presskraft mit Daumen, Zeige- und Mittelfinger, der Dreifin gertechnik, 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 Ausführungsbeispiel 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 1, 7 und hat bei Bedarf noch den Bremsring 12 an ihrer Kontur zur Stützschale 1 hin anliegen.

Die Überwurfmutter 11 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 5 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 5 um einen beliebigen Winkel um seine Achse 4 gedreht werden. Das Verschieben und Rotieren des Rohrs 5 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 1 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 eine 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 anderen Stellen zuzulassen, sinnvoll, wenn die die Stütz schale 1 berührende Kontur an Ober- und Unterschale 7, 8 soweit erhöht ist, daß sich die drei Schalen 1, 7, 8 durch ihre Elastizität sicher nicht andersartig als über die beiden Konturen berühren können.

Im Ausführungsbeispiel, 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

1. Haltesystem für Arbeitskomponenten mit variabler, fest stellbarer Positionswahl und mechanisch definiertem Bewe gungsbereich, bestehend aus drei übereinander geschichte ten, über einen Verspannmechanismus zusammengehaltene Ku gelschalensegmente, wobei das mittlere Kugelschalensegment einen Durchbruch aufweist, durch den hindurch die beiden außen liegenden Kugelschalensegmente zusammengezogen und an die mittlere gepreßt werden, oder bei gelöstem Verspann mechanismus gleichzeitig entlang der Kugelunter- bzw. Ku geloberfläche des mittleren Kugelschalensegments bewegt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verspannmechanismus aus zwei hintereinanderliegenden, durch einen Lösering (14) getrennten, zylindrischen Druck federn (9, 10) besteht, die über ein radial von der Unter schale (7) wegführendes Rohr (5), das in einem radial von der Oberschale (8) wegführenden Rohrstück (15) geführt wird, gestülpt sind, wobei dieses Federsystem (9, 14, 10) einen Anschlag an dem freien Ende des Rohrstücks (15) der Oberschale (8) und den andern an einer axial verstellbaren Überwurfmutter (11) auf dem freien Ende des Rohres (5) der Unterschale (7) hat,
die inneren und äußeren Kugelradien gleich sind und damit die Kugelmittelpunkte (6) der drei Kugelschalensegmente (7, 1, 8) auf einer Geraden (4) liegen, wovon der Kugelmittelpunkt des mittleren Kugelschalensegments (1), der Stützschale, einen räumlich invarianten Punkt bildet, falls nur die über den Verspannmechanismus gekoppelte Unter- und Oberschale (7, 8) bewegt werden,
der Kontakt der drei Schalen (7, 1, 8) untereinander ein reiner Linienkontakt ist.

2. Haltesystem nach Anspruch 1, 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.

3. Haltesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur an der Unter- und Oberschale (7, 8) soweit zur Stützschale (1) hin gezogen ist, daß bei höchstmöglich wir kender Federkraft und der daraus resultierenden elastischen Verformung dieser beiden Schalen (7, 8) außer der Berührung über die beiden aufliegenden Konturen keine zusätzliche Be rührung an der Stützschale (1) möglich ist.

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 (15) 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) 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 (2) einen Schlitz auf weist, wodurch das Rohr (5) nur entlang diesem Schlitz bewegt werden kann.