JPH05253245A - モータ駆動式の架台 - Google Patents
モータ駆動式の架台Info
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Abstract
が組み込まれている複数継手機構と制御装置とから成
る、医学的な治療又は診断器具を位置決めするためのモ
ータ駆動式の架台を改良して、種々異なる治療又は診断
器具を同一繰り返し作業可能に設置することができるよ
うにし、また、通常運転中において駆動装置が場合によ
っては故障した場合でも、可能な限りの安全性及び位置
決め精度が補償されるようにもの、しかも特に架台は手
動操作できるものを提供する。 【構成】 複数継手機構が少なくとも大まかに機械的に
釣り合わされている
Description
ニット及び角度センサが組み込まれている複数継手機構
と制御装置とから成る、医学的な治療又は診断器具を位
置決めするためのモータ駆動式の架台に関する。
は、あらゆる治療又は診断器具を6つの自由度まで手動
で位置決めするための可能性を提供する。このような形
式の手動の架台は例えばヨーロッパ特許第002300
3号明細書に記されている。この公知の架台は、手動運
転されるために外科医にとって種々の欠点がある。つま
り例えば、意図せずに間違って移動操作すると、時間の
かかる面倒な後調整が必要となる。また、釣り合いシス
テムにおいては、所定の重量を有する器具しか正確に釣
り合わせることができない。これはつまり、器具の重量
が変わると、約100gの精度で架台システム釣り合い
を新たにとらなければならないということである。この
ように、場合によっては器具を交換した後で新たに釣り
合いを取ることは、手術中には非常に面倒である。さら
にまた、良好に釣り合わされた機械的な架台システムに
おいても、器具の運動を加速若しくは制動させる場合に
は、加速に比例した所定の操作力が必要であって、これ
はミクロ的な外科作業において不都合に作用する。ま
た、手動で移動せしめられる架台では、まったく同じ作
業を周期的に繰り返し行うことはできない。何故ならば
一般的には瞬間的な作業フィールドを介しての正確な位
置情報は検出できないからである。
207号明細書によれば、モータ式に駆動される複数継
手機構に配置された手術用マイクロスコープが公知であ
る。これによって、適当な行程距離及び角度検出器によ
って、手術用マイクロスコープを限定的に同一繰り返し
作業させることが可能である。しかしながらこの公知の
装置においては、電気式駆動装置若しくはこれに連結さ
れた行程−又は角度検出器が場合によっては故障した場
合の安全手段が設けられていない点が欠点である。つま
り、この公知の複数継手機構は、駆動ユニットが故障し
た時に安定し、かつ少なくとも限定的な別の方法を可能
とする質量補償機構を有していない。しかも駆動装置が
故障すると、この駆動装置に連結された行程−若しくは
角度検出器も機能しなくなり、ひいては場合によって
は、手術中にシステム全体の故障を引き起こす原因とな
る。
は、種々異なる治療又は診断器具を同一繰り返し作業可
能に設置することができるような、医学分野に使用する
ためのモータ駆動式の架台を提供することである。この
場合に、通常運転中において駆動装置が場合によっては
故障した場合でも、可能な限りの安全性及び位置決め精
度が補償されるようにしなければならない。また特に架
台は手動操作できるものでなければならない。
明によれば、複数継手機構が少なくとも大まかに機械的
に釣り合わされている。
載されている。
コラムとから成る、機械的に大まかな釣り合わされた架
台は、特別な駆動ユニットを備えており、該駆動ユニッ
トは、種々異なる医学的な治療又は診断器具を限定的に
位置決めする特別な駆動ユニットを備えている。制御ユ
ニットはこのために、各駆動ユニット内に配置された角
度センサが発信するアクチュアルな(その都度の瞬間的
な)角度測定値を検出し、それによって使用された各器
具のアクチュアルな空間座標を規定するようになってい
る。制御ユニットから制御信号を各駆動ユニットに与え
ることによって、器具を所定に位置決めすることが可能
である。この場合に、制御ユニットが各駆動ユニット
に、移動させようとする位置の所定の目標値を与え、次
いでこの目標値は、各駆動ユニットとは別個の調整回路
によって発信されるようになっている。これによって種
々異なる治療又は診断器具を同一繰り返し作業させるこ
とが可能である。制御ユニットはさらに、使用された器
具のための所定の目標座標を入力する入力インタフェー
スを有している。この目標座標は本発明によるモータ駆
動式の架台によって連続的に発信される。このような形
式のインタフェースは、モータ駆動される架台と組み合
わせて種々異なる構成で使用することができる。また例
えば、外科医によって操作される種々異なる形式の無接
触式のセンサを使用することもでき、また、本発明によ
るモータ駆動式の架台のための所定の目標座標をそれぞ
れ与えるための光学的なシステム若しくは入力キーボー
ドを使用してもよい。
明の有利な構成要件によれば、補償重りを備えた平行四
辺形リンク部材を介して、並びに本発明によって構成さ
れた支持アーム若しくは補償重りを相応に配置すること
によって実施される。釣り合いはばねによって行っても
よい。これによって、手術中に駆動ユニットが故障した
場合でも、架台を限定的に使用可能な状態に維持し、手
動で動かすことができる。この場合に、システム全体の
機械的な釣り合いは、kg範囲の精度で得られる。本発
明の駆動装置の構成、特に伝動装置摩擦の大きさ、並び
に駆動ユニット毎にそれぞれ2つの角度センサを使用す
ることによって、本発明によるモータ駆動式の架台の安
全性に関して重要な利点が得られる。つまり、それぞれ
使用された器具の重量のための遊びスペースが提供さ
れ、器具の重量が変わった場合でもまだ機械的な釣り合
いが得られるように、各駆動ユニットの伝動装置摩擦が
互いに合わされている。手術中に医学的な別の治療又は
診断器具を装備した場合でも、面倒で時間のかかる機械
的な別の釣り合い作業を付加的に必要とすることはな
い。従って、規定された重量差の範囲内で、本発明によ
るモータ駆動式の架台と協働して種々異なる医学的な治
療又は診断器具を使用することができる。本発明に従っ
て各駆動ユニット毎にそれぞれ2つの角度センサを使用
し、そのうちの第1の角度センサがその都度使用された
駆動モータに連結され、第2の角度センサがこの駆動モ
ータとは無関係に独立して作業しそれぞれの継手運動を
直接調節するようにしたことによって、安全性に関して
非常に重要な利点が得られる。これによって、通常のモ
ータ駆動運転中に制御ユニットを介して連続的に相互に
測定値制御を行い、ひいては高い位置決め精度を得るこ
との他に、駆動モータが故障した場合でも、独立した第
2の角度センサを介して測定値を検出することが可能で
ある。これによって、駆動モータが故障した場合でもア
クチュアルな器具位置を検出することができる。さらに
また、特別の絶対的な角度センサを使用することによっ
て、場合によっては基準値なしでもアクチュアルな角度
測定値を常に検出することができる。
によって、本発明によるモータ駆動式の架台が場合によ
っては傾いて載設された場合でも、釣り合いの取られた
システムが提供され、独立して制御不能に運動するよう
なことはない。
に移動させるための走行可能なローラが設けられてい
る。本発明の有利な構成要件によれば、これらのローラ
はモータによって走行可能である。
に、周期的な同一作業を繰り返し行う必要のあるミクロ
的な外科手術において手術用マイクロスコープと協働し
て使用するために適している。しかしながらまた、種々
異なる別の形式の外科的な器具を同一作業を繰り返し行
うために、本発明によるモータ駆動式の架台と協働して
使用することも可能である。例えば内視鏡、体内手術用
のゾンデ、組織鏡検−カニューレ、外科的な穿孔器又は
これと類似の器具に使用することができる。
構造の1実施例が概略的に示されている。この実施例に
おいては、釣り合いは補償重りによって得られるように
なっている。本発明によるモータ駆動式の架台は、下側
にモータによって走行可能なローラ2a,2b,2cを
備えた脚部1上に配置されているので、モータ駆動式の
架台全体を容易に移動させることができる。本来の操作
駆動中には、システム全体を確実に立てるために、前記
ローラ2a,2b,2cは引っ込められている。脚部1
上には鉛直な支持コラム3が配置されており、この支持
コラム3上には、第1の支持部材4が第1の回り継手を
介して鉛直方向に延びる軸線A1を中心にして回転可能
に軸受けされている。支持部材4若しくはこの支持部材
4上に配置されたモータ駆動式の架台の別の構成部材
は、第1の駆動ユニットによって鉛直方向の軸線A1を
中心にして所定の角度だけ回転可能である。この第1の
駆動ユニットは、図示の実施例では鉛直方向に延びる支
持コラム3内に組み込まれていて、図示の実施例では見
えない位置にある。支持部材4には、第2の駆動ユニッ
ト5と第2の回り継手とを介して平行四辺形リンクが取
り付けられている。この第2の駆動ユニットによって、
平行四辺形リンクは、水平方向に延びる軸線A2を中心
にして鉛直方向の支持コラム3若しくは第1の架台4に
対して相対的に位置決めさせることができるようになっ
ている。4つの平行四辺形リンク部材6,7,8,9
と、これらの平行四辺形リンク部材を回転可能に接続す
る対応する別の回り継手10,11,12,13とから
なる平行四辺形リンクは、第3の駆動ユニット14を介
して軸線A3若しくはこの軸線A3に対して平行な軸線
を中心にして、平行四辺形リンクの別の回り継手によっ
て調節可能である。第3の駆動ユニット14は平行四辺
形リンクの回り継手13に配置されている。あるいはま
た、平行四辺形リンクを調節するための第3の駆動ユニ
ットを別の回り継手10,11,12に配置してもよ
い。平行四辺形リンクは釣り合い重り16,17を有し
ており、これらの釣り合い重り16,17は、例えば下
側の2つの回り継手10,11に配置されている。これ
によって、この平行四辺形リンクは、水平方向の軸線A
2,A3を中心にして釣り合わせられ得るようになって
いる。上側の平行四辺形リンク部材9の延長部に配置さ
れた第1の支持アーム15は長手方向軸線A4を中心に
して回転可能及び移動可能であって、第4の駆動ユニッ
トを介してモータ駆動式に調節可能である。このために
第1の支持アーム15は同様に、回り継手を介して上側
の平行四辺形リンク部材9に接続されている。第4の駆
動ユニットは図示の実施例では上側の平行四辺形リンク
部材9内に組み込まれているので、図面では見えないよ
うになっている。第1の支持アーム15は、有利には2
重クランク形の構造で構成されているので、この支持ア
ーム15の下側にいる使用者のためにできるだけ大きい
運動遊びスペースを提供することができる。長手方向軸
線A4を中心とした回転運動時における釣り合いは、特
に図2に示されているように、この第1の支持アームの
特別な構造によって保証されるようになっている。第1
の支持アームの外側端部には第2の支持アーム16が配
置されており、この第2の支持アーム16は第5の駆動
ユニット17によって軸線A5を中心にして移動させる
ことができるようになっている。この支持アーム15に
は第2の支持アーム16が回り継手を介して接続されて
いる。第2の支持アーム16は一端部で補償重り16を
有しており、他端部には第3の支持アーム18が配置さ
れている。これによって、軸線A5を中心とした回転運
動時に、この軸線A5を中心とした釣り合いが得られる
ようになっている。第3の支持アーム18は長手方向軸
線A6を中心としてモータによって回転させられるよう
になっており、これは第6の駆動ユニットによって行わ
れる。この第6の駆動ユニットは、図示されていない
が、回り継手を介して第2の支持アーム16に接続され
ている。例えば、第6の駆動ユニットを第3の支持アー
ム18のケーシング内に配置することが可能である。こ
の第3の支持アーム18はその自由端部で、種々の医学
的な治療及び診断器具20のためのインターフェースを
有している。この実施例では使用された器具は概略的に
示されている。
は、一点で交差してロボット作業条件を満たすように配
置されている。
な構造は、駆動ユニットが故障した場合でも、機械的な
補償システムが駆動され得るように設計されている。こ
れは例えば、適当な補助重りとしての回り継手10,1
1と、第2の支持アーム16に設けられた補助重りとし
ての補償重り19と、対応する形状で構成された第1の
支持アーム15とによって達成される。しかしながら、
セットされた6つの駆動ユニット内での伝動装置摩擦を
調節することによって、モータ式の又は手動の装置に不
都合な影響を与えることなしに、それぞれの器具を所定
の重量インターバルで揺動するように構成することもで
きる。この場合には、伝動装置摩擦は、モータ駆動式の
架台を手動で操作できるように設定しなければならな
い。これによって例えば、操作中に、時間のかかる釣り
合い重り調節作業を行うことなしに、器具を迅速に交換
することができる。
架台を運転するためには、それぞれの駆動ユニットを限
定的に制御する制御ユニット30が必要である。この制
御ユニット30は有利には、本発明によるモータ駆動式
の架台の脚部1上に配置されている。モータ駆動式の架
台を確実に所定位置に位置決めすることができるように
するために、制御ユニット30はそれぞれの器具のアク
チュアルな立体座標を連続的に検出しなければならな
い。これは、各駆動ユニットに連結された角度センサを
連続的に読み取ることによって行われる。モータ駆動式
の架台若しくは各個別部材及び架台部材の公知の幾何学
的な構造寸法においては、架台座標系内における器具位
置を規定することが常に可能である。さらに、架台座標
系と患者座標系との間の関係が分かれば、本発明による
モータ駆動式の架台と、この架台上に載せられた器具と
を立体的に使用することが可能である。
のために、所定の目標座標を設定することは、制御ユニ
ットに連結された入力インターフエースを介して行われ
る。可能な入力インターフエースとしては例えば、接触
反応式のセンサ、光学的なシステム、Joysticks又は入力
キーボードが挙げられる。この場合に、制御ユニット
が、各駆動ユニットのために、移動せしめられる所定の
目標値を与える。これらの目標値は、各駆動ユニットの
ための個別の調整回路を介して、連続的に規定して移動
せしめられるようになっている。
駆動式の架台の斜視図が示されている。円形の脚部10
1上に受台103が配置されており、該受台103に制
御ユニットが取り付けられている。図1に示された鉛直
方向に延びる支持コラムと第1の支持部材とはこの図で
は見えないようになっている。受台103は第1の支持
部材に接続されていて、この支持部材と一緒に第1の鉛
直方向に延びる軸線A1を中心にして回転するようにな
っている。第2の駆動ユニット105と回り継手上で
は、平行四辺形リンクが第1の支持部材(図示せず)に
配置されている。4つの個別の平行四辺形リンク部材1
06,107,108,109よりなる平行四辺形リン
クは、第2の駆動ユニット105と回り継手とを介し
て、水平方向に延びる軸線A2を中心にして、受台10
3若しくは脚部101及び第1の支持部材と鉛直方向に
延びる支持コラム(この図では見えない)に対して相対
的に可動である。4つの平行四辺形リンク部材106,
107,108,109は、この図面では見えない回り
継手を介して、平行四辺形リンクの各縁部で互いに相対
的に可動である。下側の平行四辺形リンク部材107
は、釣り合い用の釣り合い重りを備えている。平行四辺
形リンク部材106と109との間に設けられた回り継
手は第3の駆動ユニット104を備えており、この第3
の駆動ユニット104によって、平行四辺形リンクのモ
ータ駆動式の相対調節が自動的に可能である。この場合
の回転運動は、回り継手を通って延びる別の水平な軸線
A3を中心にして行われる。この実施例でも、第3の駆
動ユニットを平行四辺形リンクの別の縁部に配置するこ
とが可能である。最上位置にある平行四辺形リンク10
9の延長線上に、第1の支持アーム115が、回り継手
を介して配置されている。この回り継手は、その長手方
向軸線A4を中心にして第4の駆動ユニットによって回
転させることができる。長手方向軸線A4を中心にして
回転する際に釣り合いは、特別の形状に構成された第1
の支持アーム115によって行われる。これはこの図2
に示した斜視図により明らかである。このために必要な
第4の駆動ユニットはこの図2では見えないようになっ
ているが、例えば上側の平行四辺形リンク部材109に
取り付けられている。図面で分かるように、第1の支持
アーム115が2重クランク状に構成されており、これ
によって、この第1の支持アーム115の下にいる外科
医にとって最適な自由運動性が得られる。第1の支持ア
ーム115の外側端部には、別の回り継手を介して第2
の支持アーム116が、図示していない第5の駆動ユニ
ットと共に取り付けられている。回り継手及び第5の駆
動ユニットによって、第2の支持アーム116は別の軸
線A5を中心にして回転させることができるようになっ
ている。支持アーム116の一端部には補償重りが備え
られており、これに対して他方の端部には第3の支持ア
ーム118が配置されている。この第3の支持アーム1
18は、対応する回り継手及び第6の駆動ユニット(図
示せず)を介して長手方向軸線A6を中心にしてモータ
駆動によって動かされるようになっている。この実施例
では、第3の支持アーム118の端部には医学的な治療
又は診断器具として手術用マイクロスコープ120が固
定されている。
の構成を説明する。この駆動ユニットにおける本発明の
構造は、医学的な使用に関連してさらに別の利点を提供
するものである。本発明によるモータ駆動式の架台に使
用されたすべての駆動ユニットは、この図3に示した基
本的な構造を有している。この場合に、相応の駆動ユニ
ットは、本来の駆動モータ41、例えばディスクスライ
ダ式モータ及び伝動装置42を有している。前述のよう
に、使用されたすべての駆動ユニットの伝動装置摩擦を
適当に合わせることによって、システム全体の機械的な
安定を付加的に得ることができる。適当な伝動装置は、
例えばFa,HARMONIC DRAIVE(ハーミニックドライブ社)
によってHDGMの名称で市販されている。器具重量の
ための遊びスペース以外に、この伝動装置摩擦を計算に
入れることによって、水平方向で不正確に載せた場合で
も機能性に悪影響を及ぼすことはない。さらに、各駆動
ユニットはブレーキ43を有しており、このブレーキ4
3によって位置固定がいつでも可能である。このために
例えば永久磁石−ディスク式ブレーキが使用される。ま
た、安全性の観点から、各駆動ユニットに2つの角度セ
ンサ44a,44bを設けることが重要である。この場
合に、2つの角度センサのうちの第1の角度センサ44
aは駆動モータ41に直接連結されており、これに対し
て第2の角度センサ44bは、駆動モータ41とは関係
無く作業するようになっている。モータ駆動時には、2
つの角度センサによって、検出された角度データを相互
に監視することができる。これによって、モータ駆動式
の架台は、1つの角度センサが場合によっては故障した
場合でも原則的に機能するようになっている。従って駆
動モータ41が故障した場合には、独立した第2の角度
センサ44bを介して座標計算が可能である。これによ
って場合によっては、伝動装置の公差が均される。図示
の実施例では駆動モータ41に連結された角度センサ4
4aとして、従来のインクリメンタル式の角度センサが
使用されるが、その場合には前以て比較測定する必要が
ある。第2の(独立した)角度センサ44bとしては、
コード式の(Code-)回転センサが使用される。このコー
ド式の回転センサは、それぞれの継手運動の連続的な絶
対−角度測定値を発信する。このような形式の第2の角
度センサを使用することによって、第1のインクリメン
タル式の角度センサが故障した場合でも、操作中に第2
の基準測定を行う必要はなく、常にアクチュアルな角度
値が直接提供されるという利点がある。また、駆動ユニ
ットが故障した場合でも常に位置情報が得られるように
なっている。このために、例えばFirma HEIDENHAIM(ハ
イデンハイム社)によって型式名ROC417で市販さ
れているような適当な角度センサが使用される。さらに
また速度センサ45によって、本発明によるモータ駆動
式の架台のそれぞれの部材の操作速度がコントロールさ
れるようになっている。
号ラインを通じて制御ユニットに接続されており、この
接続ユニットは、アクチュアルなデータを解読及び評価
すると共に、必要な制御信号を駆動ユニットに送信す
る。この場合に各駆動ユニットのために、所定の目標値
の発信を制御するそれぞれ1つの別個のコントロールル
ープが設けられている。
である。
斜視図である。
分の側面図である。
ラム、 4 支持部材、 5 駆動ユニット、 6,
7,8,9 平行四辺形リンク部材、 10,11,1
2,13 回り継手、 14 駆動ユニット、 15
支持アーム、 16,17 釣り合い重り、 18 支
持アーム、 19 補償重り、 20 治療又は診断器
具、 30 制御ユニット、 41 駆動モータ、 4
2 伝動装置、 43 ブレーキ、 44a,44b
角度センサ、 45 速度センサ、101 脚部、 1
03 受台、 104,105 駆動ユニット、 10
6,107,108,109 平行四辺形リンク部材、
115,116 支持アーム、 118 支持アー
ム、 120 手術用マイクロスコープ、 A1,A
2,A3,A4,A5,A6 軸線
Claims (8)
- 【請求項1】 医学的な治療又は診断器具を位置決めす
るためのモータ駆動式の架台であって、各継手のための
駆動ユニット及び角度センサが組み込まれている複数継
手機構と制御装置とから成っている形式のものにおい
て、複数継手機構が少なくとも大まかに機械的に釣り合
わされていることを特徴とする、モータ駆動式の架台。 - 【請求項2】 各駆動ユニットのために、所定の目標値
の発信を制御する少なくとも1つの調整回路が設けられ
ている、請求項1記載のモータ駆動式の架台。 - 【請求項3】 鉛直な支持コラム(3)に、鉛直方向の
軸線(A1)を中心にして可動な支持部材(4)が配置
されており、該支持部材(4)に、1つ又は複数の水平
な軸線(A2,A3)を中心にしてモータ駆動によって
調節可能な平行四辺形リンク部材が1つ又は複数の補償
重り(10,11)と共に配置されていて、該補償重り
に、長手方向軸線(A4)を中心にして可動な別の第1
の支持アーム(15,115)が配置されており、該第
1の支持アーム(15,115)に、この第1の支持ア
ーム(15,115)を延長する第2の支持アーム(1
6,116)が配置されていて、該第2の支持アーム
(16,116)は、第1の支持アーム(15,11
5)の長手方向軸線(A4)に対して直角方向に延びる
別の軸線(A5)を中心にしてモータによって可動であ
って、さらにこの第2の支持アーム(16,116)の
自由端部に第3の支持アーム(18,118)が配置さ
れており、該第3の支持アーム(18,118)はその
長手方向軸線(A6)を中心にして可動であって、その
自由端部に医学的な治療又は診断のためのインタフエー
スが配置されている、請求項1記載のモータ駆動式の架
台。 - 【請求項4】 回転運動の中心となる各軸線のためにそ
れぞれ1つの駆動ユニットが設けられており、該駆動ユ
ニットは、それぞれ1つの、伝動装置(42)を備えた
駆動モータ(41)と、ブレーキ(43)と、速度セン
サ(45)と、2つの角度センサ(44a,44b)と
を有している、請求項3記載のモータ駆動式の架台。 - 【請求項5】 各駆動ユニット毎に、駆動モータ(4
1)に連結されたインクリメンタル式の角度センサ(4
4a)と、前記駆動モータ(41)とは無関係に絶対的
な角度値を提供する角度センサ(44b)とが設けられ
ている、請求項4記載のモータ駆動式の架台。 - 【請求項6】 所定の重量差内で器具重量が変化した時
でも、装置全体が機械的に釣り合わされるように、各駆
動ユニットの伝動装置摩擦が互いに合わされている、請
求項4記載のモータ駆動式の架台。 - 【請求項7】 角度センサ(44a,44b)の角度値
を連続的に検出して、その結果から、架台座標系内での
医学的な治療又は診断器具の座標を規定する制御ユニッ
ト(30)が設けられており、該制御ユニット(30)
が、所定の目標座標を規定して与えるための入力インタ
フエースを有している、請求項1記載のモータ駆動式の
架台。 - 【請求項8】 医学的な治療又は診断器具を位置決めす
るための複数継手機構内に設けられた駆動ユニットであ
って、伝動装置(42)を備えた少なくとも1つの駆動
モータ(41)と、少なくとも1つのブレーキ(43)
と、少なくとも1つの速度センサ(45)と、アクチュ
アルな角度値を検出するための少なくとも1つの角度セ
ンサとから成っている形式のものにおいて、少なくとも
1つの絶対的な角度値を提供する2つの角度センサ(4
4a,44b)が設けられていることを特徴とする、医
学的な治療又は診断器具を位置決めするための複数継手
機構内に設けられた駆動ユニット。
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