WO2015043763A1 - Verstellbares stativ für ein optisches beobachtungsgerät - Google Patents

Verstellbares stativ für ein optisches beobachtungsgerät Download PDF

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motor
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Mathias John
Joachim Luber
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Karl Kaps Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to an adjustable stand for an optical observation device, in particular for a surgical microscope, with a tilting axis and with a pivot axis for the optical observation device and with a flange for connection to the optical observation device.
  • More cost-effective torque balancing devices are known, which are mounted directly on the surgical microscope and not on its carrier, for example from DE 42 31 516 A1, EP 1 312 850 A2 or JP 2009201995 A.
  • JP 2009201995 A describes another way.
  • the microscope is adjusted manually relative to the suspension on the carrier system in the x and y directions until the torque compensation takes place.
  • the major disadvantage of this invention is that thereby the microscope is adjusted so far from the center and during rotational movements of the focus point of the microscope deviates more and more. Furthermore, with this device, no automatic or semi-automatic torque compensation is possible in principle.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a simple and cost-effective solution of torque compensation for an optical observation device, in particular a surgical microscope, which, despite a large bandwidth of the compensation of torques by more and more accessories, only a small amount of space.
  • a second torque compensation device is arranged on the second axis, which basically has the same components as those of the first torque compensation device. This also leads to the benefits outlined in the previous paragraph with respect to the second axis. The fact that a torque compensation device is arranged on both axes, the surgeon enjoys the above advantages in each possible change of the optical observation device.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the tilting axis is substantially perpendicular to the pivot axis. Since this is the normal design of these two axes on the standard tripods, the device according to the invention can be used on these.
  • a further advantageous development of the invention provides that the first torque-transmitting device and / or the second torque-transmitting device has a transmission ratio that deviates from 1: 1, in particular between 1: 1, 5 and 1: 4, preferably 1: 3. This makes it possible to keep the required counter torques in the spring, for example due to solid and possibly relatively far from the respective axis arranged accessories low, which then leads due to reduced size of the first spring and first brake back to a compact design.
  • a further advantageous development of the invention provides that the first brake is connected to a first brake control and / or the second brake is connected to a second brake control. Thereby, a semi-automatic or fully automatic balancing of the device can be achieved, since the brake is opened automatically only for the period in which the compensation of the torque acting on the respective axis is performed.
  • a further advantageous development of the invention provides that the first engine control and / or the second engine control and / or the first brake control and / or the second brake control is included as software on a computer.
  • the compactness of the device is given and the entire required controls can be summarized in a single device.
  • a further advantageous development of the invention provides that the axis of the first brake and the axis of the first spring coincide and / or the axis of the second brake and the axis of the second spring coincide.
  • a further advantageous development of the invention provides that the first brake and / or the second brake is an electromagnetic brake.
  • Such brakes are easy to control, compact and inexpensive as a standard part.
  • a further advantageous development of the invention provides that a surgical microscope or another member of the stand is attached to the flange.
  • the invention is designed such that, instead of the flange shown in the exemplary embodiment. sches to connect a surgical microscope, another member of the adjustable tripod can be connected.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the adjustable tripod is part of a ceiling, wall or floor stand.
  • commercial ceiling, wall or floor stands can be used, attached to the tilt axis and / or the pivot axis, the components of the invention or can be retrofitted accordingly.
  • FIGURE shows a section of an embodiment of an adjustable tripod according to the invention.
  • the figure shows an embodiment of an article according to the invention in the form of a part of a ceiling stand for a surgical microscope.
  • the ceiling stand is shown here only with its connection piece 3; However, it is well known to those skilled in the art, so that it can be dispensed with in more detail here, in particular with regard to the fact that the execution of the other part of the ceiling mount for the invention is not important.
  • Other types of tripods such as wall or floor tripods, may equally well be used in the invention.
  • Flange 4 is formed on which the surgical microscope (not shown) or another member of the ceiling stand can be attached. It can affectionate surgical microscope are attached to the flange 4; This also applies to attachable to the surgical microscope accessories.
  • the surgical microscope does not have to be connected directly to the flange 4, but it can also be between the flange 4 and the surgical microscope also another member or more members of the ceiling stand are arranged.
  • the tilting axis 1 is horizontal; as well as the pivot axis 2, which is aligned orthogonally thereto.
  • An operator operating the surgical microscope usually needs to place it in different positions during an operation. Since the center of gravity of the surgical microscope with accessories is usually not on the pivot axis 2 and not on the tilt axis 1, torques about these two axes 1, 2 are present. So that the surgical microscope with its accessories does not rotate around the respective axis 1, 2 until its center of gravity lies in perpendicular below the respective axis 1, 2, counter torques must be applied to the respective axis 1, 2, which are the respective torque due to the position and mass of the surgical microscope, including accessories.
  • This first torque compensation device has the following essential components of the invention: a first spring 11, a first motor 12, a first brake 13, a first torque transmission device 14, a first force sensor 5 and a first location sensor 16.
  • the other components shown in the figure are for Basis of the invention is not essential and the skilled person knows how to make them in the light of the following description of the invention essential parts, their interaction and their arrangement to each other.
  • the first sensor 16 is arranged on the tilting axis 1 at the right end. Through him the location and the angular position of the tilting axis 1 are determined in space. The respective current value is transmitted to a computer (not shown). For transmission, a data cable (not shown) is regularly used. However, it can also be a wireless transmission of this data to the computer. When a torque acts on the tilting axis 1 and the first brake 13 is opened, the position of the tilting axis 1 changes in space at least in its angular position.
  • the first torque transmission device 14 has the first spring 11.
  • this is a spiral spring, which is fixed with its one end to a first housing 10 and with its other end to a first central shaft, not shown.
  • the first motor 12 is connected via a suitable power transmission device, such as pinion, with the first spring 11, so that the first housing 10 can be rotated relative to the first central shaft. Further details of the power transmission devices follow below.
  • the voltage of the first spring 11 and thus the force acting on it by its first central shaft force is detected by means of the first force sensor 15.
  • the first force sensor 15 detects the angular position of the first central shaft relative to the first housing 10 of the first spring 11 - the angle of rotation of the first housing 10 driven by the first motor 12 relative to the first central shaft yields the spring force of the first spring 11.
  • the value of the angular position is transferred to the computer.
  • a data cable (not shown) is regularly used, but it can also be a wireless transmission.
  • the first motor 12 could also rotate the first center shaft to change the counter torque; Even then, the first force sensor 15 would detect the angular position of the first central shaft to the first housing 10 - only then would the first central shaft is actively rotated by the first motor 12 and not the first housing 10th
  • the spring force of the first spring 11 is adjusted by means of the first motor 12 so that a counter torque acts on the tilting axis 1, which in the opposite effect the torque attacks and the amount is just as big.
  • the first torque transmission device acts on the first central shaft of the first spring 11 and transmits the force of the first spring 11 to the tilting axis 1 by means of suitable means.
  • this is done by a first drive gear 17, which is arranged on the first central shaft of the first spring 11 and transmits the force via a first toothed belt 18 to a first driven gear 19 which is arranged on the tilting axis 1 on the tilting axis 1.
  • the above-mentioned gear ratio is by no means mandatory and may take any other value that allows a sufficiently small size of the first torque transmitting device.
  • Other, alternative power transmission devices are known to the person skilled in the art, so that they are omitted here in more detail.
  • a first brake 13 is arranged around the first central shaft of the first spring 11.
  • the exemplary embodiment is an electromagnetic brake which is well known to the person skilled in the art and therefore need not be further described. Other types of brakes known to those skilled in the art are equally applicable.
  • the first brake 13 Only when the surgeon moves the surgical microscope in another position, the first brake 13 must be opened so that the movement can take place and at the same time a compensation of the changed torque on the tilting axis 1 due to the changed position of the surgical microscope system with accessories and pivot axis 2 attacks, can be done using an adjusted counter torque.
  • the second torque balancing device comprises a second spring 21 in the form of a helical spring, which is fixed with its first end to a second housing 20 and with its second end to a second central shaft (not shown) of the second spring 21.
  • the second central shaft has at its free end to a second drive gear 27, which via a second toothed belt 28, the force of the second central shaft to a second output gear 29 on the
  • Swivel axis 2 transmits. These two gears 27, 29 together with the toothed belt 28 form a second torque transmission device 24.
  • a second electromagnetic brake 23 is arranged, which can set the second central shaft.
  • the second torque balancing device has a second motor 22 which cooperates via a pinion with the housing of the second spring 21.
  • a second force sensor 25 and a second location sensor 26 are provided which have the same tasks with respect to the pivot axis 2 as their counterparts on the first torque balancing device.
  • the device according to the invention can be operated in different modes.
  • a first mode with the brakes 13, 23 released, the surgical microscope is moved to another position until the position in which the surgeon wishes to work is reached.
  • the positions of the tilting axis 1 and the pivot axis 2 are determined based on the location sensors 16, 26 - as already stated above - and then the two motors 12, 22 can be controlled by the operator by means of buttons, until the entire system balanced is.
  • this balanced state has been reached, blocked the brakes 13 and 23, the tilting axis 1 and the pivot axis 2 by the surgeon, so that the surgeon, even if he encounters the surgical microscope, the position of the surgical microscope can not accidentally change.
  • a balanced state at a position of the tilting axis 1 and the pivot axis 2 can also be done automatically instead of adjustment via buttons.
  • the two brakes 13, 23 are automatically released at the current position of the tilting axis 1 and pivot axis 2 for a predetermined short time, so that the changed torques rotate the tilting axis 1 and the pivoting axis 2. Due to the temporal changes of the tilting axis 1 and the pivot axis 2, which are detected by the respective first location sensor 16 and second location sensor 26, these values can be converted by the above-mentioned algorithms so that the applied change in the respective spring hardness of the springs 11th , 21 can be calculated and on the two motors 12, 22, the setting is made automatically. Once this is done, the two brakes 13, 23 are activated again, so that the tilting axis 1 and the pivot axis 2 are blocked in the position that the operator has preset.
  • the relevant parameters of the two location sensors 16, 26 and the two force sensors 15, 25 can be stored and based on the above, necessary for the calculation of the torque parameters of the respective system, depending on the surgical microscopes used together with - each interchangeable - accessories are determined.
  • an automatic torque compensation can take place during use. This is done by bringing the surgical microscope into the new position after releasing the brakes 13, 23 by the surgeon. There, the two brakes 13, 23 are activated again, so that the tilting axis 1 and the Swivel axis 2 are blocked again.
  • the change in both the location of the tilting axis 1 and the pivot axis 2 and its change in its angular position can be determined. Since the system was balanced before changing the position, a new position and thus a new counter torque can now be calculated on the basis of the new data obtained and the known mechanical data.
  • the newly calculated counter-torque is now transmitted by operation of the two motors 12, 22 on the two springs 11, 21 by their respective voltage is changed.
  • the corresponding counter-torque is then transmitted via the two torque transmission devices 14, 24 to the tilting axis 1 and the pivot axis 2.
  • a disadvantage of the third mode described above is that the surgeon must apply a relatively high force when changing the position, since he receives on the shift path from the old position to the new position no support by a torque compensation. Rather, this takes place only for balancing in the end position specified by the surgeon.
  • This problem is resolved by automatically torque balancing during the shift in a fourth mode. For this purpose, during the entire movement from the initial position to the end position via the two position sensors 16, 26, the change in the location and the angular position of the tilting axis 1 and the pivot axis 2 are constantly detected and transmitted to the computer.

Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem verstellbaren Stativ für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere für ein Operationsmikroskop, mit einer Kippachse (1) und mit einer Schwenkachse (2) für das optische Beobachtungsgerät und mit einem Flansch (4) zur Verbindung mit dem optischen Beobachtungsgerät oder eines weiteren Gliedes des verstellbaren Stativs, wobei an mindestens einer der beiden Achsen (1, 2) eine erste Drehmomentausgleichsvorrichtung angeordnet ist, die eine erste Bremse (13) zur Festlegung der Achse (1, 2) aufweist, und die eine erste (Feder 11) aufweist, welche mit einem ersten Motor (12) zur Verstellung der Federspannung der ersten Feder (11) verbunden ist und der erste Motor (12) mit einer ersten Motorsteuerung verbunden ist, und die eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung (14) aufweist, die zwischen der ersten Feder (11) und der Achse (1, 2) ausgebildet ist, und die einen ersten Ortssensor (16) zur Bestimmung der Lage der Achse (1, 2) aufweist, und die einen ersten Kraftsensor (15) zur Bestimmung der Federspannung der ersten Feder (11) aufweist, wobei der Ortssensor (16) und der Kraftsensor (15) mit einer Steuereinheit verbunden sind.

Description

Verstellbares Stativ für ein optisches Beobachtungsgerät
Die Erfindung befasst sich mit einem verstellbaren Stativ für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere für ein Operationsmikroskop, mit einer Kippachse und mit einer Schwenkachse für das optische Beobachtungsgerät und mit einem Flansch zur Verbindung mit dem optischen Beobachtungsgerät.
Es ist bekannt, dass zum feinfühligen und exakten Bewegen eines Operationsmikroskops, bei dem zum Beispiel durch Hinzufügen einer optionalen Einrichtung, sich die Drehmomente ändern, ein Drehmomentausgleich notwendig wird. Aufwendige Systeme versuchen jede der Bewegungsachsen auszugleichen, wie dies beispielsweise in der JP 9182759 A gezeigt ist. Dort erfolgt der Ausgleich, teilweise auch automatisch, durch Verschieben von Gewichten. Nachteilig ist, dass diese Apparatur sehr teuer und deswegen auch nur für high-end Systeme benutzt werden kann.
Ähnlich ist dies bei den weiteren, aus dem Stand der Technik gemäß der JP 8266555 A, der JP 6269463 A und der EP 0 656 194 A1 bekannten Lösungen zu bewerten.
Kostengünstigere Drehmomentausgleichsvorrichtungen sind bekannt, die direkt am Operationsmikroskop angebracht sind und nicht an dessen Träger, beispielsweise aus der DE 42 31 516 A1 , der EP 1 312 850 A2 oder der JP 2009201995 A.
Bei der DE 42 31 516 A1 werden eine oder mehrere Achsen durch eine manuell verstellbare Feder drehmomentenausgeglichen. Diese Vorrichtung kann nur bei kleinen Drehmomentänderungen benutzt werden und das System muss manuell je nach Lage der Achse nachgestellt werden. Heutige Mikroskope haben mehr und mehr Zubehör. Um dieses zusätzliche Drehmoment auszugleichen, würde die Größe des hier genannten Systems so weit erhöht werden müssen, dass es praktisch nicht mehr eingesetzt werden kann. Ein anderer Weg wird bei der EP 1 312 850 A2 verfolgt. Hier wird mit Hilfe einer Gasdruckfeder und einem Wandler, der den Lineardruck der Gasdruckfeder oder auch Federelementen in ein Gegenmoment zum Drehmomentausgleich des Mikroskops wandelt. Der Nachteil dieser Einrichtung ist die dafür nötige Baugröße sowie die fehlende Möglichkeit einer auto- oder semiautomatischen Einstellung des Drehmomentausgleichs.
Die JP 2009201995 A beschreibt einen anderen Weg. Hier wird mit Hilfe zweier Lineartriebe das Mikroskop relativ zur Aufhängung am Trägersystem in x- und y- Richtung manuell soweit verstellt, bis der Drehmomentausgleich stattfindet. Der große Nachteil dieser Erfindung ist, dass dadurch das Mikroskop soweit vom Zentrum verstellt wird und bei Rotationsbewegungen der Fokuspunkt des Mikroskops mehr und mehr abweicht. Des Weiteren ist mit dieser Einrichtung schon prinzipiell kein automatischer oder semiautomatischer Momentausgleich möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegen deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Lösung eines Drehmomentausgleichs für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere ein Operationsmikroskop, zu schaffen, das trotz großer Bandbreite des Ausgleichs von Drehmomenten durch mehr und mehr Zubehör, nur einen geringen Bauraum aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Aufgrund der beiden Sensoren kann eine automatische Bestimmung des auszugleichenden Drehmoments in der ersten Steuereinheit erfolgen. Da die erste Feder mit einem ersten Motor verbunden ist, muss die Federspannung der ersten Feder nicht manuell eingestellt werden, was die Arbeit des Operateurs erheblich erleichtert. Eine automatische Einstellung des Gegendrehmoments in der ersten Feder, das mittels eines geeigneten Algorithmus in der Steuereinheit bestimmt werden kann, kann aufgrund einer motorischen Verdrehung der ersten Feder erfolgen. Die Motorsteuerung wird dabei von der Steuereinheit anhand des Ergebnisses der Auswertung der beiden Sensoren bedient. Die erste Bremse dient dazu, die Vorrichtung in der gewählten Position festzulegen, so dass der Operateur auch in dem Fall, dass kein Drehmomentausgleich stattgefunden hat, entlastet ist und auch keine unbeabsichtigte Bewegung des Operationsmikroskops erfolgt. Die Übertragung des in der ersten Feder aufgebauten Gegendrehmoments auf die erste Achse, an der das Drehmoment angreift, erfolgt über die erste Drehmomentübertragungsvorrichtung. Dadurch, dass die erste Drehmomentausgleichsvorrichtung an der ersten Achse angeordnet ist, erhält man eine sehr kompakte, raumsparend Bauweise.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an der zweiten Achse eine zweite Drehmomentausgleichsvorrichtung angeordnet ist, die grundsätzlich die gleichen Bauelemente aufweist, wie diejenigen der ersten Drehmomentausgleichsvorrichtung. Dies führt auch in Bezug auf die zweite Achse auf die im vorangehenden Absatz ausgeführten Vorteile. Dadurch, dass an beiden Achsen jeweils eine Drehmomentausgleichsvorrichtung angeordnet ist, genießt der Operateur bei jeder möglichen Veränderung des optischen Beobachtungsgeräts die oben genannten Vorteile.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kippachse im Wesentlichen senkrecht auf die Schwenkachse steht. Da dies die normale Ausbildung dieser beiden Achsen an den handelsüblichen Stativen ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung an diesen verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Drehmomentübertragungsvorrichtung und/oder die zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung ein Übersetzungsverhältnis aufweist, das von 1 :1 abweicht, insbesondere zwischen 1 :1 ,5 und 1 : 4 liegt, bevorzugt 1 :3 beträgt. Dadurch ist es möglich, die benötigten Gegendrehmomente in der Feder, beispielsweise aufgrund massivem und gegebenenfalls relativ weit von der jeweiligen Achse angeordnetem Zubehör, gering zu halten, was dann wegen reduzierter Größe von erster Feder und erster Bremse wieder zu einer kompakten Bauform führt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Bremse mit einer ersten Bremsensteuerung verbunden ist und/oder die zweite Bremse mit einer zweiten Bremsensteuerung verbunden ist. Dadurch kann eine semiautomatische oder vollautomatische Ausbalancierung der Vorrichtung erreicht werden, da die Bremse nur für den Zeitraum automatisch geöffnet wird, in dem der Ausgleich des an der jeweiligen Achse angreifenden Drehmoments durchgeführt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Motorsteuerung und/oder die zweite Motorsteuerung und/oder die erste Bremsensteuerung und/oder die zweite Bremsensteuerung als Software auf einem Rechner enthalten ist. Damit ist die Kompaktheit der Vorrichtung gegeben und die gesamten benötigten Steuerungen können in einem einzigen Gerät zusammenge- fasst werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Achse der ersten Bremse und die Achse der ersten Feder zusammenfallen und/oder die Achse der zweiten Bremse und die Achse der zweiten Feder zusammenfallen. Dadurch kann eine kompakte Bauweise erreicht werden und die optimale Übertragung der Kraft des jeweiligen Motors auf die zugehörige Feder wird gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die erste Bremse und/oder die zweite Bremse eine elektromagnetische Bremse ist. Solche Bremsen sind gut anzusteuern, kompakt bauend und als Standardteil preiswert einsetzbar.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass am Flansch ein Operationsmikroskop oder ein weiteres Glied des Stativs angebracht ist. Dies stellt einen Hauptanwendungsfall des erfindungsgemäßen Stativs dar, so dass der Operateur des Operationsmikroskops alle oben genannten Vorteile genießt. Die Erfindung ist so ausgelegt, dass statt des im Ausführungsbeispiel gezeigten Flan- sches zum Anschluss eines Operationsmikroskops, ein weiteres Glied des verstellbaren Stativs angeschlossen werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das verstellbare Stativ Bestandteil eines Decken-, Wand- oder Bodenstativs ist. Dadurch können handelsübliche Decken-, Wand- oder Bodenstative verwendet werden, an deren Kippachse und/oder deren Schwenkachse die erfindungsgemäßen Bestandteile angebracht oder die dementsprechend nachgerüstet werden können. Dies bedeutet, dass es nicht nötig ist, aufwendige Zusatzteile - wie aus dem Stand der Technik bekannt - zu dem sowieso nötigen Decken-, Wand- oder Bodenstativs vorzusehen. Dies trägt zu einer kompakteren Bauweise des gesamten Geräts bei und spart darüber hinaus Kosten gegenüber einem aufwendigen Zusatzteil ein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen verstellbaren Stativs.
Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gegenstands in Form eines Teils eines Deckenstativs für ein Operationsmikroskop. Das Deckenstativ ist hier nur noch mit seinem Anschlussstück 3 dargestellt; es ist jedoch dem Fachmann gut bekannt, so dass hier auf näherer Ausführungen verzichtet werden kann, insbesondere im Hinblick darauf, dass die Ausführung des weiteren Teils des Deckenstativs für die Erfindung nicht von Bedeutung ist. Andere Arten von Stativen, wie Wand- oder Bodenstative, können genauso gut im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
Am Ende des Anschlussstücks 3 sind zwei Achsen, eine Kippachse 1 und eine Schwenkachse 2, ausgebildet. Am freien Ende der Schwenkachse 2 ist ein
Flansch 4 ausgebildet, an dem das Operationsmikroskop (nicht dargestellt) oder ein weiteres Glied des Deckenstativs angebracht werden kann. Es kann jedes be- liebige Operationsmikroskop an den Flansch 4 angebracht werden; dies gilt auch für an das Operationsmikroskop anbringbare Zubehörteile. Das Operationsmikroskop muss dabei nicht direkt an den Flansch 4 angeschlossen werden, sondern es können zwischen dem Flansch 4 und dem Operationsmikroskop auch noch ein weiteres Glied oder mehrere Glieder des Deckenstativs angeordnet werden.
In der Figur verläuft die Kippachse 1 horizontal; ebenso die Schwenkachse 2, die hierzu orthogonal ausgerichtet ist. Ein Operateur, der das Operationsmikroskop bedient, muss dieses im Regelfall während einer Operation in verschiedene Positionen bringen. Da der Schwerpunkt des Operationsmikroskops mit Zubehörteilen in der Regel nicht auf der Schwenkachse 2 und keinesfalls auf der Kippachse 1 liegt, sind Drehmomente um diese beiden Achse 1 , 2 vorhanden. Damit das Operationsmikroskop mit seinem Zubehör nicht um die jeweilige Achse 1 , 2 so lange rotiert, bis deren Schwerpunkt im Lot unterhalb der jeweiligen Achse 1 , 2 zu liegen kommt, müssen an der jeweiligen Achse 1 , 2 Gegendrehmomente aufgebracht werden, die das jeweilige Drehmoment aufgrund der Position und Masse des Operationsmikroskops samt Zubehörteilen ausgleichen.
Zuerst wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Kippachse 1 beschrieben. Aufgrund des Masseschwerpunkts des Operationsmikroskops samt Zubehörteilen und zusätzlich der Teile, die zur Schwenkachse 2 gehören, greift ein Drehmoment an der Kippachse 1 an, das gegen den Uhrzeigersinn wirkt, wenn man in der Figur von rechts auf die Kippachse 1 blickt. Dieses Drehmoment würde bewirken, dass das Operationsmikroskop samt Zubehörteilen und der Schwenkachse 2 soweit gegen den Uhrzeigersinn um die Kippachse 1 rotiert, bis sich der Schwerpunkt des Systems aus Operationsmikroskop, Zubehörteilen und Schwenkachse 2 lotrecht unterhalb der Kippachse 1 befindet. Da der Operateur jedoch regelmäßig eine andere Position für das Operationsmikroskop benötigt, um arbeiten zu können, muss ein entsprechendes Gegendrehmoment - im Uhrzeigersinn, wenn man von rechts auf die Kippachse 1 blickt - an der Kippachse 1 ansetzen. Dies wird dadurch erreicht, dass eine erste Drehmomentausgleichsvorrichtung direkt an der Kippachse 1 angebracht ist. Diese erste Drehmomentausgleichsvorrichtung weist die folgenden erfindungswesentlichen Bestandteile auf: eine erste Feder 11 , einen ersten Motor 12, eine erste Bremse 13, eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung 14, einen ersten Kraftsensor 5 und einen ersten Ortssensor 16. Die weiteren in der Figur dargestellten Bestandteile sind für die Grundlage der Erfindung nicht wesentlich und der Fachmann weiß, wie er diese im Lichte der folgenden Beschreibung zu den erfindungswesentlichen Teilen, deren Zusammenwirken und deren Anordnung zueinander ausgestalten muss.
Der erste Sensor 16 ist auf der Kippachse 1 am rechten Ende angeordnet. Durch ihn werden der Ort und die Winkellage der Kippachse 1 im Raum ermittelt. Der jeweilige momentane Wert wird an einen Computer (nicht gezeigt) übertragen. Für die Übertragung wird regelmäßig ein Datenkabel (nicht gezeigt) verwendet. Es kann jedoch auch eine drahtlose Übertragung dieser Daten zum Rechner erfolgen. Wenn ein Drehmoment auf die Kippachse 1 wirkt und die erste Bremse 13 geöffnet ist, ändert sich die Position der Kippachse 1 im Raum zumindest in ihrer Winkelstellung. Aus der zeitlichen Änderung der Position der Kippachse 1 nach Öffnen der ersten Bremse 13, die anhand der übertragenen Daten des ersten Ortssensors 16 erhalten werden, kann anhand einer für den Fachmann bekannten physikalischen Formel - wenn er die weiteren Parameter des gesamten Systems kennt - auf das angreifende Drehmoment geschlossen werden. Dies erfolgt mittels eines geeigneten Algorithmus auf dem Rechner. Das jeweilige Drehmoment wird durch die erste Drehmomentübertragungsvorrichtung 14 ausgeglichen. Hierzu weist diese die erste Feder 11 auf. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um eine Spiralfeder, die mit ihrem einen Ende an einem ersten Gehäuse 10 und mit ihrem anderen Ende an einer nicht dargestellten ersten Zentralwelle festgelegt ist. Der erste Motor 12 ist über eine geeignete Kraftübertragungsvorrichtung, beispielsweise Zahnritzel, mit der ersten Feder 11 verbunden, so dass deren erstes Gehäuse 10 gegenüber deren erster Zentralwelle rotiert werden kann. Zu den Kraftübertragungsvorrichtungen folgen weiter unten noch nähere Ausführungen. Die Spannung der ersten Feder 11 und damit die durch sie auf ihre erste Zentralwelle wirkende Kraft wird mittels des ersten Kraftsensors 15 detektiert. Der erste Kraftsensor 15 detektiert hierbei die Winkelstellung der ersten Zentralwelle zu dem ersten Gehäuse 10 der ersten Feder 11 - aus dem Rotationswinkel des vom ersten Motor 12 angetriebenen ersten Gehäuses 10 gegenüber der ersten Zentralwelle ergibt sich die Federkraft der ersten Feder 11. Der Wert der Winkelstellung wird an den Rechner übertragen. Auch hier wird regelmäßig ein Datenkabel (nicht gezeigt) verwendet, es kann jedoch auch eine kabellose Übertragung erfolgen. Wenn die Kenndaten der ersten Feder 11 bekannt sind, kann aufgrund der Winkelposition der ersten Zentralwelle zum ersten Gehäuse 10 der ersten Feder 11 auf die in dieser Position vorhandene Kraft geschlossen werden. Dies geschieht anhand eines geeigneten Algorithmus innerhalb des Rechners; dieser wird durch eine physikalische Formel beschrieben, die dem Fachmann bekannt ist. Alternativ könnte auch der erste Motor 12 die erste Zentralwelle drehen, um das Gegendrehmoment zu ändern; auch dann würde der erste Kraftsensor 15 die Winkelstellung der ersten Zentralwelle zum ersten Gehäuse 10 detektieren - nur würde dann die erste Zentralwelle aktiv durch den ersten Motor 12 rotiert und nicht das erste Gehäuse 10.
Zum Ausgleich des Drehmoments, das auf die Kippachse 1 aufgrund des Operationsmikroskops samt Zubehörteilen und Schwenkachse 2 wirkt, wird mittels des ersten Motors 12 die Federkraft der ersten Feder 11 so eingestellt, dass ein Gegendrehmoment auf die Kippachse 1 wirkt, das in die entgegengesetzte Wirkung wie das Drehmoment angreift und vom Betrag her genauso groß ist. Dies geschieht dadurch, dass an der ersten Zentralwelle der ersten Feder 11 die erste Drehmomentübertragungsvorrichtung angreift und mittels geeigneter Mittel die Kraft der ersten Feder 11 auf die Kippachse 1 überträgt. Im Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch ein erstes Antriebszahnrad 17, das auf der ersten Zentralwelle der ersten Feder 11 angeordnet ist und das die Kraft über einen ersten Zahnriemen 18 auf ein erstes Abtriebszahnrad 19, das auf der Kippachse 1 angeordnet ist, auf die Kippachse 1 überträgt. Im Ausführungsbeispiel wird eine Übersetzung von 1 :3 verwendet, damit die relativ hohen Drehmomente, die an der Kippachse 1 angreifen, da der Hebelarm aufgrund der Schwenkachse 2 groß ist, durch eine möglichst kleinbauende erste Drehmomentausgleichsvorrichtung kompensiert werden kann. Das gerade genannte Übersetzungsverhältnis ist jedoch keinesfalls zwingend und kann auch jeden anderen Wert annehmen, der eine ausreichend kleine Baugröße der ersten Drehmomentübertragungsvorrichtung ermöglicht. Für den Fachmann sind andere, alternative Kraftübertragungsvorrichtungen bekannt, so dass hier darauf verzichtet wird, diese näher auszuführen.
Um das Operationsmikroskop in einer vom Operateur gewünschten Position festlegen zu können, ist um die erste Zentralwelle der ersten Feder 11 eine erste Bremse 13 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine elektromagnetische Bremse, die dem Fachmann gut bekannt ist und somit nicht weiter beschrieben werden muss. Andere Arten von Bremsen, die dem Fachmann bekannt sind, sind ebenso einsetzbar. Mittels dieser ersten Bremse 13 wird im geschlossenen Zustand die erste Zentralwelle blockiert, so dass über den ersten Zahnriemen 18 der ersten Drehmomentübertragungsvorrichtung 14 die Kippachse 1 blockiert ist. Erst wenn der Operateur das Operationsmikroskop in eine andere Stellung bewegt, muss die erste Bremse 13 geöffnet werden, damit die Bewegung erfolgen kann und gleichzeitig eine Kompensation des veränderten Drehmoments, das an der Kippachse 1 aufgrund der geänderten Position des Systems aus Operationsmikroskop samt Zubehörteilen und Schwenkachse 2 angreift, anhand eines angepassten Gegendrehmoments erfolgen kann.
Die Funktions- und Arbeitsweise bezüglich der Schwenkachse 2 ist prinzipiell gleich, wie oben zur Kippachse 1 ausgeführt. Deshalb wird im Folgenden nur kurz nochmals zusammenfassend erläutert, welche Bestandteile wie zueinander angeordnet sind und welche Funktion sie ausüben. Der einzige prinzipielle Unterschied besteht in der Ausgestaltung der zweiten Drehmomentübertragungsvorrichtung 24. Bei dieser ist keine Übersetzung im Verhältnis 1 :3 gewählt, sondern es liegt ein Verhältnis von 1 :1 vor. Dies folgt daraus, dass an der Schwenkachse 2 kleinere Drehmomente aufgrund des Masseschwerpunkts von Operationsmikroskop samt Zubehörteilen angreift, da der Hebelarm hier bedeutend kürzer ist - es ist keine zwischengeschaltete Achse vorhanden, anders als oben bei der Beschreibung zur Kippachse 1 ausgeführt; dort war dies die Schwenkachse 2. Somit reicht das Verhältnis von 1 :1 aus, um trotzdem eine kleinbauende zweite Drehmomentausgleichsvorrichtung anbringen zu können.
Die zweite Drehmomentausgleichsvorrichtung umfasst eine zweite Feder 21 in Form einer Spiralfeder, die mit ihrem ersten Ende an einem zweiten Gehäuse 20 und mit ihrem zweiten Ende an einer zweiten Zentralwelle (nicht dargestellt) der zweiten Feder 21 festgelegt ist. Die zweite Zentralwelle weist an ihrem freien Ende ein zweites Antriebszahnrad 27 auf, das über einen zweiten Zahnriemen 28 die Kraft der zweiten Zentralwelle auf ein zweites Abtriebszahnrad 29 auf die
Schwenkachse 2 überträgt. Diese beiden Zahnräder 27, 29 samt dem Zahnriemen 28 bilden eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung 24. Um die zweite Zentralwelle der zweiten Feder 21 ist eine zweite elektromagnetische Bremse 23 angeordnet, die die zweite Zentralwelle festlegen kann. Zur Kraftaufbringung auf die zweite Feder 21 weist die zweite Drehmomentausgleichsvorrichtung einen zweiten Motor 22 auf, der über ein Ritzel mit dem Gehäuse der zweiten Feder 21 zusammenwirkt.
Außerdem sind ein zweiter Kraftsensor 25 und ein zweiter Ortssensor 26 vorhanden, die dieselben Aufgaben bezüglich der Schwenkachse 2 haben, wie ihre Pendants an der ersten Drehmomentausgleichsvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in verschiedenen Modi betrieben werden. In einem ersten Modus wird bei gelösten Bremsen 13, 23 das Operationsmikroskop in eine andere Stelle verfahren, bis diejenige Position erreicht wird, in der der Operateur arbeiten möchte. In dieser Position werden anhand der Ortssensoren 16, 26 die Positionen der Kippachse 1 und der Schwenkachse 2 bestimmt - wie dies oben schon ausgeführt wurde - und dann mittels Tasten die beiden Motoren 12, 22 durch den Operateur angesteuert werden können, bis das gesamte System ausbalanciert ist. Ist dieser ausbalancierte Zustand erreicht, wird mittels der bei- den Bremsen 13 und 23 die Kippachse 1 und die Schwenkachse 2 durch den Operateur blockiert, so dass der Operateur, selbst wenn er an das Operationsmikroskop stößt, die Position des Operationsmikroskops nicht versehentlich verändern kann.
Ein ausbalancierter Zustand an einer Position von der Kippachse 1 und der Schwenkachse 2 kann auch statt Verstellung über Tasten, automatisch erfolgen. In einem zweiten Modus werden automatisch die beiden Bremsen 13, 23 an der aktuellen Position der Kippachse 1 und Schwenkachse 2 für eine vorgegebene kurze Zeit gelöst, so dass die veränderten Drehmomente die Kippachse 1 und die Schwenkachse 2 verdrehen. Aufgrund der zeitlichen Änderungen der Kippachse 1 und der Schwenkachse 2, die durch den jeweiligen ersten Ortssensor 16 bzw. zweiten Ortssensor 26 detektiert werden, können diese Werte durch die oben schon genannten Algorithmen so umgerechnet werden, dass die aufzubringende Änderung der jeweiligen Federhärte der Federn 11 , 21 berechnet werden kann und über die beiden Motoren 12, 22 die Einstellung automatisch vorgenommen wird. Sobald dies erfolgt ist, werden die beiden Bremsen 13, 23 wieder aktiviert, so dass die Kippachse 1 und die Schwenkachse 2 in der Position, die der Operateur voreingestellt hat, blockiert sind.
Wenn einmal eine solche ausbalancierte Position vorliegt, können die hierfür relevanten Parameter der beiden Ortssensoren 16, 26 und der beiden Kraftsensoren 15, 25 gespeichert werden und anhand der oben genannten, für die Berechnung der Drehmomente notwendigen Parameter des jeweiligen Systems, in Abhängigkeit der verwendeten Operationsmikroskope samt - jeweils austauschbaren - Zubehörteilen bestimmt werden. Nachdem ein solcher ausbalancierter Zustand einmal erreicht wurde, kann im Folgenden anhand der gewonnenen Daten für jede weitere Position, die der Operateur mit dem Operationsmikroskop anfährt, in einem dritten Modus ein automatischer Drehmomentausgleich während der Nutzung erfolgen. Dies erfolgt dadurch, dass nach Lösen der Bremsen 13, 23 durch den Operateur, das Operationsmikroskop in die neue Position gebracht wird. Dort werden die beiden Bremsen 13, 23 wieder aktiviert, so dass die Kippachse 1 und die Schwenkachse 2 wieder blockiert sind. Aufgrund der Daten aus den beiden Ortssensoren 16, 26 kann die Änderung sowohl des Ortes der Kippachse 1 und der Schwenkachse 2 als auch deren Änderung ihrer Winkelstellung bestimmt werden. Da das System vor Änderung der Position ausbalanciert war, kann jetzt auf Grund der gewonnenen neuen Daten und den bekannten mechanischen Daten eine neue Position und damit ein neues Gegendrehmoment errechnet werden. Das neu errechnete Gegendrehmoment wird nun durch Bedienung der beiden Motoren 12, 22 auf die beiden Federn 11 , 21 übertragen, indem deren jeweilige Spannung geändert wird. Das entsprechende Gegendrehmoment wird dann über die beiden Drehmomentübertragungsvorrichtungen 14, 24 auf die Kippachse 1 und die Schwenkachse 2 übertragen.
Nachteilig an dem oben beschriebenen dritten Modus ist es, dass der Operateur bei der Veränderung der Lage eine relativ hohe Kraft aufwenden muss, da er auf dem Verschiebweg von der alten Position in die neue Position keine Unterstützung durch einen Drehmomentausgleich erhält. Vielmehr erfolgt dieser erst zur Ausbalancierung in der vom Operateur vorgegebenen Endposition. Dieses Problem wird dadurch behoben, dass in einem vierten Modus ein automatischer Drehmomentausgleich während der Verschiebung vorgenommen wird. Hierzu wird ständig während der gesamten Bewegung von der Anfangsposition zur Endposition über die beiden Ortssensoren 16, 26 die Änderung des Ortes und der Winkellage der Kippachse 1 und der Schwenkachse 2 detektiert und an den Rechner übermittelt. Dieser bestimmt dann mittels der oben schon genannten Algorithmen ständig, wie das Gegendrehmoment in der jeweiligen Feder 11 , 21 mittels der Motoren 12, 22 geändert werden muss, um ein ausbalanciertes System zu haben. Aufgrund der in jeder Zwischenposition vorhandenen Ausbalancierung des gesamten Systems - das Drehmoment ist entgegengesetzt gleich zum aufgebrachten Gegendrehmoment - kann der Operateur die gesamte Bewegung von der Anfangsposition zur Endposition des Operationsmikroskops mit äußerst geringem Kraftaufwand bewerkstelligen. Nachdem die Endposition erreicht ist, werden die beiden Bremsen 13, 23 wieder blockiert, damit der Operateur in dieser Position arbeiten kann und ein versehentliches Berühren des Operationsmikroskops nicht zu einer Veränderung seiner Lage führen kann.
Bezugszeichenliste
Kippachse
Schwenkachse
Anschlussstück
Flansch
erstes Gehäuse
erste Feder
erster Motor
erste Bremse
erste Drehmomentübertragungsvorrichtung erster Kraftsensor
erster Ortssensor
erstes Antriebszahnrad
erster Zahnriemen
erstes Abtriebszahnrad
zweites Gehäuse
zweite Feder
zweiter Motor
zweite Bremse
zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung zweiter Kraftsensor
zweiter Ortssensor
zweites Antriebszahnrad
zweiter Zahnriemen
zweites Abtriebszahnrad

Claims

Patentansprüche
1. Verstellbares Stativ für ein optisches Beobachtungsgerät, insbesondere für ein Operationsmikroskop, mit einer Kippachse (1) und mit einer Schwenkachse (2) für das optische Beobachtungsgerät und mit einem Flansch (4) zur Verbindung mit dem optischen Beobachtungsgerät oder einem weiteren Glied des verstellbaren Stativs, wobei an mindestens einer der beiden Achsen (1 , 2) eine erste Drehmomentausgleichsvorrichtung angeordnet ist, die eine erste Bremse (13) zur Festlegung der Achse (1 , 2) aufweist, und die eine erste Feder (11) aufweist, welche mit einem ersten Motor (12) zur Verstellung der Federspannung der ersten Feder (11) verbunden ist und der erste Motor (12) mit einer ersten Motorsteuerung verbunden ist, und die eine erste Drehmomentübertragungsvorrichtung (14) aufweist, die zwischen der ersten Feder (11) und der Achse (1 , 2) ausgebildet ist, und die einen ersten Ortssensor (16) zur Bestimmung der Lage der Achse (1 , 2) aufweist, und die einen ersten Kraftsensor (15) zur Bestimmung der Federspannung der ersten Feder (11) aufweist, wobei der Ortssensor (16) und der Kraftsensor (15) mit einer Steuereinheit verbunden sind.
Stativ nach Patentanspruch 1 , wobei zusätzlich zur ersten Drehmomentausgleichsvorrichtung an der anderen Achse (1 , 2) eine zweite Drehmomentausgleichsvorrichtung angeordnet ist, die eine zweite Bremse (23) zur Festlegung der Achse (1 , 2) aufweist, und die eine zweite Feder (21) aufweist, welche mit einem zweiten Motor (22) zur Verstellung der Federspannung der zweiten Feder (21) verbunden ist und der zweite Motor (22) mit einer zweiten Motorsteuerung verbunden ist, und die eine zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung (24) aufweist, die zwischen der zweiten Feder (21) und der Achse (1 , 2) ausgebildet ist, und die einen zweiten Ortssensor (26) zur Bestimmung der Lage der Achse (1 , 2) aufweist, und die einen zweiten Kraftsensor (25) zur Bestimmung der Federspannung der zweiten Feder (21) aufweist.
Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Kippachse (1) im Wesentlichen senkrecht auf die Schwenkachse (2) steht.
Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die erste Drehmomentübertragungsvorrichtung und/oder die zweite Drehmomentübertragungsvorrichtung ein Übersetzungsverhältnis aufweist, das von 1 :1 abweicht, insbesondere zwischen 1 :1 ,5 und 1 :4 liegt, bevorzugt 1 :3 beträgt.
Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die erste Bremse (13) mit einer ersten Bremsensteuerung verbunden ist und/oder die zweite Bremse (23) mit einer zweiten Bremsensteuerung verbunden ist.
Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die erste Motorsteuerung und/oder die zweite Motorsteuerung und/oder die erste Brem- sensteuerung und/oder die zweite Bremsensteuerung als Software auf einem Rechner enthalten ist.
7. Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Achse der ersten Bremse (13) und die Achse der ersten Feder (11) zusammenfallen und/oder die Achse der zweiten Bremse (23) und die Achse der zweiten Feder (21) zusammenfallen.
8. Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die erste
Bremse (13) und/oder die zweite Bremse (23) eine elektromagnetische Bremse ist.
9. Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei an seinem Flansch (4) ein Operationsmikroskop oder ein weiteres Glied des Stativs angebracht ist.
10. Stativ nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei es Bestandteil eines Decken-, Wand- oder Bodenstativs ist.
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