DE102006012401A1 - Sicheres Betreiben motorischer Achsen (z. B. Medizinroboters) mit nur einer antriebsseitigen Bremse in der Medizintechnik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Gerät mit wenigstens einem elektrischen Antrieb zur Positionierung wenigstens einer lageveränderlichen Last, wobei entlang wenigstens eines mechanischen Antriebsstranges zwischen dem elektrischen Antrieb und der Last wenigstens ein Getriebe angeordnet ist und dass das medizinische Gerät entlang des mechanischen Antriebsstranges eine einzige, im Fehlerfall mechanisch eingreifende Bremsvorrichtung aufweist, die in den mechanischen Antriebsstrang zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Getriebe antriebsseitig eingreift, wobei der elektrische Antrieb so ausgebildet ist, dass er die Positionierung und die dauerhafte Fixierung der lageveränderlichen Last im Normalbetrieb übernimmt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein medizinisches Gerät mit wenigstens einem elektrischen Antrieb zur Positionierung wenigstens einer lageveränderlichen Last, wobei entlang wenigstens eines mechanischen Antriebsstranges zwischen dem elektrischen Antrieb und der Last wenigstens ein Getriebe angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Test der Bremsvorrichtung eines mechanischen Antriebsstranges des medizinischen Gerätes.
• Medizinische Geräte besitzen lageveränderliche Komponenten, die über elektrische Antriebe positioniert werden. In medizinischen Geräten werden als elektrische Antriebe heute vielfach Universalmotoren eingesetzt. Gegenüber Drehstromantrieben haben sie den Vorteil, dass sie klein und damit sehr kompakt aufgebaut sind. Sie sind verhältnismäßig leicht und kostengünstig und besitzen dennoch ein hohes Anlaufdrehmoment. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist ihre einfache Drehzahlverstellung. In medizinischen Geräten werden zwischen Antrieb und Last auf dem mechanischen Antriebsstrang Getriebe unterschiedlicher Bauweisen eingesetzt, die eine optimale Anpassung an die lagerveränderlichen Komponenten ermöglichen. Die lageveränderlichen Komponenten, welche durch die elektrischen Antriebe in ihrer Position verstellt werden, sind beispielsweise bildaufnehmende Komponenten medizinischer Geräte wie Röntgenquellen, Detektoren, Bildverstärker, Längswaagen und andere mehr. Alle diese Komponenten, insbesondere jene, deren unkontrollierte Bewegungen die Unversehrtheit des Patienten während der Untersuchung oder der Intervention gefährden können, erfordern ein Höchstmaß an Sicherheit. So ergeben sich während des Einsatzes des medizinischen Gerätes sowohl die Anforderung nach einem gefahrlosen Abbremsen der Lasten im Fehlerfall als auch die Anforderung der dauerhaften Fixierung der Last in einer bestimmten Position. Mit den vorgenannten Motoren ist ein schnelles Abbremsen der Last nur bedingt möglich, ferner ist auch eine Fixierung, ein Halten der Last in einer bestimmten Position nur sehr eingeschränkt möglich. Ein länger andauerndes Fixieren und Halten der Last in einer bestimmten Auslenkung, einer bestimmten Stellung der Last ist aufgrund der Bauart der Motoren (Kommutator) durch diese selbst nicht möglich. Aus diesem Grund werden Bremseneinheiten eingesetzt, die das Abbremsen bewegter Lasten und eine dauerhafte Fixierung dieser in einer bestimmten Position übernehmen. Wegen der Nutzung vorgenannter Bremseinheiten sowohl im Normalbetrieb als auch im Fehlerfall ist es nunmehr vorgeschrieben, den Antriebsstrang mit redundanten Mitteln auszustatten, die ein sicheres und sofortiges Fixieren der sich bewegenden Last bewerkstelligen. Diese redundanten Mittel sind auf der einen Seite redundante Bremseinheiten, welche sich auf der Antriebsseite, also zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Getriebe und auf der Abtriebsseite, also zwischen Getriebe und der Last befinden. Auf der anderen Seite können unter gewissen Umständen die redundanten Mittel eine sich auf der Antriebsseite befindende Bremseinheit und ein selbst hemmendes Getriebe umfassen. Für medizinische Geräte werden allerdings die Varianten mit den doppelten Bremseinheiten bevorzugt. Diese doppelten Bremseinheiten, welche darüber hinaus auch während des normalen bestimmungsgemäßen Betriebes zum Abbremsen der sich bewegenden Lasten eingreifen, werden wegen ihre mechanischen Größe, ihrer erhöhten Komplexität und der mit ihnen verbundenen Kosten als störend empfunden. Außerdem bedarf es für die doppelten Bremseinheiten zusätzliche Ansteuer- und Überwachungseinheiten, was sich ebenfalls nachteilig auf Kosten bei Anschaffung, Wartung und Service auswirkt.
• Es ist demnach Aufgabe der Erfindung die vorgenannten Nachteile hinsichtlich Kosten und Komplexität zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, welche auf einfachere Weise einen sicheren Betrieb des medizinischen Gerätes ermöglichen.
• Die Aufgabe wird dadurch dass das gattungsgemäße medizinische Gerät entlang des mechanischen Antriebsstranges eine einzige, im Fehlerfall mechanisch eingreifende Bremsvorrichtung aufweist, die in den mechanischen Antriebsstrang zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Getriebe antriebsseitig eingreift, wobei der elektrische Antrieb so ausgebildet ist, dass er die Positionierung und die dauerhafte Fixierung der lageveränderlichen Last im Normalbetrieb übernimmt. Es wird demnach vorgeschlagen, nicht mehr zwei mechanisch eingreifende Bremsvorrichtungen sowohl für das Abbremsen als auch für das Fixieren der Last im Normalbetrieb und im Fehlerfall zu benutzen, sondern lediglich eine Bremse zu verwenden, die auf den Antriebsstrang antriebsseitig eingreift und ausschließlich im Fehlerfall eingreift. Vielfach sind Bremsen aus Sicherheitsgründen auf der Abtriebsseite also hinter dem Getriebe und damit näher der Last angeordnet. Es hat sich aber gezeigt, dass es konstruktive Vorteile hat, wenn die Bremseinheit in unmittelbarer Nähe zum Antrieb selbst angeordnet ist. Die erforderliche und eingangs erwähnte Sicherheit wird dadurch erreicht, dass die gesamte Mechanik bestehend aus Antrieb, Getriebe, Welle für eine Überlast größer zehn dimensioniert wird. Erfindungsgemäß wird weiter der elektrische Antrieb derart ausgebildet, dass dieser in der Lage ist das Abbremsen der Last und die dauerhafte Fixierung der Last in einer bestimmten Lage zu übernehmen. Damit sind Forderungen nach Redundanz für Abbremsung und Fixierung der Last erfüllt und ein sicherer Betrieb möglich. Bestimmte bauliche Maßnahmen an den Getrieben, welche ein Durchrutschen der Lasten aufgrund der Schwerkraft verhindern, können damit ebenso entfallen, da der elektrische Antrieb derart ausgelegt ist, dass eine sichere Fixierung der Lasten unter allen Umständen gewährleistet ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das medizinische Gerät dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Antriebe stromrichtergespeiste Synchronmotoren sind. Diese haben den Vorteil einfach ansteuer- und positionierbar zu sein und eine Fixierung von Lasten dauerhaft bei Drehzahl Null zu ermögli chen. Solche Motoren z. T. als integrierte Lösungen mit den entsprechenden Stromrichtern sind aus der Industrie bekannt. Mit der Übernahme solche Antriebseinheiten aus Industrieanwendungen einschließlich der notwendigen Positionserfassungskomponenten können die Kosten für die Ausbildung einer Antriebseinheit für das medizinische Gerät minimiert und somit insbesondere die Kosten für das gesamte medizinische Gerät positiv beeinflusst werden.
• In einer weiteren Ausführungsform ist die Bremseinheit des mechanischen Antriebsstranges derart angesteuert, dass sie im unangesteuerten Zustand bremsend auf den Antriebstrang eingreift. Ist die Hauptstromversorgung der Bremseinheit unterbrochen, sollen die Bremsen der Bremseinheit in den Antriebsstrang einfallen und den Antriebstrang abbremsen und fixieren. Somit ist unter allen Bedingungen ein sicheres Abbremsen der Lasten im Fehlerfall gewährleistet.
• In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung weist der mechanische Antriebsstrang wenigstens eine sichere Parkposition auf, aus welcher heraus die Positionierung der lageveränderlichen Last bei Einsatz des medizinischen Gerätes erfolgt. Unter einer sicheren Parkposition wird eine bestimmte Lage, Position der Last verstanden, in der ohne Eingriff der Bremsvorrichtung oder des Antrieb die Last stabil, d.h. lageunveränderlich verharrt. Dabei kann diese sichere Position eine im Wesentlichen schwerkraftneutrale Position der Last sein, d.h. eine Position, die die Last aufgrund der Schwerkraft selbstständig und ohne Einwirken einer äußeren Kraft einnimmt und in dieser verharrt. Die sichere Parkposition kann aber auch eine Position sein, in die sich die lageveränderliche Last selbstständig begibt und auf die eine Haltekraft – hervorgerufen beispielsweise über einen mechanischen Anschlag – derart wirkt, dass eine weitere Lageverschiebung in Richtung der Schwerkraft der Last nicht möglich ist. Das medizinische Gerät ist erfindungsgemäß so konstruiert, dass es die vorgenannte Parkposition für die Anzahl der Lasten aufweist und sich die sicheren Parkpositionen für die ver schiedenen Lasten nicht gegenseitig ausschließen. D.h. die Einnahme einer sicheren Parkposition für eine Last, darf nicht gleichzeitig die Möglichkeit der Einnahme der sicheren Parkposition für eine andere Last verhindern.
• In einer weiteren Ausgestaltungsform fährt das medizinische Gerät nach seinem Einsatz die lageveränderliche Last automatisch in die sichere Parkposition zurück. In dieser Position können die Antriebe abgeschaltet werden, ohne dass die Bremsvorrichtung eingreifen muss, um die Last zu fixieren. Vorteilhaft wird somit erreicht, dass das Eingreifen der Bremsvorrichtung minimiert wird und damit gleichwohl der Verschleiß der mechanischen Bremskomponenten.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das medizinische Gerät dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsevorrichtung jedes Antriebsstranges vor jedem Verlassen der sicheren Parkposition einem automatischen Bremstest unter Zuhilfenahme der elektrischen Antriebe unterzogen wird. Nach Eingriff der Bremsvorrichtung werden die elektrischen Antriebe mit einem bestimmten Drehmoment in Richtung der freien Bewegbarkeit der Last angefahren. Kann die Last bei einem in der Steuerung des Antriebs festgelegten Solldrehmoment nicht bewegt werden, ist der Test der Bremsvorrichtung erfolgreich gewesen. Um also den hohen Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden, wird die Bremsvorrichtung vor jedem Einsatz einem aktiven Bremstest unterzogen. Es kann somit insbesondere in Verbindung mit der vorgenannten Tatsache, dass die Bremsvorrichtung unangesteuert eingreift nahezu ausgeschlossen werden, dass unkontrollierte Bewegungen der Lasten Personenschäden nach sich ziehen. Aufgrund der Tatsache, dass der Test der Bremsvorrichtung im Wesentlichen nicht oder nur kaum zu einer Bewegung des Antriebsstranges führt, wird die Bremsvorrichtung sehr verschleißarm getestet.
• In einer vorteilhaften Variante ist das medizinische Gerät durch das folgende Verfahren zum Test der Bremsvorrichtung des mechanischen Antriebsstranges gekennzeichnet, wobei das Verfahren vor jedem Verlassen der sicheren Parkposition durchgeführt wird. Nach dem Verfahren wird in einem ersten Schritt die Bremsvorrichtung in den Antriebstrang eingelegt. Die Bremsvorrichtung befindet sich mechanisch im Eingriff und verhindert die Bewegung des Antriebsstranges. Im nächsten Schritt wird der zum Antriebsstrang zugehörige Antrieb eingeschaltet. Durch Bestromung des elektrischen Antriebs wird ein Drehmoment in die freie Bewegungsrichtung des Antriebsstranges aufgebaut. Die Höhe dieses Drehmomentes ist vorzugsweise in der Steuerung des Antriebs hinterlegt oder auch von außen einstellbar. Auf jeden Fall ist dafür zu sorgen, dass ein definiertes Testdrehmoment erreicht werden muss, um eine Freigabe des Antriebsstranges zu erreichen. Mit Erreichung des Testdrehmomentes wird die Bewegung des Antriebsstranges registriert. Danach werden die dem getesteten Antriebsstrang zugeordneten Antriebe abgeschaltet. Nach Auswertung der zuvor registrierten Bewegung des Antriebsstranges kann der Antriebsstrang bei positivem Testverlauf freigegeben werden oder bei negativem Testverlauf eine Fehlermeldung aktiviert werden. In beiden Fällen wird in einem letzten Schritt die Bremsvorrichtung wieder gelöst werden.
• Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Darin zeigen:
• 1 schematisch ein medizinisches Gerät in der Seitenansicht in sicherer Parkposition
• 2 schematisch das medizinische Gerät in einer Frontansicht in sicherer Parkposition und
• 3 beispielhaft einen Antriebstrang
• 1 und 2 zeigen beispielhaft ein medizinisches Gerät 1 in Form eines C-Bogen Gerätes zur Aufnahme von Röntgenbildern. Das C-Bogen Gerät besitzt eine Reihe von elektrischen Antrieben 2, die eine Verstellung der durch die Antriebe 2 zu bewegenden Lasten 3 gewährleisten. Die Antriebe 2 und die Lasten 3 sind in verschiedenen Freiheitsgraden so bewegbar, dass die für die Aufnahme der Bilder eines hier nicht darge stellten Patienten notwendige Röntgeneinrichtung 7 im Wesentlichen bestehend aus eine Röntgenquelle 7a und einem Röntgendetektor 7b in beliebiger weise um den Patienten positioniert werden kann. So kann beispielsweise der Standfuß 3a des medizinischen Gerätes durch den Antrieb 2a eine Rotationsbewegung entlang der Bewegungsrichtung A durchführen. Der Antrieb 2b ist in der Lage eine Neigungsverstellung des Tragarmes 3bc entlang der Bewegungsrichtung B zu erzeugen, wohingegen der Antrieb 2c eine Höhenverstellung des Tragarmes 3bc in Richtung C ermöglicht. Am Ende des Tragarmes 3bc ist eine Traverse 3d drehbar gelagert. Durch den Antrieb 2d ist die Ausführung der Drehbewegung entlang der Bewegungsrichtung D gewährleistet. An der Traverse 3d ist nunmehr der C-Bogen 3ef angeordnet, welcher über den Antrieb 2e auf der einen Seite eine Drehbewegung in Bewegungsrichtung E ausführen kann, auf der anderen Seite über den Antrieb 2f auch entlang seines Bogensegmentes in Verstellrichtung F bewegt werden kann. Die schematische Darstellung der Verstellmöglichkeiten des C-Bogen Gerätes stellen nur eine generelle Möglichkeit in der Anordnung dar, die Erfindung soll nicht auf diese Ausführungsform beschränkt sein, vielmehr sollen diese das Prinzip erklären. 1 und 2 zeigen das C-Bogen Gerät in einer sicheren Parkposition. Der C-Bogen 3ef hat eine solche Stellung eingenommen, die er auch mit abgeschalteten Antrieben 2 und unangesteuerten Bremseinheit 6 nicht mehr selbstständig verlässt.
• 3 zeigt beispielhaft die Anordnung der wesentlichen Antriebskomponenten. Der elektrische Antrieb 2 arbeitet antriebsseitig auf einen mechanischen Antriebsstrang 4a und lässt diesen rotieren. Über ein Getriebe 5 wird die Drehbewegung abtriebsseitig auf den mechanischen Antriebsstrang 4b weitergeleitet. Die beiden Antriebsstränge 4a und 4b sind mechanisch gekoppelt und bilden gemeinsam den Antriebstrang 4. Als Getriebe 5 kann jede mögliche Bauform von Getrieben verwendet werden, so kann es durch das Getriebe 5 zu einem räumlichen Versatz zwischen den Antriebssträngen 4a und 4b bei weiterhin paralleler Lage oder zu einer beliebigen Richtungs ablenkung zwischen dem Antriebstrang 4a und 4b kommen. Am Ende des Antriebstranges 4b ist die Last 3 mechanisch mit dem Antriebsstrang 4b verbunden. Erfindungsgemäß wird auf der Antriebsseite zwischen dem Antrieb 2 und dem Getriebe 5 eine einzige mechanisch eingreifende Bremseinheit 6 eingesetzt. Die Bremseinheit 6 ist in der Lage den Antriebstrang schnell bis zum Stillstand abzubremsen. Bremseinheiten 6 als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der in 3 dargestellte Antriebsstrang 4 mit seinen Komponenten soll in dargestellter, prinzipieller Form für alle Antriebe 2 und den zugehörigen Lasten 3 gelten.

Claims (7)

1. Medizinisches Gerät (1) mit wenigstens einem elektrischen Antrieb (2) zur Positionierung wenigstens einer lageveränderlicher Last (3), wobei entlang wenigstens eines mechanischen Antriebsstranges (4) zwischen dem elektrischen Antrieb (2) und der Last (3) wenigstens ein Getriebe (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Gerät (1) entlang des mechanischen Antriebsstranges (4) eine einzige, im Fehlerfall mechanisch eingreifende Bremsvorrichtung (6) aufweist, die in den mechanischen Antriebsstrang (4) zwischen dem elektrischen Antrieb (2) und dem Getriebe (5) antriebsseitig eingreift, wobei der elektrische Antrieb (2) so ausgebildet ist, dass er die Positionierung und die dauerhafte Fixierung der lageveränderlichen Last (3) im Normalbetrieb übernimmt.
2. Medizinisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Antriebe (2) stromrichtergespeiste Synchronmotoren sind.
3. Medizinisches Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (6) des mechanischen Antriebsstranges (4) elektrisch derart angesteuert wird, dass sie im unangesteuerten Zustand bremsend auf den Antriebsstrang (4) eingreift.
4. Medizinisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanischem Antriebsstrang (4) wenigstens eine sichere Parkposition aufweist, aus welcher heraus die Positionierung der lageveränderlichen Last (3) bei Einsatz des medizinischen Gerätes (1) erfolgt.
5. Medizinisches Gerät (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Gerät (1) nach seinem Einsatz die lageveränderliche Last (3) automa tisch in die sichere Parkposition zurückfährt.
6. Medizinisches Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsevorrichtung (6) jedes Antriebsstranges (4) vor jedem Verlassen der sicheren Parkposition einem automatischen Bremstest unter Zuhilfenahme der elektrischen Antriebe (2) unterzogen wird.
7. Verfahren zum Test der Bremsvorrichtung (6) eines mechanischen Antriebsstranges (4) eines medizinischen Gerätes (1) nach Anspruch 1, wobei der Test der Bremsvorrichtung (6) vor Verlassen der Parkposition durchgeführt wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte • Einlegen der Bremsvorrichtung (6) in den Antriebstrang (4) • Einschalten des zu diesem Antriebsstrang (4) gehörigen elektrischen Antriebs (2) • Anfahren des zum Antriebsstrang (4) gehörigen elektrischen Antriebs (2) und Aufbau eines definierten Drehmomentes • Registrierung der Bewegung des Antriebsstranges (4) • Abschalten des zum Antriebsstrang (4) gehörigen elektrischen Antrieb (2) • Freigabe des Antriebstranges (4) oder Fehlermeldung • Lösen der Bremsvorrichtung (6)