DE102022125703A1

DE102022125703A1 - COUPLING STATION AND REMOTE MANIPULATION SYSTEM

Info

Publication number: DE102022125703A1
Application number: DE102022125703.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Odenbach; Ivan Fomin; Niklas Thoma
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2022-10-05
Filing date: 2022-10-05
Publication date: 2024-04-11
Also published as: EP4598465A1; WO2024074172A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsstation für ein mit Seilzügen betriebenes Fernmanipulationssystem, das wenigstens eine Antriebseinheit, die Kopplungsstation und eine Stelleinheit hat, wobei wenigstens eine Funktion der Stelleinheit ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Seilzüge verstellbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein mit Seilzügen betriebenes Fernmanipulationssystem, das wenigstens eine Antriebseinheit, eine Kopplungsstation und eine Stelleinheit hat, wobei wenigstens eine Funktion der Stelleinheit ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Seilzüge verstellbar ist.The invention relates to a coupling station for a remote manipulation system operated with cable pulls, which has at least one drive unit, the coupling station and an actuating unit, wherein at least one function of the actuating unit can be adjusted remotely from the drive unit via the coupling station using the cable pulls. The invention also relates to a remote manipulation system operated with cable pulls, which has at least one drive unit, a coupling station and an actuating unit, wherein at least one function of the actuating unit can be adjusted remotely from the drive unit via the coupling station using the cable pulls.

Description

Solche Seilzug-betätigbaren Fernmanipulationssysteme können in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Ein vorteilhaftes Einsatzgebiet ist die Medizintechnik, insbesondere in Anwendungsfällen, in denen aufgrund der verwendeten medizinischen Einrichtungen bestimmte Materialien, z.B. magnetische Materialien bei MRT-Untersuchungen, vermieden werden sollen. Die Seilzüge können vorteilhaft aus MRT-kompatiblem Material gefertigt werden, sodass der Einsatz bei einer MRT-Untersuchung unproblematisch ist.Such cable-operated remote manipulation systems can be used in various applications. One advantageous area of application is medical technology, particularly in applications where certain materials, e.g. magnetic materials in MRI examinations, should be avoided due to the medical equipment used. The cables can advantageously be made from MRI-compatible material, so that their use in an MRI examination is unproblematic.

Zumindest in Bezug auf die Positioniereinrichtung betrifft die vorliegende Erfindung das Gebiet medizinischer Vorrichtungen, insbesondere für den Bereich bildgebender Untersuchungen wie z.B. die Magnetresonanztomographie (MRT). Insbesondere im Bereich interventioneller Anwendungen des MRT bestehen besondere Anforderungen, z.B. hinsichtlich der MRT-Kompatibilität der verwendeten Materialien, der medizinischen Vorrichtung, sowie der Bedienbarkeit medizinischer Einrichtungen in einem relativ langen und schmalen MRT-Tunnel. Insbesondere sollen auch unnötige Belastungen der in diesem Bereich tätigen Personen durch das Magnetfeld vermieden werden. Für solche Anwendungen im Bereich des MRT existieren beispielsweise einfache mechanische Positionierhilfen, die die Führung einer Biopsienadel oder ähnlicher Instrumente erlauben und vom Anwender im Wesentlichen hinsichtlich der Winkelorientierung eingestellt werden können. Solche Einrichtungen können aber nicht aus der Ferne bedient werden.At least with regard to the positioning device, the present invention relates to the field of medical devices, in particular for the field of imaging examinations such as magnetic resonance imaging (MRI). In the field of interventional applications of MRI in particular, there are special requirements, e.g. with regard to the MRI compatibility of the materials used, the medical device, and the usability of medical devices in a relatively long and narrow MRI tunnel. In particular, unnecessary stress on the people working in this area due to the magnetic field should also be avoided. For such applications in the field of MRI, for example, there are simple mechanical positioning aids that allow the guidance of a biopsy needle or similar instruments and can be adjusted by the user essentially in terms of the angular orientation. However, such devices cannot be operated remotely.

Ein mit Seilzügen betriebenes Fernmanipulationssystem ist aus der DE 10 2020 104 746 B3 bekannt.A remote manipulation system operated by cable pulls is from the EN 10 2020 104 746 B3 known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter verbessertes Fernmanipulationssystem sowie verbesserte Komponenten eines solchen Systems anzugeben.The invention is based on the object of providing a further improved remote manipulation system and improved components of such a system.

Diese Aufgabe wird durch eine Kopplungsstation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese Kopplungsstation ist in einer ersten Variante der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie einen antriebsseitigen Seilzugmechanismus, der über Seilzüge mit der Antriebseinheit verbindbar ist, und einen abtriebsseitigen Seilzugmechanismus hat, der über Seilzüge mit der Stelleinheit verbindbar ist. Die Kopplungsstation ist somit eine mechanische Schnittstelle zwischen einem zwischen der Kopplungsstation und der Antriebseinheit wirkenden Seilzugsystem und einem zwischen der Kopplungsstation und der Stelleinheit wirkenden Seilzugsystem. Durch eine solche zusätzliche Komponente im Fernmanipulationssystem, nämlich die Kopplungsstation, können diverse Vorteile realisiert werden. So kann die Kopplungsstation unabhängig von der Antriebseinheit an einer bestimmten Stelle relativ zur Stelleinheit fixiert werden, z.B. bei einem medizinischen System an einer Patientenliegefläche, während die Stelleinheit am Patienten fixiert ist. Die Bedienperson des Fernmanipulationssystems kann dann unabhängig von der fixierten Kopplungsstation und der fixierten Stelleinheit manuell die Antriebseinheit handhaben und hat dabei mehr Bewegungsfreiheitsgrade, als wenn die manuelle Bedienung direkt an der Kopplungsstation erfolgen müsste. Die Antriebseinheit kann somit wie eine Art „Kabelfernbedienung“ genutzt werden.This object is achieved by a coupling station with the features of claim 1. In a first variant of the invention, this coupling station is characterized in that it has a drive-side cable mechanism that can be connected to the drive unit via cables, and an output-side cable mechanism that can be connected to the actuating unit via cables. The coupling station is thus a mechanical interface between a cable system acting between the coupling station and the drive unit and a cable system acting between the coupling station and the actuating unit. Various advantages can be realized by such an additional component in the remote manipulation system, namely the coupling station. The coupling station can be fixed at a specific location relative to the actuating unit independently of the drive unit, e.g. in a medical system on a patient bed, while the actuating unit is fixed to the patient. The operator of the remote manipulation system can then manually handle the drive unit independently of the fixed coupling station and the fixed actuating unit and has more degrees of freedom of movement than if the manual operation had to be carried out directly at the coupling station. The drive unit can therefore be used as a type of "cable remote control".

Die Kopplungsstation ist in einer zweiten Variante der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie als gemeinsame Baueinheit mit der Antriebseinheit ausgebildet ist. Die Antriebseinheit kann z.B. baulich in die Kopplungsstation integriert sein, z.B. in ein Gehäuse der Kopplungsstation. Die Antriebseinheit kann auch direkt an die Kopplungsstation angebaut sein, z.B. angeflanscht. Beispielsweise können dann manuell bedienbare Stellelemente der Antriebseinheit an der Kopplungsstation angeordnet sein. In dieser Variante kann die Erfindung auch ohne den antriebsseitigen Seilzugmechanismus realisiert werden, d.h. ohne das Seilzugsystem zwischen Kopplungsstation und Antriebseinheit, da die Antriebseinheit direkt in der Kopplungsstation integriert ist.In a second variant of the invention, the coupling station is characterized in that it is designed as a common structural unit with the drive unit. The drive unit can, for example, be structurally integrated into the coupling station, e.g. in a housing of the coupling station. The drive unit can also be attached directly to the coupling station, e.g. flanged. For example, manually operable control elements of the drive unit can then be arranged on the coupling station. In this variant, the invention can also be implemented without the drive-side cable pull mechanism, i.e. without the cable pull system between the coupling station and the drive unit, since the drive unit is integrated directly in the coupling station.

Die Erfindung kann wahlweise mit einer manuell betriebenen Antriebseinheit oder mit einer motorisch betriebenen Antriebseinheit verwendet werden. Auch bei einer motorisch betriebenen Antriebseinheit können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden, z.B. im Hinblick auf eine variable Positionierbarkeit der motorischen Antriebseinheit. Soweit nachfolgend Antriebselemente der Antriebseinheit genannt werden, können diese bei einer motorisch betriebenen Antriebseinheit Motoren sein, und bei einer manuell betriebenen Antriebseinheit können diese z.B. direkt als manuelle zu betätigende Stellelemente, z.B. Stellräder, ausgebildet sein, ggf. in Kombination mit Getrieben oder anderen Übertragungslementen.The invention can be used either with a manually operated drive unit or with a motor-operated drive unit. The previously explained advantages can also be realized with a motor-operated drive unit, e.g. with regard to variable positioning of the motor drive unit. As far as drive elements of the drive unit are mentioned below, these can be motors in a motor-operated drive unit, and in a manually operated drive unit these can be designed directly as manually operated adjusting elements, e.g. adjusting wheels. possibly in combination with gearboxes or other transmission elements.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kraftübertragung zwischen dem antriebsseitigen Seilzugmechanismus bzw. der integrierten Antriebseinheit und dem abtriebsseitigen Seilzugmechanismus je nach Bedarf unterschiedlich gestaltet werden kann. Insbesondere kann durch die Kopplungsstation das Fernmanipulationssystem so gestaltet werden, dass keine von der Antriebseinheit bis zur Stelleinheit durchgehenden Seilzüge erforderlich sind, sondern die Seilzüge von der Antriebseinheit und der Stelleinheit jeweils an der Kopplungsstation enden. Dies erlaubt z.B. eine einfache Entkoppelbarkeit des antriebsseitigen Seilzugsystems vom abtriebsseitigen Seilzugsystem. Beispielsweise kann die Kopplungsstation einen Überlastschutzmechanismus aufweisen, wie nachfolgend noch näher erläutert, durch den unter vorbestimmten Bedingungen, z.B. bei Überschreitung einer zulässigen Maximalkraft, die Antriebsseite von der Abtriebsseite entkoppelt wird.A further advantage of the invention is that the power transmission between the drive-side cable mechanism or the integrated drive unit and the output-side cable mechanism can be designed differently as required. In particular, the coupling station can be used to design the remote manipulation system in such a way that no cables running from the drive unit to the actuating unit are required, but rather the cables from the drive unit and the actuating unit each end at the coupling station. This allows, for example, the drive-side cable system to be easily decoupled from the output-side cable system. For example, the coupling station can have an overload protection mechanism, as explained in more detail below, by which the drive side is decoupled from the output side under predetermined conditions, e.g. when a permissible maximum force is exceeded.

Zudem erlaubt eine solche zusätzliche Komponente wie die Kopplungsstation eine bessere Trennung zwischen einem sterilen Bereich oder einem nicht-sterilen Bereich bei medizinischen Systemen. Insbesondere kann die Antriebseinheit und gegebenenfalls auch die Kopplungsstation, ganz oder in Teilen, als wiederverwendbare Baugruppe eines medizinischen Systems genutzt werden, während die Stelleinheit aufgrund von Sterilitätsanforderungen am Patienten nur für eine Einmal-Verwendung ausgelegt sein kann.In addition, an additional component such as the coupling station allows for better separation between a sterile area and a non-sterile area in medical systems. In particular, the drive unit and, if applicable, the coupling station, in whole or in part, can be used as a reusable component of a medical system, while the actuating unit can only be designed for single use due to sterility requirements for the patient.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der antriebsseitige Seilzugmechanismus und/oder Antriebselemente der Antriebseinheit über einen Übertragungsmechanismus mit dem abtriebsseitigen Seilzugmechanismus gekoppelt ist, wobei von der Antriebseinheit z.B. über die Seilzüge oder direkt auf den Übertragungsmechanismus übertragene Stellbewegungen mittels des Übertragungsmechanismus auf den abtriebsseitigen Seilzugmechanismus übertragbar sind und von dort aus über die Seilzüge auf die Stelleinheit übertragbar sind. Dies erlaubt eine zuverlässige, reproduzierbare Übertragung von Stellbewegungen von der Antriebseinheit auf die Stelleinheit. Der Übertragungsmechanismus kann je nach Einsatzfall unterschiedlich ausgeführt sein, z.B. mit einem Zahnradgetriebe, einer Reibkupplung und/oder einer formschlüssigen Kupplung oder durch ein sonstiges Getriebe. Ist ein Getriebe vorhanden, kann der Übertragungsmechanismus auch umschaltbar gestaltet sein, indem durch den Anwender mittels einer Umschaltung zwischen verschiedenen Getriebeübersetzungen gewechselt werden kann. Beispielsweise können unterschiedliche Getriebeübersetzungen für die Erzeugung großer Stellbewegungen und alternativ zur Erzeugung kleiner, feinfühlig dosierter Stellbewegungen an der Stelleinheit vorhanden sein. Eine Umschaltung ist jedoch neben Getriebe-basierten Übertragungsmechanismen auch mit Kupplungs-basierten Übertragungsmechanismen denkbar, bspw. im Falle von Doppelkupplungen auf einer gemeinsamen Welle, welche alternierend schaltbar sind, bspw. zum Zweck der Umschaltung von der Übertragungs- zur Federfunktion.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the drive-side cable mechanism and/or drive elements of the drive unit are coupled to the output-side cable mechanism via a transmission mechanism, whereby actuating movements transmitted from the drive unit, e.g. via the cables or directly to the transmission mechanism, can be transmitted to the output-side cable mechanism by means of the transmission mechanism and from there can be transmitted to the actuating unit via the cables. This allows a reliable, reproducible transmission of actuating movements from the drive unit to the actuating unit. The transmission mechanism can be designed differently depending on the application, e.g. with a gear transmission, a friction clutch and/or a positive coupling or by means of another transmission. If a transmission is present, the transmission mechanism can also be designed to be switchable, in that the user can switch between different gear ratios by means of a switch. For example, different gear ratios can be present on the actuating unit for generating large actuating movements and alternatively for generating small, sensitively dosed actuating movements. However, switching is also conceivable with clutch-based transmission mechanisms in addition to gearbox-based transmission mechanisms, e.g. in the case of double clutches on a common shaft, which can be switched alternately, e.g. for the purpose of switching from the transmission to the spring function.

Die Stelleinheit kann über die Seilzüge in mehreren Freiheitsgraden verstellbar sein.The actuating unit can be adjusted in several degrees of freedom via the cables.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der abtriebsseitige Seilzugmechanismus über einen Überlastschutzmechanismus mit dem antriebsseitigen Seilzugmechanismus und/oder Antriebselementen der Antriebseinheit gekoppelt ist, wobei der Überlastschutzmechanismus dazu eingerichtet ist, bei Auftreten einer vorgegebenen Entkopplungsbedingung den abtriebsseitigen Seilzugmechanismus vom antriebsseitigen Seilzugmechanismus und/oder Antriebselementen der Antriebseinheit zu entkoppeln, insbesondere bei Überschreitung einer vorgegebenen Kraft. Auf diese Weise kann der von der Stelleinheit beaufschlagte Bereich, z.B. im medizinischen Bereich ein Patient, in Notsituationen geschützt werden. Durch den Überlastschutzmechanismus kann somit eine vollständige oder teilweise Entkopplung des abtriebsseitigen Seilzugmechanismus vom antriebsseitigen Seilzugmechanismus erfolgen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the output-side cable mechanism is coupled to the drive-side cable mechanism and/or drive elements of the drive unit via an overload protection mechanism, wherein the overload protection mechanism is designed to decouple the output-side cable mechanism from the drive-side cable mechanism and/or drive elements of the drive unit when a predetermined decoupling condition occurs, in particular when a predetermined force is exceeded. In this way, the area acted upon by the actuating unit, e.g. a patient in the medical field, can be protected in emergency situations. The overload protection mechanism can thus completely or partially decouple the output-side cable mechanism from the drive-side cable mechanism.

Der Überlastschutzmechanismus kann je nach Anwendungsfall als reversibler oder irreversibler Überlastschutzmechanismus ausgebildet sein. Beispielsweise kann in der Kopplungsstation wenigstens eine Sollbruchstelle (irreversibler Überlastschutzmechanismus) vorhanden sein, die bei Auftreten zu hoher Kräfte in den Seilzügen bricht und damit den abtriebsseitigen Seilzugmechanismus freigibt. Beispielsweise kann der abtriebsseitige Seilzugmechanismus sich dann vollständig von einem Gehäuse der Kopplungsstation lösen.Depending on the application, the overload protection mechanism can be designed as a reversible or irreversible overload protection mechanism. For example, there can be at least one predetermined breaking point (irreversible overload protection mechanism) in the coupling station, which breaks when excessive forces occur in the cables and thus releases the cable pull mechanism on the output side. For example, the cable pull mechanism on the output side can then completely detach from a housing of the coupling station.

Ein reversibler Überlastschutzmechanismus, der z.B. wie eine Steckschnalle bei Taschen oder Rucksäcken ausgebildet sein kann, kann nach Auftreten der Entkopplungsbedingung vom Anwender wieder in den ursprünglichen, gekoppelten Zustand zurückversetzt werden, in dem der abtriebsseitige Seilzugmechanismus mit dem antriebsseitigen Seilzugmechanismus gekoppelt ist. Ein irreversibler Überlastschutzmechanismus ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bauteil eine irreversible Veränderung erfährt, wie z.B. die zuvor erwähnte Sollbruchstelle. Für die Wiederinbetriebsetzung der Kopplungsstation ist dann zumindest ein Ersatzteil einzusetzen.A reversible overload protection mechanism, which can be designed like a buckle on bags or backpacks, can be returned to the original, coupled state by the user after the decoupling condition has occurred, in which the cable mechanism on the output side is coupled to the cable mechanism on the drive side. An irreversible overload protection mechanism is characterized by the fact that at least one component undergoes an irreversible change, such as the predetermined breaking point mentioned above. For the re-commissioning of the At least one spare part must then be used in the coupling station.

Der Überlastschutzmechanismus kann als passiver oder aktiver Überlastschutzmechanismus ausgebildet sein. Ein passiver Überlastschutzmechanismus ist dadurch gekennzeichnet, dass der Überlastschutz durch rein mechanische und somit passive Bauteile erfolgt, wie z.B. bei der erwähnten Sollbruchstelle. Bei einem aktiven Überlastschutzmechanismus kann z.B. ein Sensor vorhanden sein, der die zu überwachende Entkopplungsbedingung, z.B. die Überschreitung einer vorgegebenen Kraft, sensorisch überwacht und bei Auftreten der Entkopplungsbedingung ein entsprechendes Signal abgibt, z.B. ein Schaltsignal. Durch das Schaltsignal kann z.B. ein Schaltkontakt ausgelöst werden, um den abtriebsseitigen Seilzugmechanismus vom antriebsseitigen Seilzugmechanismus zu entkoppeln.The overload protection mechanism can be designed as a passive or active overload protection mechanism. A passive overload protection mechanism is characterized by the fact that the overload protection is provided by purely mechanical and therefore passive components, such as the predetermined breaking point mentioned. An active overload protection mechanism can, for example, have a sensor that monitors the decoupling condition to be monitored, e.g. exceeding a predetermined force, and emits a corresponding signal when the decoupling condition occurs, e.g. a switching signal. The switching signal can, for example, trigger a switching contact to decouple the output-side cable pull mechanism from the drive-side cable pull mechanism.

Bei einem solchen aktiv gesteuerten Schaltsystem kann sich z.B. in einem der beiden oder in beiden Seilzugstränge/-n (antriebs- wie abtriebsseitig) ein zusätzliches Zugseil befinden, welches bei entsprechender Belastung einen Schaltkontakt auslöst (Sensor mit Schaltsignal). Mittels dieses Schaltsignals wird eine Kupplung elektromechanisch gelöst, beispielsweise durch Verschieben eines Sperrriegels. Hierdurch kann der abtriebsseitige Seilzugmechanismus vom antriebsseitigen Seilzugmechanismus entkoppelt werden.In such an actively controlled switching system, there can be an additional pull cable in one of the two or both cable strands (drive and output side), which triggers a switching contact (sensor with switching signal) when the corresponding load is applied. This switching signal is used to electromechanically release a clutch, for example by moving a locking bolt. This allows the output-side cable mechanism to be decoupled from the drive-side cable mechanism.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Überlastschutzmechanismus in den Übertragungsmechanismus integriert ist und/oder zu einem mechanischen Auftrennen des Übertragungsmechanismus eingerichtet ist. Dies kann z.B. beinhalten, dass der abtriebsseitige Seilzugmechanismus ganz oder teilweise von einem Gehäuse der Kopplungsstation gelöst wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the overload protection mechanism is integrated into the transmission mechanism and/or is designed to mechanically separate the transmission mechanism. This can, for example, involve the cable pull mechanism on the output side being completely or partially detached from a housing of the coupling station.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kopplungsstation wenigstens zwischen einer ersten und einer zweiten Schaltstellung umschaltbar ist, wobei in der ersten Schaltstellung der abtriebsseitige Seilzugmechanismus mit dem antriebsseitigen Seilzugmechanismus und/oder Antriebselementen der Antriebseinheit gekoppelt ist, sodass von der Antriebseinheit vorgegebene Verstellungen über die Kopplungsstation mittels der Seilzüge an die Stelleinheit abgegeben werden, und in der zweiten Schaltstellung der abtriebsseitige Seilzugmechanismus von dem antriebsseitigen Seilzugmechanismus und/oder den Antriebselementen der Antriebseinheit abgekoppelt ist. In der zweiten Schaltstellung werden somit von der Antriebseinheit vorgegebene Verstellungen nicht mehr über die Kopplungsstation an die Stelleinheit abgegeben. In diesem Zustand haben irgendwelche Verstellungen an der Antriebseinheit keinen Einfluss auf die eingestellte Position der Stelleinheit.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the coupling station can be switched at least between a first and a second switching position, wherein in the first switching position the output-side cable mechanism is coupled to the drive-side cable mechanism and/or drive elements of the drive unit, so that adjustments specified by the drive unit are transmitted to the actuating unit via the coupling station by means of the cables, and in the second switching position the output-side cable mechanism is decoupled from the drive-side cable mechanism and/or the drive elements of the drive unit. In the second switching position, adjustments specified by the drive unit are therefore no longer transmitted to the actuating unit via the coupling station. In this state, any adjustments to the drive unit have no influence on the set position of the actuating unit.

Zusätzlich oder alternativ ist mittels der zweiten Schaltstellung (neben der starren oder elastischen Haltung/Arretierung) auch eine zweite Getriebestufe, bspw. mit anderem Übersetzungsverhältnis realisierbar, z.B. als Erweiterung der zuvor erwähnten Funktion der schaltbaren Doppelkupplung. Somit wäre bspw. ein Schnell- und ein Feinlauf realisierbar.Additionally or alternatively, a second gear stage, e.g. with a different gear ratio, can be implemented using the second switching position (in addition to the rigid or elastic position/locking), e.g. as an extension of the previously mentioned function of the switchable double clutch. This would make it possible to implement high-speed and fine-speed operation, for example.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der zweiten Schaltstellung eine zuvor durch die Antriebseinheit z.B. direkt oder über den antriebsseitigen Seilzugmechanismus eingestellte Verstellposition im abtriebsseitigen Seilzugmechanismus starr oder mittels einer Federvorrichtung elastisch gehalten ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that in the second switching position an adjustment position previously set by the drive unit, e.g. directly or via the drive-side cable pull mechanism, is held rigidly or elastically by means of a spring device in the output-side cable pull mechanism.

Bei einer starren Kopplung wird die eingestellte Verstellposition an der Stelleinheit starr gehalten. Im alternativen Falle der Federvorrichtung ist eine gewisse Elastizität im abtriebsseitigen Seilzugmechanismus vorhanden, sodass eine eingestellte Position an der Stelleinheit zwar auch gehalten wird, aber mit einer gewissen federnden Elastizität bzw. Nachgiebigkeit bei auftretenden Kräften auch verändert werden kann. Durch die Federvorrichtung strebt die Stelleinheit aber immer die einmal eingestellte Stellposition an. Es ist auch möglich, dass in der zweiten Schaltstellung der abtriebsseitige Seilzugmechanismus in keiner Weise fixiert ist. Dann kann die Stelleinheit zumindest in den entsprechenden, betroffenen Bewegungsfreiheitsgraden frei durch direkte Einwirkung beispielsweise manuell verstellt werden. Erfolgt eine Verstellung der Stelleinheit über die Seilzugmechanismen in mehreren Freiheitsgraden, kann die Kopplungsstation auch hinsichtlich unterschiedlicher Seilzüge unterschiedliche Funktionalitäten der zuvor erwähnten Art in der zweiten Schaltstellung haben. So kann beispielsweise ein Seilzug oder mehrere Seilzüge im abtriebsseitigen Seilzugmechanismus in der zweiten Schaltstellung starr gehalten sein, einer oder mehrere Seilzüge können mittels einer Federvorrichtung elastisch gehalten sein.With a rigid coupling, the set adjustment position is held rigidly on the actuating unit. In the alternative case of the spring device, a certain elasticity is present in the output-side cable mechanism, so that a set position on the actuating unit is also held, but can also be changed with a certain springy elasticity or flexibility when forces occur. However, thanks to the spring device, the actuating unit always strives for the setting position once it has been set. It is also possible that in the second switching position the output-side cable mechanism is not fixed in any way. Then the actuating unit can be freely adjusted, for example manually, at least in the corresponding, affected degrees of freedom of movement by direct action. If the actuating unit is adjusted via the cable mechanisms in several degrees of freedom, the coupling station can also have different functionalities of the type mentioned above in the second switching position with regard to different cables. For example, one cable or several cables in the output-side cable mechanism can be held rigidly in the second switching position, one or more cables can be held elastically by means of a spring device.

Die Federvorrichtung kann z.B. als Torsionsfeder, Zugfeder oder Druckfeder ausgebildet sein.The spring device can be designed, for example, as a torsion spring, tension spring or compression spring.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kopplungsstation über mit dem antriebsseitigen Seilzugmechanismus verbundene Seilzüge und/oder direkt durch Antriebselemente der Antriebseinheit zwischen der ersten Schaltstellung und der zweiten Schaltstellung hin- und herschaltbar ist. Dies erlaubt auch eine Fernbedienbarkeit des Schaltmechanismus für die Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung von der Antriebseinheit aus.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the coupling station can be switched back and forth between the first switching position and the second switching position via cables connected to the drive-side cable mechanism and/or directly by drive elements of the drive unit. This also allows the switching mechanism for switching between the first and second switching positions to be remotely operated from the drive unit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kopplungsstation einen Kopfbereich, an dem zumindest der abtriebsseitige Seilzugmechanismus angeordnet ist, und einen vom Kopfbereich räumlich beabstandeten Fußbereich hat, der zum Aufstellen und Befestigen der Kopplungsstation auf einem Untergrund eingerichtet ist. Dies erlaubt eine räumliche Trennung zwischen der Befestigung der Kopplungsstation auf dem Untergrund und der für die Bedienung wesentlichen Seilzüge, was die Montage und Handhabung der Kopplungsstation vereinfacht.According to an advantageous embodiment of the invention, the coupling station has a head region on which at least the output-side cable pull mechanism is arranged, and a foot region which is spatially spaced from the head region and is designed for setting up and fastening the coupling station on a base. This allows a spatial separation between the fastening of the coupling station on the base and the cables essential for operation, which simplifies the assembly and handling of the coupling station.

Beispielsweise kann der Kopfbereich über einen manuell lösbaren Kopplungsmechanismus mit dem Fußbereich verbunden sein. Über den Kopplungsmechanismus kann der Kopfbereich insbesondere ohne Werkzeug einfach und schnell vom Fußbereich gelöst werden. Der Kopplungsmechanismus kann zum Beispiel eine Rastvorrichtung haben, die über ein manuelles Betätigungselement entrastbar ist.For example, the head area can be connected to the foot area via a manually releasable coupling mechanism. The head area can be easily and quickly detached from the foot area via the coupling mechanism, particularly without tools. The coupling mechanism can, for example, have a locking device that can be released via a manual actuating element.

Der Fußbereich kann einen Verstellmechanismus haben, über den der Kopfbereich relativ zum Untergrund oder einem am Untergrund befestigen Bauteil des Fußbereichs in wenigstens einem Freiheitsgrad verstellbar ist. Beispielsweise kann der Kopfbereich durch den Verstellmechanismus in dem wenigstens einen Freiheitsgrad flexibel verstellbar sein.The foot region can have an adjustment mechanism by means of which the head region can be adjusted in at least one degree of freedom relative to the ground or a component of the foot region attached to the ground. For example, the head region can be flexibly adjusted in the at least one degree of freedom by means of the adjustment mechanism.

So kann z.B. der Kopfbereich über eine flexible Aufhängung des Fussbereichs angekoppelt sein. Eine solche flexible Aufhängung kann beispielsweise ein gefedertes Neigen des Kopfbereichs gegenüber dem Fußbereich erlauben, z.B. in Richtung der vom abtriebsseitigen Seilzugmechanismus ausgehenden Seilzüge. Ein Neigen in Querrichtung kann auch möglich sein, ist aber in vielen Fällen nicht erforderlich und kann dementsprechend auch durch die mechanische Konstruktion ausgeschlossen sein. Alternativ oder zusätzlich kann die flexible Aufhängung ein Drehen des Kopfbereichs um den Fußbereich um eine Vertikalachse erlauben.For example, the head area can be coupled to the foot area via a flexible suspension. Such a flexible suspension can, for example, allow the head area to be tilted in relation to the foot area, e.g. in the direction of the cables emanating from the output-side cable mechanism. Tilting in a transverse direction can also be possible, but in many cases is not necessary and can therefore be excluded by the mechanical design. Alternatively or additionally, the flexible suspension can allow the head area to rotate around the foot area around a vertical axis.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der abtriebsseitige Seilzugmechanismus durch mehrere einzelne, austauschbare Einschubmodule gebildet ist. Eine solche modulare Konstruktion ist mit vielen Vorteilen verbunden. Weist z.B. der Überlastschutzmechanismus eine Sollbruchstelle auf, können nach Aufbrechen der Sollbruchstelle leicht austauschbare Einschubmodule ersetzt werden. Zudem ist es möglich, dass die Einschubmodule hinsichtlich ihrer Funktionalität unterschiedlich ausgebildet sein können. Insbesondere können die Einschubmodule hinsichtlich ihrer Funktionalität in der zweiten Schaltstellung unterschiedlich ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment of the invention, the cable pull mechanism on the output side is formed by several individual, exchangeable plug-in modules. Such a modular construction has many advantages. If, for example, the overload protection mechanism has a predetermined breaking point, easily exchangeable plug-in modules can be replaced after the predetermined breaking point has been broken open. It is also possible for the plug-in modules to be designed differently in terms of their functionality. In particular, the plug-in modules can be designed differently in terms of their functionality in the second switching position.

Im Falle eines aktiven Überlastschutzmechanismus, bspw. aktiviert über die zusätzliche „Sensorseilzüge“ / „Sensorkabel“, können mehrere dieser Sensorseilzüge vorhanden sein, z.B. je einer für jedes Einschubmodul.In the case of an active overload protection mechanism, e.g. activated via the additional “sensor cables” / “sensor cables”, several of these sensor cables can be present, e.g. one for each plug-in module.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Übertragungsmechanismus ein Zahnrad-Getriebe aufweist. Dies erlaubt eine sichere schlupffreie Übertragung von Stellbewegungen von der Antriebseinheit auf die Stelleinheit.According to an advantageous embodiment of the invention, the transmission mechanism has a gear transmission. This allows a safe, slip-free transmission of actuating movements from the drive unit to the actuating unit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Umschalten von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung ein abtriebsseitiges Zahnrad mit unterschiedlichen zugeordneten Zahnrädern in Eingriff bringbar ist. Auf diese Weise kann die gewünschte Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung mit einem vergleichsweise einfach konstruierten Schaltgetriebe erfolgen. Die Kopplungsstation kann hierdurch kompakt und kostengünstig aufgebaut werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that when switching from the first switching position to the second switching position, a gear on the output side can be brought into engagement with different associated gears. In this way, the desired switching between the first and second switching positions can be carried out with a relatively simply constructed manual transmission. The coupling station can thus be constructed compactly and inexpensively.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein oder mehrere Zahnräder einen Grundkörper aufweisen, der einen zylindrischen Abschnitt und einen sich an den zylindrischen Abschnitt anschließenden, sich umfangsseitig verjüngenden Abschnitt hat, wobei sich die Zähne des Zahnrads vom zylindrischen Abschnitt bis in den sich verjüngenden Abschnitt erstrecken. Durch solche angeschrägten Zahnräder kann beim Umschalten des Getriebes ein verbessertes Eingriffsverhalten erreicht werden. Beim Schaltvorgang kann ein Ausrichten der Zähne des Zahnrads ermöglicht werden. Neben einem verbesserten Zahneingriff kann hierdurch eine höhere Schaltruhe erzielt werden. Der sich umfangsseitig verjüngende Abschnitt kann z.B. ein konischer Abschnitt sein.According to an advantageous embodiment of the invention, one or more gears have a base body which has a cylindrical section and a section which is adjacent to the cylindrical section and which tapers on the circumference, with the teeth of the gear extending from the cylindrical section into the tapered section. Such bevelled gears can achieve improved engagement behavior when switching the transmission. During the switching process, the teeth of the gear can be aligned. In addition to improved tooth engagement, this can also achieve greater switching smoothness. The section which tapers on the circumference can be a conical section, for example.

Die Kopplungsstation erfüllt somit neben der Funktion der Kraftübertragung von der Antriebseinheit auf die Stelleinheit auch die Gewährleistung der Patientensicherheit und kann zudem die Funktion einer federnden Instrumentenlagerung an der Stelleinheit unterstützen.In addition to the function of transmitting power from the drive unit to the actuating unit, the coupling station also ensures patient safety and can also support the function of a spring-loaded instrument bearing on the actuating unit.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein mit Seilzügen betriebenes Fernmanipulationssystem, das wenigstens eine Antriebseinheit, eine Kopplungsstation und eine Stelleinheit hat, wobei wenigstens eine verstellbare Funktion der Stelleinheit ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Seilzüge verstellbar ist. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Vorteilhafter Weise kann die Kopplungsstation als eine Kopplungsstation der zuvor erläuterten Art ausgebildet sein.The object mentioned at the beginning is also achieved by a remote manipulation system operated with cable pulls, which has at least one drive unit, a coupling station and an actuating unit, wherein at least one adjustable function of the actuating unit can be adjusted remotely from the drive unit via the coupling station by means of the cable pulls. This also makes it possible to realize the advantages explained above. The coupling station can advantageously be designed as a Coupling station of the type described above.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der antriebsseitige Seilzugmechanismus über die Seilzüge direkt mit der Antriebseinheit gekoppelt und/oder die Kopplungsstation als gemeinsame Baueinheit mit der Antriebseinheit ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the invention, the drive-side cable pull mechanism is coupled directly to the drive unit via the cables and/or the coupling station is designed as a common structural unit with the drive unit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments and drawings.

Es zeigen

1 den Einsatz eines Fernmanipulationssystems bei einer medizinischen Untersuchung,
2 eine Antriebseinheit und eine Kopplungsstation des Fernmanipulationssystems gemäß 1,
3 den Kopfbereich der Kopplungsstation gemäß 2 in perspektivischer Ansicht,
4 eine seitliche Querschnittsansicht des Kopfbereichs gemäß 3,
5 eine perspektivische Schnittansicht des Kopfbereichs gemäß 3,
6 ein schaltbares Zahnrad-Getriebe,
7 den Kopfbereich gemäß 3 in einer Explosions-Darstellung,
8 ein antriebsseitiger Teil des Kopfbereichs in perspektivischer Ansicht,
9 ein abtriebsseitiges Einschubmodul in perspektivischer Ansicht,
10 ein weiteres abtriebsseitiges Einschubmodul in perspektivischer Ansicht,
11 den Kopfbereich in perspektivischer Schnittansicht in einer ersten Schaltstellung,
12 den Kopfbereich in einer perspektivischen Schnittansicht in einer zweiten Schaltstellung,
13 den Fußbereich der Kupplungsstation,
14 einen Teil des Fußbereichs,
15 eine Kopplungseinheit.

Show it

1 the use of a remote manipulation system during a medical examination,
2 a drive unit and a coupling station of the remote manipulation system according to 1 ,
3 the head area of the docking station according to 2 in perspective view,
4 a side cross-sectional view of the head area according to 3 ,
5 a perspective sectional view of the head area according to 3 ,
6 a switchable gear transmission,
7 the head area according to 3 in an exploded view,
8th a drive-side part of the head area in perspective view,
9 a drive-side plug-in module in perspective view,
10 another output-side plug-in module in perspective view,
11 the head area in perspective sectional view in a first switching position,
12 the head area in a perspective sectional view in a second switching position,
13 the foot area of the coupling station,
14 part of the foot area,
15 a coupling unit.

In der 1 ist der Einsatz eines mit Seilzügen betriebenen Fernmanipulationssystems in einer medizinischen Anwendung dargestellt, hier konkret bei der Untersuchung eines Patienten 6 mit einem Magnetresonanztomographie-System. Der Patient 6 befindet sich auf einer Patientenliege 7. Am Patienten 6 ist eine Stelleinheit 5 des Fernmanipulationssystems befestigt, z.B. eine Positioniereinrichtung der in DE 10 2020 104 746 B3 beschriebenen Art. Ferner ist im Fußbereich der Patientenliege 7 eine Kopplungsstation 3 des Fernmanipulationssystems befestigt. Die Kopplungsstation 3 ist über einen abtriebsseitigen Seilzugmechanismus 4 mit der Stelleinheit 5 verbunden. Ferner ist die Kopplungsstation 3 über einen antriebsseitigen Seilzugmechanismus 2 mit einer Antriebseinheit 1 verbunden, die ein weiteres Element des Fernmanipulationssystems bildet. Die Antriebseinheit 1 kann z.B. von einer Bedienperson 9 manuell betätigt werden. Durch Betätigung bestimmter Stellelemente der Antriebseinheit 1 werden über den antriebsseitigen Seilzugmechanismus 2 Stellbewegungen auf die Kopplungsstation 3 übertragen, insbesondere auf deren antriebsseitigen Seilzugmechanismus 2. Der antriebsseitige Seilzugmechanismus der Kopplungsstation 3 ist mit einem abtriebsseitigen Seilzugmechanismus der Kopplungsstation 3 verbunden. Hierüber werden die Stellbewegungen der Antriebseinheit 1 über die abtriebsseitigen Seilzüge des abtriebsseitigen Seilzugmechanismus 4 an die Stelleinheit 5 übertragen.In the 1 The use of a remote manipulation system operated with cable pulls is shown in a medical application, here specifically in the examination of a patient 6 with a magnetic resonance imaging system. The patient 6 is located on a patient couch 7. An actuating unit 5 of the remote manipulation system is attached to the patient 6, e.g. a positioning device of the EN 10 2020 104 746 B3 described type. Furthermore, a coupling station 3 of the remote manipulation system is attached to the foot area of the patient bed 7. The coupling station 3 is connected to the actuating unit 5 via an output-side cable pull mechanism 4. Furthermore, the coupling station 3 is connected to a drive unit 1 via a drive-side cable pull mechanism 2, which forms a further element of the remote manipulation system. The drive unit 1 can be operated manually, for example, by an operator 9. By actuating certain actuating elements of the drive unit 1, actuating movements are transmitted to the coupling station 3, in particular to its drive-side cable pull mechanism 2, via the drive-side cable pull mechanism 2. The drive-side cable pull mechanism of the coupling station 3 is connected to an output-side cable pull mechanism of the coupling station 3. The actuating movements of the drive unit 1 are transmitted to the actuating unit 5 via the output-side cables of the output-side cable pull mechanism 4.

Die 2 verdeutlicht das Zusammenwirken zwischen der Antriebseinheit 1 und der Kopplungsstation 3. An der Antriebseinheit 1 sind manuell zu betätigende Stellelemente 10 vorhanden, durch die einzelne Seile der antriebsseitigen Seilzüge des antriebsseitigen Seilzugmechanismus 2 von der Bedienperson 9 bewegt werden können. Diese Seilbewegungen werden über die antriebsseitigen Seilzüge auf den antriebsseitigen Seilzugmechanismus 2 der Kopplungsstation 3 übertragen und von dieser dann über den abtriebsseitigen Seilzugmechanismus 4 auf die mit der Stelleinheit 5 verbundenen Seile übertragen.The 2 illustrates the interaction between the drive unit 1 and the coupling station 3. Manually operated adjusting elements 10 are present on the drive unit 1, by means of which individual cables of the drive-side cable pulls of the drive-side cable pull mechanism 2 can be moved by the operator 9. These cable movements are transmitted via the drive-side cable pulls to the drive-side cable pull mechanism 2 of the coupling station 3 and from there via the output-side cable pull mechanism 4 to the cables connected to the adjusting unit 5.

Man erkennt zudem, dass die Kopplungsstation 3 einen Kopfbereich 30 und einen Fußbereich 31 hat. Der Fußbereich 31 dient zum Befestigen der Kopplungsstation 3 auf einem Untergrund, hier auf der Patientenliege 7. Der Kopfbereich 30 ist mit dem Fußbereich 31 über eine flexible Aufhängung gekoppelt, sodass der Kopfbereich 30 in zumindest einem oder mehreren Freiheitsgraden gewisse gefederte Bewegungen gegenüber dem Fußbereich 31 ausführen kann. Die erwähnten Seilzugmechanismen sind dabei in dem Kopfbereich 30 untergebracht, der nachfolgend hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Funktionen mit Bezugnahme auf die 3 bis 5 näher erläutert wird.It can also be seen that the coupling station 3 has a head region 30 and a foot region 31. The foot region 31 serves to attach the coupling station 3 to a surface, here on the patient bed 7. The head region 30 is coupled to the foot region 31 via a flexible suspension, so that the head region 30 can carry out certain spring-loaded movements in at least one or more degrees of freedom relative to the foot region 31. The cable pull mechanisms mentioned are housed in the head region 30, which is described below with regard to its structure and functions with reference to the 3 to 5 is explained in more detail.

Wie in den 3 bis 5 erkennbar ist, ist der Kopfbereich 30 modular aufgebaut. Erweist ein Basismodul 32 auf, in das zwei einzelne, austauschbare Einschubmodule 33, 34 eingesteckt sind. Die antriebsseitigen Seilzüge 2 verlaufen dabei mit ihren einzelnen Seilzügen 21 und den darin geführten Seilen 23 in das Basismodul 32 hinein. Die einzelnen Seile 23 sind jeweils auf eine Seilrolle 60 aufgewickelt, z.B. indem sie dort wenigstens eineinhalbfach herumgewickelt sind (z.B. Umschlingungswinkel >540°). Jede Seilrolle 60 ist jeweils mit einem Antriebszahnrad 35, 37 gekoppelt. Wird einer der Seilzüge betätigt, bewirkt dies ein Drehen der jeweiligen Seilrolle 60 und dementsprechend ein synchrones Drehen des damit verbundenen Antriebszahnrads 35, 37. Durch die Seilrollen 60, die mit den antriebsseitigen Seilzügen 21 verbunden sind, wird der antriebsseitige Seilzugmechanismus 2 realisiert.As in the 3 to 5 As can be seen, the head area 30 is modular. It has a base module 32 into which two individual, exchangeable plug-in modules 33, 34 are inserted. The drive-side cables 2 run with their individual cables 21 and the cables 23 guided therein into the base module 32. The one The individual cables 23 are each wound onto a cable pulley 60, e.g. by being wound around it at least one and a half times (e.g. wrap angle >540°). Each cable pulley 60 is coupled to a drive gear 35, 37. If one of the cable pulls is actuated, this causes the respective cable pulley 60 to rotate and, accordingly, the drive gear 35, 37 connected to it to rotate synchronously. The drive-side cable pull mechanism 2 is implemented by the cable pulleys 60, which are connected to the drive-side cable pulls 21.

Auf der Abtriebsseite gehen die einzelnen Seilzüge 41 mit ihren Seilen 43 in die jeweiligen Einschubmodule 33, 34 hinein. Das Einschubmodul 33 hat Abtriebszahnräder 38, die jeweils mit einer Seilrolle 60 gekoppelt sind. Die Seile 43 sind um die Seilrollen 60 gewickelt.On the output side, the individual cable pulls 41 with their cables 43 go into the respective plug-in modules 33, 34. The plug-in module 33 has output gears 38, each of which is coupled to a cable pulley 60. The cables 43 are wound around the cable pulleys 60.

Das Antriebszahnrad 37 ist dabei fest mit dem Abtriebszahnrad 39 gekoppelt. Auf diese Weise wird eine über die Seilzüge 23 auf das Antriebszahnrad 37 übertragene Drehbewegung direkt über das Abtriebszahnrad 39 auf die abtriebsseitigen Seile 43 übertragen. Ist, wie in den 4 und 5 dargestellt, das Antriebszahnrad 35 mit dem Abtriebszahnrad 38 im Eingriff, dann erfolgt analog zum zuvor Beschriebenen eine direkte Übertragung der Stellbewegung vom Seil 23 über das Antriebszahnrad 35 auf das Abtriebszahnrad 38 und hierüber auf das abtriebsseitige Seil 43.The drive gear 37 is firmly coupled to the driven gear 39. In this way, a rotary motion transmitted via the cable pulls 23 to the drive gear 37 is transmitted directly via the driven gear 39 to the driven-side cables 43. If, as shown in the 4 and 5 shown, the drive gear 35 is in engagement with the driven gear 38, then, analogously to what has been described above, a direct transmission of the actuating movement from the cable 23 via the drive gear 35 to the driven gear 38 and via this to the driven-side cable 43 takes place.

Man erkennt in den 4 und 5, dass im oberen Teil des Kopfbereichs 30 jeweils unter einem Antriebszahnrad 35 ein weiteres Zahnrad 36 angeordnet ist. Das jeweilige Zahnrad 36 ist in Rotationsrichtung nicht mit dem zugeordneten Antriebszahnrad 35 gekoppelt, sondern kann gegenüber diesem sich verdrehen. Die zusätzlichen Zahnräder 36 sind jeweils über eine Federvorrichtung 61 in Rotationsrichtung elastisch aufgehängt. Wird eine Rotationsbewegung auf ein weiteres Zahnrad 36 übertragen, spannt sich hierdurch die Federvorrichtung 61 und erzeugt damit eine Tendenz des jeweiligen Zahnrads 36, sich wieder in die ursprüngliche Ausgangsposition zu drehen.You can see in the 4 and 5 that in the upper part of the head region 30, a further gear 36 is arranged under each drive gear 35. The respective gear 36 is not coupled in the direction of rotation with the associated drive gear 35, but can rotate relative to it. The additional gears 36 are each elastically suspended in the direction of rotation via a spring device 61. If a rotational movement is transmitted to a further gear 36, the spring device 61 is tensioned and thus creates a tendency for the respective gear 36 to rotate back to the original starting position.

Die Abtriebszahnräder 38 können in verschiedenen Schaltstellungen betrieben werden. In der in den 4 und 5 dargestellten ersten Schaltstellung ist jeweils ein Abtriebszahnrad 38 mit einem zugeordneten Antriebszahnrad 35 im Eingriff. In einer zweiten Schaltstellung, die nachfolgend noch anhand weiterer Zeichnungen erläutert wird, kann ein Abtriebszahnrad 38 auch mit einem weiteren Zahnrad 36 in Eingriff gebracht werden. In diesem Zustand kann das Abtriebszahnrad 38 somit nicht mehr über die antriebsseitigen Seile 23 in Bewegung versetzt werden.The output gears 38 can be operated in different switching positions. In the 4 and 5 In the first switching position shown, an output gear 38 is in engagement with an associated drive gear 35. In a second switching position, which is explained below with reference to further drawings, an output gear 38 can also be brought into engagement with another gear 36. In this state, the output gear 38 can therefore no longer be set in motion via the drive-side cables 23.

Über Spannschrauben 42 können die Seilzüge bzw. die einzelnen Seile gespannt werden.The cables or individual cables can be tensioned using tensioning screws 42.

Die 6 verdeutlicht anhand einer schematischen Ausschnittsdarstellung den Getriebemechanismus aus den Zahnrädern 35, 36, 38. Wie bereits erwähnt, kann das Zahnrad 38 in verschiedene axiale Stellungen bewegt werden, wie durch den Pfeil angedeutet. In einer ersten Schaltstellung ist das Abtriebszahnrad 38 im Eingriff mit dem Antriebszahnrad 35, in einer zweiten Schaltstellung (in 6 dargestellt) ist das Abtriebszahnrad 38 nur im Eingriff mit dem weiteren Zahnrad 36, das über die Federvorrichtung 61 in Rotationsrichtung elastisch gefedert ist. Die Federvorrichtung 61 kann z.B. als Elastomerband oder Elastomerschlauch ausgebildet sein. Während das Abtriebszahnrad 38 als Zahnrad mit zylindrischem Grundkörper und darauf angeordneter Verzahnung ausgebildet sein kann, ist es vorteilhaft, die Zahnräder 35, 36 zur Unterstützung des Umschaltvorgangs mit einem teilweise konischen Grundkörper 71 zu gestalten, an den sich ein zylindrischer Grundkörper 70 anschließt. Die einzelnen Zähne der Verzahnung eines Zahnrads erstrecken sich dann vom zylindrischen Grundkörper 70 bis in den konischen Grundkörper 71.The 6 illustrates the gear mechanism consisting of the gears 35, 36, 38 using a schematic detail view. As already mentioned, the gear 38 can be moved into different axial positions, as indicated by the arrow. In a first switching position, the driven gear 38 is in engagement with the drive gear 35, in a second switching position (in 6 shown), the driven gear 38 is only in engagement with the other gear 36, which is elastically sprung in the direction of rotation via the spring device 61. The spring device 61 can be designed as an elastomer band or elastomer hose, for example. While the driven gear 38 can be designed as a gear with a cylindrical base body and teeth arranged thereon, it is advantageous to design the gears 35, 36 with a partially conical base body 71 to support the switching process, to which a cylindrical base body 70 is connected. The individual teeth of the teeth of a gear then extend from the cylindrical base body 70 into the conical base body 71.

Die Zahnräder 35, 36, 37, 38, 39 können vorteilhaft mit einer Evolventen-Verzahnung ausgebildet sein, da diese die Vorteile eines ruhigen Laufverhaltens durch einen kontinuierlichen Zahnflankenkontakt und eine Reibungsminimierung vereint und gegenüber einer Achsabstandsveränderung unempfindlich ist. Da die Zahnräder und gegebenenfalls auch weitere Bauteile des Fernmanipulationssystems durch 3D-Druck additiv gefertigt werden können, ist der Einsatz einer solchen Evolventen-Verzahnung auch nicht mit einem erhöhten Fertigungsaufwand verbunden.The gears 35, 36, 37, 38, 39 can advantageously be designed with an involute toothing, since this combines the advantages of smooth running behavior through continuous tooth flank contact and friction minimization and is insensitive to a change in the center distance. Since the gears and possibly other components of the remote manipulation system can be manufactured additively using 3D printing, the use of such an involute toothing is also not associated with increased manufacturing effort.

Wie z.B. die 6 verdeutlicht, kann die Zahnbreite des beweglichen Zahnrads 38 und die Abstände der Zahnräder 35, 36 voneinander so gewählt werden, dass das Zahnrad 38 sich immer im Eingriff mit mindestens einem von den Zahnrädern 35, 36 befindet. Während der Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung kann es temporär auch dazu kommen, dass das bewegliche Zahnrad 38 im Eingriff mit beiden Zahnrädern 35, 36 ist. Hierdurch wird einem unkontrollierten Verstellen der mit den Seilzügen 43 verbundenen Komponente der Stelleinheit 5 entgegengewirkt. Mit den Seilzügen 43 des Einschubmoduls 33 kann z.B. eine Veränderung der räumlichen Lage eines an der Stelleinheit 5 befestigten medizinischen Instruments eingestellt werden. Mit den Seilzügen 43 des Einschubmoduls 34 kann beispielsweise ein Vorschub bzw. ein Zurückziehen des Instruments an der Stelleinheit 5 erfolgen.Such as the 6 As illustrated, the tooth width of the movable gear 38 and the distances between the gears 35, 36 can be selected such that the gear 38 is always in engagement with at least one of the gears 35, 36. During switching between the first and second switching positions, the movable gear 38 can temporarily be in engagement with both gears 35, 36. This counteracts uncontrolled adjustment of the component of the actuating unit 5 connected to the cables 43. The cables 43 of the plug-in module 33 can be used, for example, to change the spatial position of a medical instrument attached to the actuating unit 5. The cables 43 of the plug-in module 34 can be used, for example, to advance or retract the instrument on the actuating unit 5.

Durch die mittels der Federvorrichtung elastische Fixierung der abtriebsseitigen Seile 43 können beispielsweise vom Patienten durchgeführte leichte Bewegungen, z.B. durch Atem- und Organbewegungen, ausgeglichen werden. Durch die Federwirkung wird nach Abklingen einer solchen Bewegung immer die zuvor eingestellte Position kontinuierlich angestrebt.The elastic fixation of the output-side cables 43 by means of the spring device makes it possible to compensate for slight movements made by the patient, e.g. due to breathing and organ movements. The spring effect ensures that the previously set position is always continuously sought after after such a movement has subsided.

Die 7 verdeutlicht vorteilhafte Konstruktionsdetails der Kopplungsstation 3 bzw. dessen Kopfbereichs 30. Man erkennt, wie die Einschubmodule 33, 34 in als passende Gegenstücke geformte Einschubschächte des Basisteils 32 eingesetzt werden können. Zur Fixierung der Einschubmodule 33, 34 im Basismodul 32 dient ein Sicherungsstift 63, der über den größten Teil seiner Längserstreckung eine zylindrische Außenkontur haben kann und an einem Schraubenkopf-artigen Endbereich einen Abschnitt mit einem Außengewinde haben kann. Der Sicherungsstift 63 erstreckt sich im zusammengesetzten Zustand der Bauteile durch entsprechende Öffnungen in den Einschubmodulen 33, 34 hindurch und fixiert diese damit durch Formschluss.The 7 illustrates advantageous design details of the coupling station 3 or its head area 30. It can be seen how the plug-in modules 33, 34 can be inserted into plug-in slots of the base part 32, which are shaped as matching counterparts. A locking pin 63 is used to fix the plug-in modules 33, 34 in the base module 32, which can have a cylindrical outer contour over most of its longitudinal extent and can have a section with an external thread on a screw head-like end area. When the components are assembled, the locking pin 63 extends through corresponding openings in the plug-in modules 33, 34 and thus fixes them by means of a positive fit.

Die 8 zeigt das Basismodul 32 mit darin eingesetztem Sicherungsstift 63. Erkennbar ist zudem ein Schaltelement 72, das zum Durchführen der Umschaltung des Zahnrad-Getriebes zwischen der ersten Schaltstellung und der zweiten Schaltstellung dient. Das Schaltelement 72 ist in Längsrichtung gleitend auf dem Sicherungsstift 63 gelagert.The 8th shows the base module 32 with the locking pin 63 inserted into it. A switching element 72 can also be seen, which is used to switch the gear transmission between the first switching position and the second switching position. The switching element 72 is mounted on the locking pin 63 so that it slides longitudinally.

Die 9 zeigt das Einschubmodul 33 in seitlicher Schnittansicht, sodass nur die rechte Hälfte des Einschubmoduls 33 dargestellt ist. Im mittleren Bereich weist das Einschubmodul 33 einen Aufnahmeabschnitt 65 zur Aufnahme eines Bereichs des Sicherungsstifts 63 auf. Auf der zum Basismodul 32 gewandten Seite ist der Aufnahmeabschnitt 65 durch einen querverlaufenden Riegel 64 begrenzt. Durch den Riegel 64 wird verhindert, dass das Einschubmodul 33 aus dem Basismodul 32 herausgezogen werden kann. Der Querriegel 64 ist dabei relativ schwach dimensioniert, um einen Überlastschutzmechanismus in Form einer Sollbruchstelle zu bilden.The 9 shows the plug-in module 33 in a side sectional view, so that only the right half of the plug-in module 33 is shown. In the middle area, the plug-in module 33 has a receiving section 65 for receiving a section of the locking pin 63. On the side facing the base module 32, the receiving section 65 is limited by a transverse bolt 64. The bolt 64 prevents the plug-in module 33 from being pulled out of the base module 32. The transverse bolt 64 is relatively weakly dimensioned in order to form an overload protection mechanism in the form of a predetermined breaking point.

Das Einschubmodul 34 ist vergleichbar aufgebaut, wobei die 10 das vollständige Einschubmodul 34 zeigt. Dort ist wiederum der Aufnahmeabschnitt 65 zur Aufnahme eines Teils des Sicherungsstifts 63 vorhanden. Ferner ist auch ein Querriegel 64 vorhanden, der aufgrund der Blickrichtung nicht erkennbar ist.The plug-in module 34 has a similar structure, whereby the 10 shows the complete plug-in module 34. There, too, is the receiving section 65 for receiving part of the locking pin 63. Furthermore, there is also a crossbar 64, which cannot be seen due to the viewing direction.

Der Sicherungsstift 63 erfüllt im Rahmen der Überlastschutzvorrichtung zudem die Funktion einer Bruchkante für die als Sollbruchstelle dienenden Querriegel 64.As part of the overload protection device, the locking pin 63 also serves as a breaking edge for the crossbar 64, which serves as a predetermined breaking point.

Die 11 und 12 zeigen den Schaltmechanismus zum Umschalten des Zahnrad-Getriebes von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung und umgekehrt. Erkennbar ist das Schaltelement 72, das über zwei gegenläufige Zugseile 73 in jeweils entgegengesetzte Richtungen gezogen werden kann. Die Zugseile 73 können Teile des antriebsseitigen Seilzugsystems 2 sein. Um die Führungsrichtung der Zugseile 73 reibungsarm, kostengünstig und MRT-kompatibel umlenken zu können, können z.B. Keramik-Schnurlaufringe 74 verwendet werden. The 11 and 12 show the switching mechanism for switching the gear transmission from the first switching position to the second switching position and vice versa. The switching element 72 can be seen, which can be pulled in opposite directions via two opposing pull cables 73. The pull cables 73 can be parts of the drive-side cable pull system 2. In order to be able to redirect the guide direction of the pull cables 73 in a low-friction, cost-effective and MRI-compatible manner, ceramic cord guide rings 74 can be used, for example.

Die 11 zeigt das Schaltelement 72 in der ersten Schaltstellung, die 12 in der zweiten Schaltstellung.The 11 shows the switching element 72 in the first switching position, the 12 in the second switching position.

Die 13 zeigt den Fußbereich 31 der Kopplungsstation 3 in einer perspektivischen Schnittansicht. Der Fußbereich 31 weist ein Unterbauteil 81 und ein Oberbauteil 82 auf. Das Oberbauteil 82 ist über Befestigungselemente, zum Beispiel einen Verspannring 83, auf dem Unterbauteil 81 befestigt. Das Unterbauteil 81 dient zur Anordnung des Fußbereichs 31 auf dem Untergrund, auf dem die Kopplungsstation 3 befestigt werden soll. Die Befestigung des Fußbereichs 31 bzw. des Unterbauteils 81 am Untergrund kann z.B. mittels Spanngurten erfolgen, die durch am Unterbauteil 81 angeformte Gurtdurchführungen 80 geführt werden. Es ist auch möglich, den Fußbereich 31 mittels einer Grundplatte zu befestigen, z.B. am MRT-Tisch.The 13 shows the foot area 31 of the coupling station 3 in a perspective sectional view. The foot area 31 has a lower component 81 and an upper component 82. The upper component 82 is attached to the lower component 81 using fastening elements, for example a bracing ring 83. The lower component 81 serves to arrange the foot area 31 on the surface to which the coupling station 3 is to be attached. The foot area 31 or the lower component 81 can be attached to the surface using tensioning belts, for example, which are guided through belt guides 80 formed on the lower component 81. It is also possible to attach the foot area 31 using a base plate, e.g. to the MRI table.

Zwischen dem Unterbauteil 81 und dem Oberbauteil 82 ist ein sphärisch gekrümmter spaltförmiger Zwischenraum 87 vorhanden, in dem ein ebenfalls sphärisch gekrümmt geformtes Laufelement 85 geführt ist. Das Oberbauteil 82 weist hierfür einen trogartigen Bereich 84 auf. Das Laufelement 85 ist in dem spaltförmigen Zwischenraum 87 in einem gewissen Winkelbereich verschwenkbar und zudem um eine Vertikalachse drehbar angeordnet. Die 14 zeigt die Anordnung des Laufelements 85 unterhalb des Oberbauteils 84. Das Unterbauteil 81 ist in diesem Fall nicht mit dargestellt.Between the lower component 81 and the upper component 82 there is a spherically curved gap-shaped space 87 in which a running element 85, also spherically curved, is guided. The upper component 82 has a trough-like area 84 for this purpose. The running element 85 can be pivoted in the gap-shaped space 87 within a certain angular range and can also be rotated about a vertical axis. 14 shows the arrangement of the running element 85 below the upper component 84. The lower component 81 is not shown in this case.

Mit dem Laufelement 85 ist über einen Verbindungsabschnitt 86 eine Kopplungseinheit 89, 90 verbunden. Die Kopplungseinheit 89, 90 dient zum schnell lösbaren Befestigen des Kopfbereichs 30 an dem Fußbereich 31. Die 15 zeigt die einzelnen Elemente der Kopplungseinheit 89, 90.A coupling unit 89, 90 is connected to the running element 85 via a connecting section 86. The coupling unit 89, 90 serves for the quick-release fastening of the head region 30 to the foot region 31. The 15 shows the individual elements of the coupling unit 89, 90.

Um ein schnelles Befestigen des Kopfbereichs 30 und ein ebenso schnelles Lösen zu ermöglichen, ist die Kopplungseinheit 89, 90 mehrteilig ausgebildet. Die Kopplungseinheit 89, 90 weist ein mit dem Verbindungsabschnitt 86 dauerhaft gekoppeltes Aufnahmeelement 89 und ein an dem Aufnahmeelement 89 mittels einer Schnellbefestigung befestigbares kopfseitiges Befestigungselement 90 auf. Der Kopfbereich 30 wird dann beispielsweise über Schrauben mit dem Befestigungselement 90 fest gekoppelt.In order to enable the head region 30 to be attached quickly and released just as quickly, the coupling unit 89, 90 is designed in several parts. The coupling unit 89, 90 has a receiving element 89 that is permanently coupled to the connecting section 86 and a head-side fastening element 90 that can be attached to the receiving element 89 by means of a quick fastening. The Head area 30 is then firmly coupled to the fastening element 90, for example via screws.

Beispielsweise kann das Aufnahmeelement 89 eine schienenartige Führung haben, in die das Befestigungselement 90 eingeschoben werden kann. Hat das Befestigungselement 90 in der schienenartigen Führung eine Endposition erreicht, kann es über Rastelement 92 an dem Aufnahmeelement 89 verrastet werden. Zum Lösen der Verrastung ist ein manuell bedienbares Betätigungselement 91 vorhanden, das über eine elastische verformbare Verbindung mit dem Aufnahmeelement 89 gekoppelt ist.For example, the receiving element 89 can have a rail-like guide into which the fastening element 90 can be inserted. Once the fastening element 90 has reached an end position in the rail-like guide, it can be locked to the receiving element 89 via a locking element 92. To release the locking, a manually operable actuating element 91 is provided, which is coupled to the receiving element 89 via an elastically deformable connection.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102020104746 B3 [0004, 0039]

Claims

Coupling station (3) for a remote manipulation system operated with cable pulls, which has at least one drive unit (1), the coupling station (3) and an actuating unit (5), wherein at least one function of the actuating unit (5) can be adjusted remotely from the drive unit (1) via the coupling station (3) by means of the cable pulls, characterized in that a) the coupling station (3) has a drive-side cable pull mechanism (2) which can be connected to the drive unit (1) via cable pulls, and/or b) the coupling station (3) is designed as a common structural unit with the drive unit (1), wherein the coupling station (3) has an output-side cable pull mechanism (4) which can be connected to the actuating unit (5) via cable pulls.

Coupling station (3) to Claim 1 , characterized in that the drive-side cable pull mechanism (2) and/or drive elements of the drive unit (1) are coupled to the output-side cable pull mechanism (4) via a transmission mechanism, wherein actuating movements transmitted from drive elements of the drive unit (1) to the transmission mechanism can be transmitted to the output-side cable pull mechanism (4) by means of the transmission mechanism and from there can be transmitted to the actuating unit (5) via the cables.

Coupling station (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the output-side cable pull mechanism (4) is coupled to the drive-side cable pull mechanism (2) and/or drive elements of the drive unit (1) via an overload protection mechanism, wherein the overload protection mechanism is designed to decouple the output-side cable pull mechanism (4) from the drive-side cable pull mechanism (2) and/or drive elements of the drive unit (1) when a predetermined decoupling condition occurs, in particular when a predetermined force is exceeded.

Coupling station (3) to Claim 3 , characterized in that the overload protection mechanism is integrated into the transmission mechanism and/or is designed to mechanically separate the transmission mechanism.

Coupling station (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling station (3) can be switched at least between a first and a second switching position, wherein in the first switching position the output-side cable pull mechanism (4) is coupled to the drive-side cable pull mechanism (2) and/or drive elements of the drive unit (1), so that adjustments predetermined by the drive unit (1) are transmitted to the actuating unit (5) via the coupling station by means of the cables, and in the second switching position the output-side cable pull mechanism (4) is uncoupled from the drive-side cable pull mechanism (2) and/or the drive elements of the drive unit (1).

Coupling station (3) to Claim 5 , characterized in that in the second switching position an adjustment position previously set by the drive unit (1) is held rigidly or elastically by means of a spring device (61) in the output-side cable pull mechanism (4).

Coupling station (3) to Claim 5 or 6 , characterized in that the coupling station (3) can be switched back and forth between the first switching position and the second switching position via cables connected to the drive-side cable mechanism (2) and/or directly by drive elements of the drive unit (1).

Coupling station (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling station (3) has a head region (30) on which at least the output-side cable pull mechanism (4) is arranged, and a foot region (31) spatially spaced from the head region, which is designed for setting up and fastening the coupling station (3) on a base.

Coupling station (3) to Claim 8 , characterized in that the foot region has an adjustment mechanism by means of which the head region can be adjusted in at least one spatial degree of freedom relative to the ground or a component of the foot region attached to the ground.

Coupling station (3) according to one of the preceding claims, characterized in that the output-side cable pull mechanism (4) is formed by several individual, exchangeable plug-in modules (33, 34).

Coupling station (3) according to one of the Claims 2 until 10 , characterized in that the transmission mechanism comprises a gear transmission.

Coupling station (3) to Claim 11 , characterized in that when switching from the first switching position to the second switching position, a gear on the output side can be brought into engagement with different associated gears.

Coupling station (3) to Claim 12 , characterized in that one or more gears have a base body which has a cylindrical section and a circumferentially tapered section adjoining the cylindrical section, the teeth of the gear extending from the cylindrical section into the tapered section.

Remote manipulation system operated by cable pulls, which has at least one drive unit (1), a coupling station (3) and an actuating unit (5), wherein at least one function of the actuating unit (5) can be adjusted remotely from the drive unit (1) via the coupling station (3) by means of the cable pulls.

Remote manipulation system according to Claim 14 , characterized in that the coupling station (3) is designed according to one of the preceding claims.

Remote manipulation system according to one of the Claims 14 until 15 , characterized in that the drive-side cable pull mechanism (2) is coupled directly to the drive unit (1) via the cables and/or the coupling station (3) is designed as a common structural unit with the drive unit (1).