Die Erfindung betrifft eine Kopplungsstation für ein mit Übertragungsmitteln betriebenes Fernmanipulationssystem, welches zumindest eine Antriebseinheit, eine Kopplungsstation und eine Stelleinheit aufweist, wobei wenigstens eine Funktion der Stelleinheit ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Übertragungsmittel verstellbar ist.

Die Erfindung betrifft außerdem ein mit Übertragungsmitteln betriebenes Fernmanipulationssystem, welches zumindest eine Antriebseinheit, eine Kopplungsstation und eine Stelleinheit aufweist, wobei wenigstens eine Funktion der Stelleinheit ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Übertragungsmittel verstellbar ist.

Fernmanipulationssysteme mit beispielsweise als Seilzüge ausgebildete Übertragungsmittel 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.

Zumindest in Bezug auf eine 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 Feme bedient werden.

Aus dem Stand der Technik ist ein mit Seilzügen betriebenes Fernmanipulationssystem beispielsweise aus der DE 102020 104 746 B3 vorbekannt.

Ferner lehrt die US 2017/0308667 A1 eine mechanische Vorrichtung zur Fernmanipulation mit einer Mastereinheit, einer Slaveeinheit und einem Verbindungsglied, welches im Zusammenwirken mit Übertragungsmitteln die kinematische Bewegung von der Mastereinheit auf die Slaveeinheit überträgt. Diese mechanische Vorrichtung zur Fernmanipulation ist in Gestalt eines verfahrbaren und raumgreifenden OP-lnstrumentariums mit Trägereinheit und darauf platzierter Manipulationseinheit mit Doppellauf ausgebildet. Innerhalb der kanonenartig, parallel geführten Doppelläufe ist jeweils eine Mastereinheit, eine Slaveeinheit, das entsprechende Verbindungsglied sowie die Übertragungsmittel zumindest partiell angeordnet, wobei diese Bauteile aus konstruktiver Sicht relativ zueinander festgelegt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter verbessertes Fernmanipulationssystem sowie verbesserte Komponenten eines solchen Systems anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Kopplungsstation mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung weist die Kopplungsstation für ein mit Übertragungsmitteln betriebenes Fernmanipulationssystem zumindest eine Antriebseinheit, eine Kopplungsstation und eine Stelleinheit auf. Wenigstens eine Funktion der Stelleinheit ist dabei ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Übertragungsmittel verstellbar ist.

Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass die Antriebseinheit, die Kopplungsstation und die Stelleinheit modulartig miteinander koppelbar sind, wobei - dem Erfindungsgedanken folgend - sich drei unterschiedliche, nachfolgend beschriebene Varianten ausbilden. Allen diesen drei Varianten ist trotz ihrer Unterschiede jedoch gemeinsam, dass wahlweise die antriebsseitige Übertragungseinheit oder die abtriebsseitige Übertragungseinheit der Kopplungsstation modular entweder als Anordnung einzelner Einschubmodule oder einzelner Einschubschächte ausgebildet ist, welche mit ihnen zugeordneten komplementären Einschubschächten oder Einschubmodulen der zu koppelnden Übertragungsmittel in Wirkverbindung stehen.

Bei der ersten Variante weist die Kopplungsstation sowohl eine antriebsseitige Übertragungseinheit auf, die über Übertragungsmittel mit der Antriebseinheit lösbar verbunden ist, als auch eine abtriebsseitige Übertragungseinheit auf, die über Übertragungsmittel mit der Stelleinheit lösbar verbunden ist.

Die Kopplungsstation ist somit eine mechanische Schnittstelle zwischen einem zwischen der Kopplungsstation und der Antriebseinheit wirkenden Übertragungssystem und einem zwischen der Kopplungsstation und der Stelleinheit wirkenden Übertragungssystem. 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.

Bei der zweiten Variante weist die Kopplungsstation, welche als gemeinsame Baueinheit mit der Antriebseinheit ausgebildet ist, eine abtriebsseitige Übertragungseinheit auf, die über Übertragungsmittel mit der Stelleinheit lösbar verbunden ist.

Die Antriebseinheit kann z.B. baulich in die Kopplungsstation integriert sein, z.B. in ein Gehäuse oder Gehäuseteil der Kopplungsstation. Die Antriebseinheit kann auch direkt an die Kopplungsstation angebaut, z.B. angeflanscht sein. Beispielsweise können dann manuell bedienbare Stellelemente der Antriebseinheit an der Kopplungsstation angeordnet sein. In dieser Variante kann die Erfindung auch ohne die antriebsseitige Übertragungseinheit und mit ihr zusammenwirkende Übertragungsmittel zwischen Kopplungsstation und Antriebseinheit realisiert werden, da die Antriebseinheit direkt in der Kopplungsstation integriert ist. Bei der dritten Variante weist die Kopplungsstation, welche als gemeinsame Baueinheit mit der Stelleinheit ausgebildet ist, eine antriebsseitige Übertragungseinheit auf, die über Übertragungsmittel mit der Antriebseinheit lösbar verbunden ist.

Die Stelleinheit kann z.B. baulich in die Kopplungsstation integriert sein, z.B. in ein Gehäuse oder Gehäuseteil der Kopplungsstation. Die Stelleinheit kann auch direkt an die Kopplungsstation angebaut, z. B. angeflanscht sein. Beispielsweise können Stellelemente oder Stellglieder der Stelleinheit an der Kopplungsstation angeordnet sein. In dieser Variante kann die Erfindung auch ohne die abtriebsseitige Übertragungseinheit und mit ihr zusammenwirkende Übertragungsmittel zwischen Kopplungsstation und Stelleinheit realisiert werden, da die Stelleinheit direkt in der Kopplungsstation integriert ist.

Als Übertragungsmittel sind vorzugsweise mechanische Übertragungsmittel, beispielsweise Seile, Ketten, Riemen, Wellen, Gestänge oder andere zur Bewegungsund Kraftübertragung geeignete Bauelemente vorgesehen. Dem Erfindungsgedanken steht auch nicht im Wege, wenn anstelle der mechanischen Übertragungsmittel auch hydraulische Übertragungsmittel oder pneumatische Übertragungsmittel Verwendung finden.

Würde der Fachmann Seile als beispielhafte Repräsentanten für die Vielzahl der unterschiedlichen Übertragungsmittel wählen, dann gelangt er zu einer 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, wobei die Kopplungsstation einen antriebsseitigen Seilzugmechanismus hat, der über Seilzüge mit der Antriebseinheit verbindbar ist, und/oder Kopplungsstation als gemeinsame Baueinheit mit der Antriebseinheit ausgebildet ist, wobei die Kopplungsstation einen abtriebsseitigen Seilzugmechanismus hat, der über Seilzüge mit der Stelleinheit verbindbar ist.

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 Übertragungselementen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kraftübertragung zwischen der antriebsseitigen Übertragungseinheit bzw. der integrierten Antriebseinheit und der abtriebsseitigen Übertragungseinheit 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 Übertragungsmittel erforderlich sind, sondern die Übertragungsmittel von der Antriebseinheit und der Stelleinheit jeweils an der Kopplungsstation enden. Dies erlaubt z. B. eine einfache Entkopplung der antriebsseitigen Übertragungseinheit von der abtriebsseitigen Übertragungseinheit. Beispielsweise kann die Kopplungsstation einen Überiastschutzmechanismus 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.

Zudem erlaubt eine solche zusätzliche Komponente wie die Kopplungsstation in der Ausgestaltungsvarianz grundsätzlich 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. Je nach Ausgestaltung der Erfindung gemäß der drei beschriebenen Varianten ist es aber auch möglich, dass durch die konstruktive Kombination aus Stelleinheit und Kopplungsstation eben diese gemeinsam als Einmal-Verwendung ausgelegt sind.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die antriebsseitige Übertragungseinheit und/oder Antriebselemente der Antriebseinheit über einen Übertragungsmechanismus mit der abtriebsseitigen Übertragungseinheit gekoppelt ist, wobei von der Antriebseinheit über die Übertragungsmittel oder direkt auf den Übertragungsmechanismus übertragene Stellbewegungen mittels des Übertragungsmechanismus auf die abtriebsseitige Übertragungseinheit übertragbar sind und von dort aus über die Übertragungsmittel 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. Das Zahnradgetriebe kann dabei jedwedes Wälzgetriebe, Schraubwälzgetriebe oder Schraubgetriebe sein. Nur beispielhaft sind hierzu, jedoch nicht abschließend, schrägverzahnte Zahnräder, Schneckengetriebe, Planetengetriebe, Hypoidgetriebe, Stirnradgetriebe, Kegelradgetriebe oder Schneckenradgetriebe genannt.

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.

Die Stelleinheit kann auch bei als Seilzügen ausgebildeten Übertragungsmitteln in mehreren Freiheitsgraden verstellbar sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die abtriebsseitige Übertragungseinheit über einen Überlastschutzmechanismus mit der antriebsseitigen Übertragungseinheit und/oder Antriebselementen der Antriebseinheit gekoppelt ist, wobei der Überiastschutzmechanismus dazu eingerichtet ist, bei Auftreten einer vorgegebenen Entkopplungsbedingung die abtriebsseitige Übertragungseinheit von der antriebsseitigen Übertragungseinheit 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 der abtriebsseitigen Übertragungseinheit von der antriebsseitigen Übertragungseinheit erfolgen.

Der Überlastschutzmechanismus kann je nach Anwendungsfall als reversibler oder irreversibler Überiastschutzmechanismus ausgebildet sein. Beispielsweise kann in der Kopplungsstation wenigstens eine Sollbruchstelle (irreversibler Überlastschutzmechanismus) vorhanden sein, die beim Auftreten zu hoher Kräfte in den Übertragungsmitteln bricht und damit die abtriebsseitige Übertragungseinheit freigibt. Beispielsweise kann die abtriebsseitige Übertragungseinheit sich dann vollständig von einem Gehäuse der Kopplungsstation lösen.

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 die abtriebsseitige Übertragungseinheit mit der antriebsseitigen Übertragungseinheit 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.

Der Überiastschutzmechanismus kann als passiver oder aktiver Überiastschutzmechanismus ausgebildet sein. Ein passiver Überiastschutzmechanismus ist dadurch gekennzeichnet, dass der Überiastschutz 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 die abtriebsseitige Übertragungseinheit von der antriebsseitigen Übertragungseinheit zu entkoppeln.

Bei einem solchen aktiv gesteuerten Schaltsystem kann sich z.B. in einem der beiden oder in beiden Übertragungsmittelstränge/-n (antriebs- wie abtriebsseitig) ein zusätzliches Übertragungsmittel 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 die abtriebsseitige Übertragungseinheit von der antriebsseitigen Übertragungseinheit entkoppelt werden.

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 die abtriebsseitige Übertragungseinheit oder die antriebsseitige Übertragungseinheit ganz oder teilweise von einem Gehäuse der Kopplungsstation gelöst wird.

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 die abtriebsseitige Übertragungseinheit mit der antriebsseitigen Übertragungseinheit und/oder Antriebselementen der Antriebseinheit gekoppelt ist, sodass von der Antriebseinheit vorgegebene Verstellungen über die Kopplungsstation mittels der Übertragungsmittel an die Stelleinheit abgegeben werden, und in der zweiten Schaltstellung die abtriebsseitige Übertragungseinheit von der antriebsseitigen Übertragungseinheit 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.

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.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der zweiten Schaltstellung eine zuvor durch die Antriebseinheit z. B. direkt oder über die antriebsseitige Übertragungseinheit eingestellte Verstellposition in der abtriebsseitigen Übertragungseinheit starr oder mittels einer Federvorrichtung elastisch gehalten ist. 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 abtriebsseitigen Übertragungseinheit 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.

Die Federvorrichtung kann z.B. als Torsionsfeder, Zugfeder oder Druckfeder ausgebildet sein.

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. 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.

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.

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.

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.

Wie bereits erläutert, ist die antriebsseitige Übertragungseinheit oder die abtriebsseitige Übertragungseinheit der Kopplungsstation modular entweder als Anordnung einzelner Einschubmodule oder einzelner Einschubschächte ausgebildet, welche mit ihnen zugeordneten komplementären Einschubschächten oder Einschubmodulen der zu koppelnden Übertragungsmittel in Wirkverbindung stehen. 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.

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.

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.

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.

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. 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.

Die eingangsgenannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein mit Übertragungsmitteln betriebenes Fernmanipulationssystem, welches zumindest eine Antriebseinheit, eine Kopplungsstation und Stelleinheit aufweist, wobei wenigstens eine Funktion der Stelleinheit ferngesteuert von der Antriebseinheit über die Kopplungsstation mittels der Übertragungsmittel 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.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die antriebsseitige Übertragungseinheit über die Übertragungsmittel direkt mit der Antriebseinheit gekoppelt und/oder die Kopplungsstation ist als gemeinsame Baueinheit mit der Antriebseinheit ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert, von den zeigen

Figur 1 den Einsatz eines Fernmanipulationssystems bei einer medizinischen Untersuchung,

Figur 2 eine Antriebseinheit und eine Kopplungsstation des Fernmanipulationssystems gemäß Figur 1 ,

Figur 3 den Kopfbereich der Kopplungsstation gemäß Figur 2 in perspektivischer Ansicht,

Figur 4 eine seitliche Querschnittsansicht des Kopfbereichs gemäß Figur 3,

Figur 5 eine perspektivische Schnittansicht des Kopfbereichs gemäß Figur 3,

Figur 6 ein schaltbares Zahnrad-Getriebe,

Figur 7 den Kopfbereich gemäß Figur 3 in einer Explosions-Darstellung, Figur 8 ein antriebsseitiger Teil des Kopfbereichs in perspektivischer Ansicht, Figur 9 ein abtriebsseitiges Einschubmodul in perspektivischer Ansicht,

Figur 10 ein weiteres abtriebsseitiges Einschubmodul in perspektivischer Ansicht, Figur 11 den Kopfbereich in perspektivischer Schnittansicht in einer ersten

Schaltstellung,

Figur 12 den Kopfbereich in einer perspektivischen Schnittansicht in einer zweiten Schaltstellung,

Figur 13 den Fußbereich der Kupplungsstation,

Figur 14 einen Teil des Fußbereichs,

Figur 15 eine Kopplungseinheit.

Von den drei eingangs erläuterten möglichen Varianten der Erfindung wird die erste Variante anhand der Zeichnungen näher erläutert, bei welcher die Antriebseinheit, die Kopplungsstation und die Stelleinheit jeweils voneinander getrennt ausgebildet sind unter Verwendung von als Seilzügen ausgebildeten Übertragungsmitteln beliebig relativ zueinander platziert werden können. Anstelle der Seile können wahlweise aber auch andere Übertragungsmittel wie Ketten, Riemen, Wellen, Gestänge oder andere zur Bewegungs- und Kraftübertragung geeignete Bauelemente eingesetzt werden, die funktionell die gleiche Aufgabe übernehmen können.

In der Figur 1 ist der Einsatz eines mit Seilzügen betriebenen Fernmanipulations- systems 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 als Übertragungseinheit 4 mit der Stelleinheit 5 verbunden. Ferner ist die Kopplungsstation 3 über einen antriebsseitige Seilzugmechanismus Übertragungseinheit 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 die Übertragungsmittel Stellbewegungen auf die Kopplungsstation 3 übertragen, insbesondere auf deren antriebsseitigen Seilzugmechanismus als Übertragungseinheit 2. Der antriebsseitige Seilzugmechanismus als Übertragungseinheit 2 der Kopplungsstation 3 ist mit einem abtriebsseitigen Seilzugmechanismus als Übertragungseinheit 4 der Kopplungsstation 3 verbunden. Hierüber werden die Stellbewegungen der Antriebseinheit 1 über die Übertragungsmittel auf die Übertragungseinheit 4 an die Stelleinheit 5 übertragen.

Die Figur 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 der antriebsseitigen Übertragungseinheit 2 von der Bedienperson 9 bewegt werden können. Diese Seilbewegungen werden über die antriebsseitigen Seilzüge auf die antriebsseitige Übertragungseinheit 2 der Kopplungsstation 3 übertragen und von dieser dann über den abtriebsseitigen Übertragungseinheit 4 auf die mit der Stelleinheit 5 verbundenen Seile übertragen.

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 Figuren 3 bis 5 näher erläutert wird.

Wie in den Figuren 3 bis 5 erkennbar ist, ist der Kopfbereich 30 modular aufgebaut. Er weist 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.

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.

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 Figuren 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.

Man erkennt in den Figuren 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 sich gegenüber diesem 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.

Die Abtriebszahnräder 38 können in verschiedenen Schaltstellungen betrieben werden. In der in den Figuren 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.

Über Spannschrauben 42 können die Seilzüge bzw. die einzelnen Seile gespannt werden. Die Figur 6 verdeutlicht anhand einer schematischen Ausschnittdarstellung 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 Figur 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 .

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.

Wie z. B. die Figur 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.

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.

Die Figur 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.

Die Figur 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.

Die Figur 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.

Das Einschubmodul 34 ist vergleichbar aufgebaut, wobei die Figur 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.

Der Sicherungsstift 63 erfüllt im Rahmen der Überiastschutzvorrichtung zudem die Funktion einer Bruchkante für die als Sollbruchstelle dienenden Querriegel 64.

Die Figuren 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. Die Figur 11 zeigt das Schaltelement 72 in der ersten Schaltstellung, die Figur 12 in der zweiten Schaltstellung.

Die Figur 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.

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 Figur 14 zeigt die Anordnung des

Laufelements 85 unterhalb des Oberbauteils 84. Das Unterbauteil 81 ist in diesem Fall nicht mit dargestellt.

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 Figur 15 zeigt die einzelnen Elemente der Kopplungseinheit 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.

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 ver stet werden. Zum Lösen der Verrostung ist ein manuell bedienbares Betätigungselement 91 vorhanden, das über eine elastische verformbare Verbindung mit dem Aufnahmeelement 89 gekoppelt ist.