(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
−  医療用光学機器（２）、
−  ジョイント（８、９、１０、１１、１２）を介して少なくとも１つの運動自由度で互いに可動式に接続される少なくとも２つの保持アーム（３、４、５、６）と、前記２つの保持アーム（３、４、５、６）に接続されているアクチュエータ（１４、１５）とを備え、それにより、前記アクチュエータ（１４、１５）を介して前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間で前記運動自由度の方向に力が加えられる、保持装置（１）、および
−  前記アクチュエータ（１４、１５）に調節要素（２４）を介して第１の制御信号を出力する第１のレギュレータ（２２）を含むコントロールユニット
を有し、
前記医療用光学機器（２）は前記保持装置（１）に装着されている、医療装置において、
前記コントロールユニットは、前記ジョイントでの運動学的状態を測定する手段（２１）、および前記調節要素（２４）を介して前記アクチュエータ（１４、１５）に第２の制御信号を出力する第２のレギュレータ（２３）を含み、および
前記コントロールユニットは、第１の動作状態および第２の動作状態に設定され得るように構成されており、
前記第１の動作状態では、前記アクチュエータ（１４、１５）は、前記第１のレギュレータ（２２）および前記調節要素（２４）を介して、前記ジョイント（８、９、１０、１１、１２）で測定された前記運動学的状態に応じて位置調整式に制御され、それにより、前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間の相対的な位置が、前記保持装置（１）または前記医療用光学機器（２）に対する外部または内部の影響とは少なくとも実質的に無関係に維持され、
前記第２の動作状態では、前記アクチュエータ（１４、１５）は、前記第２のレギュレータ（２３）および前記調節要素（２４）を介して力調整式に制御され、それにより、前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間の相対的な動きが可能にされることを特徴とする、医療装置。
【請求項２】
前記コントロールユニットは、前記第２の動作状態では、前記第２のレギュレータ（２３）を介して、前記ジョイント（８、９、１０、１１、１２）で測定された運動学的状態に応じて前記アクチュエータ（１４、１５）を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の医療装置。
【請求項３】
前記コントロールユニットは、前記アクチュエータ（１４、１５）によって生成された力を決定する手段（２８）を含むことと、前記コントロールユニットは、前記第２の動作状態では、前記アクチュエータ（１４、１５）が前記第２のレギュレータ（２３）を介して、前記測定された力に応じて制御されるように構成されていることとを特徴とする、請求項１または２に記載の医療装置。
【請求項４】
使用者によって作動され得る可能化ユニット（２７）であって、前記可能化ユニット（２７）の作動によって、前記コントロールユニットの前記第１の動作状態から前記第２の動作状態への変更またはその逆の変更が引き起こされるように構成されている、可能化ユニット（２７）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の医療装置。
【請求項５】
前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間の相対的な動きを阻止する手段（３１）を有することと、前記コントロールユニットは、前記アクチュエータ（１４、１５）によって生成された前記力の限界値が超えられると、前記相対的な動きが阻止されるように構成されていることとを特徴とする、請求項３または請求項３に係る請求項４に記載の医療装置。
【請求項６】
−  前記コントロールユニットを前記第１の動作状態にする方法ステップであって、前記ジョイントでの運動学的状態が測定され、かつ前記第１のレギュレータ（２２）および前記調節要素（２４）を介して、前記アクチュエータ（１４、１５）が、前記測定された運動学的状態に応じて位置調整式に制御され、それにより、前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間の相対的な位置が少なくとも実質的に維持される、方法ステップ；および
−  前記コントロールユニットの前記動作状態を前記第２の動作状態に変更する方法ステップであって、前記アクチュエータ（１４、１５）が前記第２のレギュレータ（２３）および前記調節要素（２４）を介して力調整式に制御され、それにより、前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間の相対的な動きが可能にされる、方法ステップ
を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の医療装置を動作させる方法。
【請求項７】
前記動作状態間の前記変更は、可能化ユニット（２７）の作動によって開始されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のレギュレータ（２２）および前記第２のレギュレータ（２３）は、前記変更直後の前記第２の動作状態において外力の影響がない状態で、前記アクチュエータ（１４、１５）によって加えられる力が、前記変更直前の前記第１の動作状態において前記アクチュエータ（１４、１５）によって加えられる力と１０％未満だけ異なるように、互いに適合されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
【請求項９】
前記アクチュエータ（１４、１５）によって生成された力が測定され、および
限界値が超えられる場合、前記２つの保持アーム（３、４、５、６）間の相対的な動きを阻止する手段（３１）が作動され、前記手段により、前記相対的な動きが制動および／または抑制されることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用光学機器および保持装置を有する医療装置に関する。保持装置は、少なくとも２つの保持アームを含み、これらの保持アームは、ジョイントを介して、少なくとも１つの運動自由度で互いに可動式に接続される。さらに、保持装置は、２つの保持アームに接続されているアクチュエータを有し、それにより、アクチュエータを介して２つの保持アーム間で運動自由度の方向に力が加えられ得る。医療用光学機器は保持装置に装着される。コントロールユニットが、アクチュエータに調節要素を介して第１の制御信号を出力する第１のレギュレータを含む。
【背景技術】
【０００２】
多くの医療処置では、医療用光学機器を使用して、患者を検査または治療する。これらの機器は、関節式保持装置に装着されることが多く、それらの機器は、作業空間内の異なる位置に位置決めされ、かつ適切な場合には、そこで所望の方向に向けられ得る。手術中、例えば、外科用顕微鏡による手術部位の視野角を修正するために、または治療用レーザのビーム方向を修正するために、医療用光学機器の位置および任意選択的に向きを変更する必要があることが多い。そのため、医療用光学機器が空間内で規定された位置に保持される静止期と、医療用光学機器が１つの位置から別の位置へ移される移動期とが頻繁に交代される。
【０００３】
移動期では、医療用光学機器は、使用者によって可能な限り滑らかに、すなわち最小限の物理的力を加えることによって、開始位置から終了位置まで移されることができるようにされている。従来技術から、ジョイントにアクチュエータを備える保持装置を提供し、このアクチュエータは、スタンドの動きを支援するかまたは動きを実際に可能にすることが分かっている。
【０００４】
（特許文献１）には、保持装置に装着された外科用顕微鏡の形態の医療用光学機器を含む医療装置が開示されている。外科用顕微鏡をフォースフリーで動かすために、医療装置は、保持装置のジョイントに電動モータを有する。ロータリージョイントの角度設定は、位置センサーによって検出される。電流制御曲線は、電子メモリ内に記憶されており、および電流値はこれらの電流制御曲線から、検出された角度設定に応じて決定され得る。電流値は、検出された角度設定から、電流制御曲線を用いて決定され、その電流値によって電動モータが給電され、それにより、規定されたトルクが電動モータ内で生成される。このようにして、静荷重トルクは、電動モータにおいて生成された逆トルクによって補償され、それにより、外科用顕微鏡が見かけの力を全く用いずに使用者によって動かされ得る。しかしながら、（特許文献１）による医療装置は、使用者が積極的に医療装置を動かさないかまたはそれを空間内のある位置に保持しないときの無誘導状態において、欠点を有する。この場合、ドリフト、すなわち、設定位置から離れるような医療用光学機器のクリーピングの動きが生じ得る。医療装置の別の欠点は、保持装置または外科用顕微鏡に対する（不注意な）衝突によって、制御できない動きを生じることであり、これは、外科手術の状況では回避すべきものである。
【０００５】
制御できない動きを回避するために、従来技術から、いくつかまたは全ての保持装置の運動自由度を抑制するために使用者によって作動され得るブレーキを備える保持装置を提供し、空間内における医療用光学機器の位置および／または向きを維持することが知られている。例えば、文献（特許文献２）、（特許文献３）および（特許文献４）には、ブレーキを備える保持装置が開示されている。しかしながら、ブレーキを使用する欠点は、ブレーキが、システム全体をより複雑にし、振動の傾向へと促す柔軟性を有し、および一般的に、手術中、多数回にわたり能動的に開閉される必要があり、これにより、手術の進行を妨害することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２００４  ０６３  ６０６  Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０１  ４４  ０３３  Ａ１号明細書
【特許文献３】独国実用新案第２０２  １８  ６９３  Ｕ１号明細書
【特許文献４】独国実用新案第２０  ２００７  ００３  ８２２  Ｕ１号明細書
【特許文献５】独国特許第１０  ２００４  ０６３  ６０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、医療用光学機器および動きが制御される保持装置を備え、固定した定常状態が確保されるような医療装置を開発することである。別の目的は、この種の医療装置に好適な動作方法を供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
目的は、請求項１の特徴を有する医療装置によって、および請求項６の特徴を有する方法によって達成される。
【０００９】
本発明によれば、医療装置のコントロールユニットは、ジョイントでの運動学的状態を測定する手段、および調節要素を介してアクチュエータに第２の制御信号を出力する第２のレギュレータを含む。コントロールユニットは、第１の動作状態および第２の動作状態に設定され得るように構成されており、第１の動作状態では、アクチュエータは、第１のレギュレータおよび調節要素を介して、ジョイントで測定された運動学的状態に応じて位置調整式に制御され、それにより、２つの保持アーム間の相対的な位置が、保持装置または医療用光学機器に対する外部または内部の影響とは少なくとも実質的に無関係に維持され、第２の動作状態では、アクチュエータは、第２のレギュレータおよび調節要素を介して力調整式に制御され、それにより、２つの保持アームの間の相対的な動きが可能にされる。
【００１０】
本発明に関連して、用語「力」は、有向の縦力およびまた回転軸の周りで作用するトルクの両方を意味すると理解されたい。類似して、用語「力の調整」および「力調整される」は、有向の縦力の調整に限定されるものではなく、トルクの調整も含む。
【００１１】
本発明の意味の範囲内で、「運動学的状態の測定」は、１つ以上の運動学的変数の測定であると理解されたい。特に、これは、回転角度もしくは並進偏位、角速度もしくは並進速度、および角加速度もしくは並進加速度、または前記変数の組み合わせの測定を含む。運動学的状態を測定する手段は、例えば、１つ以上の運動学的変数をジョイントで直接的に、または空間内の医療用光学機器の位置を追跡する装置を用いて間接的に測定することによって、およびジョイントでの運動学的変数に逆算することによって、ジョイントでの運動学的状態を決定するように構成されている。
【００１２】
コントロールユニットが第２の動作状態に設定される医療装置の操作中、アクチュエータは、力の調整下で制御される。このようにして、２つの保持アーム間の相対的な動きは、保持装置または医療用光学機器に外力を加えることによって可能にされる。調整の構成に依存して、外力はまた非常に小さくでき、それにより、使用者はほとんど全く力を用いずに医療用光学機器を動かすことができる。コントロールユニットの第１の動作状態への変更後、アクチュエータは、位置の調整下で制御される。この変更は、好ましくは、医療用光学機器が空間内の規定された箇所、例えば動作状態の変更が開始されるときに位置する箇所に保持されるときに行われる。位置の調整は、特に、また、外力または内力が医療用光学機器または保持装置に影響を及ぼすとき、医療用光学機器が設定箇所に確実に留まるようにする。本発明による医療装置のさらなる利点は、医療用光学機器を作業空間内の所望の位置に保持するためのブレーキの使用を省くことが可能であること、または例えば安全上の理由から存在し得る現存のブレーキがより小さい寸法を有し得ることである。
【００１３】
本発明の一実施形態では、コントロールユニットは、第２の動作状態では、第２のレギュレータを介して、ジョイントで測定された運動学的状態に応じてアクチュエータを制御するように構成されている。このようにして、特に、運動学的状態を測定するためのアクチュエータの位置調整の制御中にコントロールユニットの第１の動作状態で使用されるものと同じセンサーを、アクチュエータの力調整または力制御式の制御中、コントロールユニットの第２の動作状態において、場合により異なる運動学的状態を測定するために使用することが可能である。このようにして、第１の動作状態および第２の動作状態における、コントロールユニットを備える医療装置の動作には、少数のセンサーで十分である。
【００１４】
本発明の別の実施形態では、コントロールユニットは、アクチュエータによって生成された力を決定する手段を含み、およびコントロールユニットは、第２の動作状態では、アクチュエータが第２のレギュレータを介して、測定された力に応じて制御されるように構成されている。このようにして、第２の動作状態に関し、力を特に精密に調節することによって区別される力レギュレータが得られる。
【００１５】
本発明の別の実施形態では、医療装置は、使用者によって作動され得る可能化ユニットであって、可能化ユニットの作動によって、コントロールユニットの第１の動作状態から第２の動作状態への変更または逆の変更が引き起こされるように構成されている、可能化ユニットを含む。そのため、可能化ユニットを用いて、医療装置は、そのように要求されるとき、規定された力を加えることによって医療用光学機器の動きが可能にされる状態（コントロールユニットの第２の動作状態）、または医療用光学機器が空間内で規定された位置および／または向きに固定して保持される状態（コントロールユニットの第１の動作状態）に使用者により設定され得る。
【００１６】
本発明の別の実施形態では、医療装置は、２つの保持アーム間の相対的な動きを阻止する手段を有し、およびコントロールユニットは、アクチュエータによって生成された力の限界値が超えられると、相対的な動きが阻止されるように構成されている。相対的な動きを阻止する手段の作動は、安全機構を構成し、この安全機構は、例えば、異常に強い外力、誤動作または制御エラーの影響によって引き起こされる、アクチュエータ、保持アームまたは医療装置の他の部分の過荷重の危険性を低下させ得る。その代わりにまたはそれに加えて、保持装置の保持アームまたは医療用光学機器の個々の、いくつかの、または全ての運動学的状態変数の限界値はまた、コントロールユニット内の、例えば空間的に固定された好適な座標系で定義され得る。限界値はまた、例えば患者からの医療用光学機器の最小距離を保証するために、作業空間内での保持装置の臨界的な設定が回避されるように構成され得る。
【００１７】
本発明による医療装置を動作させる方法は、
−  コントロールユニットを第１の動作状態にする方法ステップであって、ジョイントでの運動学的状態が測定され、かつ第１のレギュレータおよび調節要素を介して、アクチュエータが、測定された運動学的状態に応じて位置調整式に制御され、それにより、２つの保持アーム間の相対的な位置が少なくとも実質的に維持される、方法ステップ；および
−  コントロールユニットの動作状態を第２の動作状態に変更する方法ステップであって、アクチュエータが第２のレギュレータおよび調節要素を介して力調整式に制御され、それにより、２つの保持アーム間の相対的な動きが可能にされる、方法ステップ
を含む。
【００１８】
その代わりにまたはそれに加えて、本発明による方法はまた、逆の順序で実施され得る、すなわち、コントロールユニットを第２の動作状態に設定することによって開始し、その後、コントロールユニットの動作状態を第１の動作状態に変更する。さらに、コントロールユニットの動作状態間の複数回の変更も可能である。本発明の範囲から逸脱せずに、第１の動作状態から第２の動作状態への変更またはその逆の変更の間のコントロールユニットはまた、さらなる動作状態を取ることができ、この状態では、医療用光学機器は、例えば調整されることなく、使用者によって保持装置に誘導されるか、またはアクチュエータもしくはいくつかのジョイントのいくつかのアクチュエータを用いて、作業空間内の１つの位置から別の位置へ規定された方法で動かされる。この場合、可能化ユニットは、好ましくは、使用者によって異なる動作状態が選択され得るように構成される。
【００１９】
本発明による方法は、医療用光学機器が、一方では、コントロールユニットの力調整の動作状態において、使用者が規定された力を加えることにより、またはさらには、ほとんど力のない状態で、１つの位置から別の位置へもたらされることができることと、他方では、位置調整の動作状態において、機器または保持装置に対する外力または内力の影響下でも作業空間内での医療用光学機器の確実な位置決めが保証されることとによって区別される。
【００２０】
方法の一実施形態では、動作状態間の変更は、可能化ユニットの作動によって開始される。本発明の範囲から逸脱せずに、この場合、第１の動作状態から第２の動作状態への変更またはその逆の変更は、一回または数回連続して開始され得る。
【００２１】
方法の別の実施形態では、第１のレギュレータおよび第２のレギュレータは、変更直後の第２の動作状態において外力の影響がない状態で、アクチュエータによって加えられる力が、変更直前の第１の動作状態においてアクチュエータによって加えられる力と１０％未満だけ、好ましくは５％未満だけ、一層好ましくは１％未満だけ異なるように、互いに適合されている。このようにして、アクチュエータによって加えられる力または動作状態間の移行時のモーメントにおける急激な変化を減少させるまたは回避することが可能である。この態様は、医療用光学機器の突然の動き（例えば、重力に起因する沈む動き）を回避するために、位置調整の動作状態から力調整の動作状態への移行において特に重要である。
【００２２】
方法の別の実施形態では、アクチュエータによって生成された力が測定され、および限界値が超えられる場合、２つの保持アーム間の相対的な動きを阻止する手段が作動され、その手段により、相対的な動きが制動および／または抑制される。それにより、安全機構が設けられ、例えば、医療装置の過荷重の危険性を回避し得る。
【００２３】
本発明は、図面を参照して下記でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による医療装置の第１の実施形態を示す。
【図２】アクチュエータへの医療装置のロータリージョイント接続部を示す。
【図３】本発明による方法の第１の例示的な実施形態を示す。
【図４】本発明による方法の第２の例示的な実施形態を示す。
【図５】本発明による医療装置の第２の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明による医療装置の第１の例示的な実施形態が図１に示されている。医療装置は、外科用顕微鏡２の形態の医療用光学機器を有し、この外科用顕微鏡は、スタンド１の形態の保持装置に装着されている。
【００２６】
手術中、空間内で外科用顕微鏡の位置を変更する必要があることが多い。特定の適用例に依存して、これらの変化は、位置の変更、かつまた空間内での外科用顕微鏡の角度方向の変更または前記変更の組み合わせを伴い得る。これを達成できるようにするために、スタンド１は、いくつかの保持アーム３、４、５、６を含み、これらの保持アームは、ジョイント接続部８、９、１０、１１、１２を介して互いに接続されている。
【００２７】
スタンドは、垂直に配置された第１の保持アーム３を有し、この保持アームは、垂直に配置された回転軸を有する第１のロータリージョイント７を介して床に接続されている。この代替形態として、第１の保持アーム３はまた、ローラを備えることができる床板に固定されることができ、医療装置を公開手術室に運ぶことができるようにする。第１のロータリージョイント７によって、スタンド全体は、それに固定された外科用顕微鏡２と一緒に、垂直回転軸の周りで旋回され得る。第１の保持アーム３は、水平に配置された回転軸を有する第２のロータリージョイント８を介して、第２の保持アーム４に接続され、この保持アームは、この例示的な実施形態では、平行四辺形構造として設計されている。平行四辺形構造は、第３のロータリージョイント９、第４のロータリージョイント１０および第５のロータリージョイント１１を含み、それらの回転軸は、第２のロータリージョイント８の回転軸と平行に配置されている。平行四辺形構造の上部アームは、第３の保持アーム５として設計され、かつ第５のロータリージョイント１１を越えて延在する。第３の保持アーム５の他方の端部に第６のジョイント１２を介して前部コネクタロッド６が配置されており、その前部コネクタロッド６上に、第７のジョイント１３を介して外科用顕微鏡２が同様に装着されている。第６のジョイント１２および第７のジョイント１３は、いくつかの運動自由度を備えて、例えばいくつかの回転軸および／またはいくつかの並進運動自由度を備えて構成され得る。
【００２８】
スタンド１のジョイントの１つ、いくつかまたは全てでは、アクチュエータは、スタンドの動きが支援され得るかまたは実施され得るように提供される。この例示的な実施形態では、アクチュエータは、第１のアクチュエータ１４および第２のアクチュエータ１５の例を使用して説明される。第１のアクチュエータ１４は、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間に配置され、それにより、第１のアクチュエータ１４の作動によって、第２の保持アーム４の、およびそれに配置された別のスタンド要素の、全体としての第２のロータリージョイント８の回転軸の周りでの回転が生じる。第２のアクチュエータ１５は、第２の保持アーム４の平行四辺形構造の内部に配置されて、第２のアクチュエータの作動によって、平行四辺形構造内の変位を生じさせ、それにより、第３の保持アーム５が第５のジョイント１１の周りで傾斜する。その代わりにまたはそれに加えて、本発明の一般概念を限定することなく、スタンドの他のジョイントにさらなるアクチュエータが設けられ得る。
【００２９】
本発明による医療装置のためのロータリージョイント接続部の構造は、図２に示す、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間の接続部に基づいて、下記で詳細に説明される。この例示的な実施形態では電動モータとして設計される第１のアクチュエータ１４は、保持アーム３と４との間に配置される。電動モータ１４は、第１の保持アーム３に支持されるステータ２０、およびまた第２の保持アーム４に取り付けられる、シャフト１６を備えるロータ１９を含む。電動モータ１４によって、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間にトルクが生成され得る。
【００３０】
シャフト１６は、第１の軸受ユニット１７および第２の軸受ユニット１８を介して第１の保持アーム３に支持される。シャフト１６、第１の軸受ユニット１７および第２の軸受ユニット１８は、一緒に、２つの保持アーム間で第２のロータリージョイント８を形成する。第２の保持アーム４は、第１の保持アーム３に対して、シャフト１６の縦軸の周りで回転可能であり、それにより、第２のロータリージョイント８が回転運動自由度を有する。
【００３１】
医療装置は、さらに、コントロールユニットを含み、コントロールユニットは、角度センサー２１の形態の運動学的状態を測定する手段、第１のレギュレータ２２、第２のレギュレータ２３および調節要素２４を含む。
【００３２】
角度センサー２１は、第１の保持アーム３とシャフト１６との間に配置されるため、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間の角度を測定するのに好適である。測定された角度は、信号線２５を経由して第１のレギュレータ２２および／または第２のレギュレータ２３に供給され得る。
【００３３】
任意選択的に、コントロールユニットは、第１のアクチュエータ１４によって生成された力を決定するかまたは第１のアクチュエータ１４によって生成されたトルクを決定する手段を含むことができ、この手段は、この例示的な実施形態ではトルクセンサー２８として構成される。トルクセンサー２８の出力信号は、第３の信号線２９を経由して第１のレギュレータ２２および／または第２のレギュレータ２３に供給され、この信号は、第１のレギュレータ２２および／または第２のレギュレータ２３の制御アルゴリズム用の入力変数として使用され得る。
【００３４】
第１のレギュレータ２２は、位置レギュレータとして構成される。これに関連して、用語「位置レギュレータ」または「位置調整」は、レギュレータが、従来技術から公知の制御アルゴリズムを使用することにより、１つ以上の測定された運動学的変数またはそれから導かれる変数を整定値と比較することによって、出力信号を生成するように構成されており、この出力信号は、調節要素において、アクチュエータ用の操作変数（一般的に電流）に変換され、それにより、アクチュエータが、特にはさらに外力または内力の影響下で、規定された位置を少なくとも実質的に維持するか、または規定された動きを実行することを示す。
【００３５】
第１のレギュレータ２２は、好ましくは、能動的な振動減衰のための制御アルゴリズムを含む。一層好ましくは、第１のレギュレータの制御アルゴリズムは、調節可能なパラメータを含み、それにより、調整されるシステム内の減衰および／またはスティフネスが調節可能である。補足的な例示的実施形態では、医療装置は、空間内での医療用光学機器および／または保持装置の運動学的状態を決定および監視する追跡システムを含む。決定された運動学的状態は、制御線を経由してコントロールユニットに供給され、かつ第１のレギュレータ２２および／または第２のレギュレータ２３の制御アルゴリズム用のさらなる入力変数の機能を果たす。さらなる入力変数を使用することによって、制御精度および／または速度を改善した制御アルゴリズムの使用を可能にする。
【００３６】
第２のレギュレータ２３は力レギュレータを含む。これに関連して、用語「力レギュレータ」または「力調整」は、レギュレータが、従来技術から公知の制御アルゴリズムを使用することにより、１つ以上の測定された力もしくはトルクまたはそれらから導かれる変数を整定値と比較することによって、出力信号を生成するように構成されており、この出力信号は、調節要素において、アクチュエータ用の操作変数（一般的に電流）に変換され、それにより、アクチュエータが、規定された力または規定されたトルクをその両側に配置されている構造要素に加えることを示す。あるいは、出力信号はまた、（特許文献５）に開示されているものと同様に、測定された運動学的状態（例えば並進または回転位置、速度および／または加速度）に応じて、記憶された制御曲線から導かれ得る。
【００３７】
レギュレータ２２、２３は、それ自体が公知であるように、古典的なリニアレギュレータとして、例えばＰＩＤレギュレータとして、または状態レギュレータ、ファジーレギュレータ、適応レギュレータ、自己学習レギュレータとして、またはいくつかの他の方法では、中心、分散もしくはカスケードレギュレータアーキテクチャを備えて構成され得る。
【００３８】
例示的な実施形態では、第１のレギュレータ２２および第２のレギュレータ２３は、さらなる信号線２６を経由して、可能化ユニット２７に接続され、その可能化ユニットによって、使用者は、下記で詳細に説明するように、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間の相対的な動きを選択的に有効にできるかまたは抑止できる。可能化ユニットは、例えば、手動スイッチ、口で操作するスイッチ、足踏みスイッチ、タッチスクリーン、または音声制御もしくはジェスチャー制御システムとして構成され得る。
【００３９】
調節要素２４は、パワーエレクトロニクスを含み、それを用いて、第１のレギュレータ２２の出力信号は第１の操作変数に変換され、および第２のレギュレータ２３の出力信号は第２の操作変数に変換され、これらの変数は、この例示的な実施形態では、いずれの場合も、第１のアクチュエータ１４用の電流である。操作変数は、電流線２９を経由して第１のアクチュエータ１４に供給される。本発明の一般概念を限定することなく、調節要素２４はまた、第１のレギュレータ２２および第２のレギュレータ２３に異なるパワーエレクトロニクスを含み得る。
【００４０】
医療装置を動作させる方法が、下記で、図３を参照して説明される。手術中、可能化ユニット２７が使用者によって作動されたかどうかを確認するために、継続的にチェックが行われる。可能化ユニット２７が作動された場合、第２のレギュレータ２３が、アクチュエータの力調整の制御に使用される。この動作モードでは、外科用顕微鏡２は、使用者が規定された力を加えることによって、空間内で動かされ得る。第２のレギュレータ２３は、少なくとも多かれ少なかれ完全にアクチュエータ１４、１５または保持装置のアクチュエータによって、作業空間内での保持装置１の一部、いくつかまたは全ての位置において、定常状態における荷重モーメントが補償されるように構成され得る。このようにして、外科用顕微鏡２は、使用者によって、ほとんど力のない状態で、作業空間において１つの位置から別の位置へ動かされる。作業空間は、ここでは、保持装置１によって予め規定された運動学的制約を考慮して、外科用顕微鏡２が取ることができる位置の総和として理解される。
【００４１】
対照的に、可能化ユニット２７が作動停止されると、第１のレギュレータ２２が、アクチュエータ１４、１５の位置調整の制御に使用される。この動作モードでは、外科用顕微鏡２は、特にまた外力または内力の影響下で、少なくともほとんど常に、作業空間内においてある位置におよび／またはある向きでアクチュエータ１４、１５によって保持される。動作中、外力または内力は、例えば、使用者が（不注意に）機器に衝突するかまたは機器に寄りかかることによって、または地盤振動の伝達によって、または取り付けられた補助装置（ポンプ、ファンなど）の振動によって生じ得る。
【００４２】
第１のレギュレータ２２および第２のレギュレータ２３は、特に好ましくは、２つのレギュレータ間の変更中に、第１のアクチュエータ１４によって生成された力またはモーメントが少なくともほとんど同じレベルに維持されるように、互いに適合される。換言すると、２つのレギュレータのうちの一方での制御の結果として、変更直前の第１のアクチュエータ１４によって生成された力は、他方のレギュレータでの制御の結果として、変更直後の第１のアクチュエータ１４によって生成された力と１０％未満だけ、好ましくは５％未満だけ、一層好ましくは１％未満だけ異なる必要がある。これにより、変更中の保持装置１およびそれに配置された外科用顕微鏡２の望まれない突然の動きをなくすことを保証する。
【００４３】
図４は、医療装置を動作させる方法の変形形態を示す。この方法は、主に、力の調整から位置の調整へ変更する最中に移行調整が作動される点で図３のものと異なる。移行調整は、外科用顕微鏡２が動いている最中に可能化ユニット２７が作動停止されるとき、すなわち、動いている最中に、第２のレギュレータ２３が作動停止され、および第１のレギュレータ２２が作動され、そのため、力の調整から位置の調整に切り替えられるときに特に重要である。この場合、移行調整は、定常状態に達するまで、保持装置１の制動を調整する。例示的な一実施形態では、移行調整はこのために構成され、それにより、外科用顕微鏡２が装着された保持装置１が、オーバーシューティングすることなく、可能な限り迅速に定常状態になる。これは、システムが、可能化ユニット２７が作動停止された位置で停止されない結果であるものの、制動プロセス中に振動がないか、または振動が実質的にない。代替的または補足的な例示的実施形態では、移行調整は、保持装置１および／または外科用顕微鏡２が、可能化ユニット２７が作動停止されるとそれらが配置された位置にされるように構成される。位置のオーバーシューティングは、この例示的な実施形態では認められる。位置の調整への変更後、可能化ユニット２７は、連続的に監視され、かつ新たに作動する場合、再度、第１のアクチュエータ１４の力調整の制御に戻るように切り替えられる。
【００４４】
本発明による医療装置の別の例示的な実施形態が図５に示されている。同じ作用を有する構成要素は、図１の符号と同じ参照符号を付される。図５による例示的な実施形態は、図１による例示的な実施形態とは、静荷重トルクを補償する手段が保持装置１に提供されていることが異なり、この手段は、この例示的な実施形態では、カウンターウェイト３０として構成されている。カウンターウェイトを用いて、生じる静荷重トルクの一部または全てを補償することが可能であり、定常状態における保持装置の均衡状態を保つのを支援し得る。このようにして、最大でも、均衡位置に保持装置を保持するために必要なトルクの一部のみが、アクチュエータによって加えられる必要があるにすぎないため、第１のアクチュエータ１４および第２のアクチュエータ１５は無荷重にされる。そのため、アクチュエータ１４、１５は、小さい寸法を有し得る。
【００４５】
代替的または補足的な例示的実施形態では、静荷重トルクを補償する手段はまた、力要素、例えばバネ、空気圧装置またはさらなるアクチュエータを含むことができ、その力またはモーメントは、保持アーム間に加えられ得、それにより、医療装置の均衡状態を保つことが支援される。
【００４６】
任意選択的に、図２に示すような医療装置は、シャフト１６と第１の保持アーム３との間に配置されるブレーキ３１を含み得る。ブレーキ３１は、第３の制御線３２を介してコントロールユニットに接続される。アクチュエータまたはアクチュエータ１４、１５によって加えられた力もしくはモーメントまたは測定された力もしくはモーメント用の限界値が、コントロールユニットのメモリに記憶される。限界値が超えられる場合、ブレーキ３１が作動されて、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間の相対的な動きが少なくとも制動されるか、好ましくは抑制される。そのため、例えば、異常に強い外力、誤動作または制御エラーの影響によってアクチュエータ１４、１５、保持アーム３、４、または医療装置の他の部分の過荷重を引き起こす危険を低下させる安全機構が提供される。
【００４７】
ブレーキ３１は、好ましくは、第１のアクチュエータ１４によって生成され得る最大トルクを加えても、保持アーム３および４間の相対的な動きが効果的に抑制され得るような寸法にされる。
【００４８】
例示的な実施形態では、本発明を、主に、第１の保持アーム３と第２の保持アーム４との間の第１のアクチュエータ１４に基づいて説明した。本発明の一般概念を限定することなく、さらなるアクチュエータが、他の保持アーム間におよび／または前部コネクタロッド６と外科用顕微鏡２との間に設けられることができ、それらのさらなるアクチュエータを用いて、対応するジョイント接続部によって予め規定された１つ以上の運動自由度の方向に力またはモーメントを生成することが可能であり、およびこれは、対応するコントロールユニットによって制御され得る。
【００４９】
本発明は、保持装置の図示の構成に限定されず、その代わりに、異なる数の運動自由度を備える異なる構成の保持装置にも適用され得る。本発明による医療装置の保持装置は、一般的に、保持アーム間に、並進およびまた回転式の両方の単一または複数のジョイント接続部を含むことができ、そこに、適合されたアクチュエータが配置されて、縦力および／またはトルクを生成する。アクチュエータは、例えば、ＤＣモータ、ＤＣＢＬモータ、ステップモータ、圧電アクチュエータまたは進行波型モータとして電気的に構成され得る。あるいは、使用されるアクチュエータはまた、シリンダー駆動、膜駆動またはいわゆる「空気圧式筋肉」の形態であり得る。その代わりにまたはそれに加えて、同様に、液圧式シリンダー駆動、ギアエンジン、ブレードエンジンまたはピストンエンジンを使用することも考えられる。
【００５０】
本発明による医療装置、および本発明によるその動作方法は、一方では、規定された力を加えることにより、またはほとんど力がない状態で、医療用光学機器を作業空間内の１つの位置から作業空間内の別の位置まで動かすことが可能であることと、他方では、必要に応じて、空間内の規定された位置および／または向きに医療用光学機器を確実にかつ制御式に維持することが可能であることとによって区別される。さらに、コントロールユニットが位置レギュレータおよび力レギュレータを備えることによって、医療装置の動作においてブレーキの使用を省くことを可能にすることを意味する。医療用光学機器を固定するためのブレーキの使用は、多数の欠点をもたらす。作業空間内の異なる位置に保持装置を確実に保持できるようにするのに十分な寸法にされたブレーキは、一般的に大きく、重く、かつ高価である。ブレーキライニングおよび／または保持装置へのブレーキの結合は、ある程度の柔軟性を有することが多く、および後者は、スタンドの振動を促進し、その振動は、任意選択的に、追加的なダンパーによって減衰される必要がある。さらに、摩擦ブレーキを使用して保持装置の動きが制動されるとき、磨耗した物質が発生することがあり、それが、ブレーキの作用を低下させ、かつシステム、および最悪の場合には手術部位の汚染をもたらし得る。これらの欠点の全てが、本発明による医療装置によって克服され得る。
【符号の説明】
【００５１】
１  保持装置
２  外科用顕微鏡
３、４、５、６  保持アーム
７、８、９、１０、１１、１２、１３  ジョイント
１４、１５  アクチュエータ
１６  シャフト
１７、１８  軸受ユニット
１９  ロータ
２０  ステータ
２１  角度センサー
２２、２３  レギュレータ
２４  調節要素
２５、２６  信号線
２７  可能化ユニット
２８  トルクセンサー
２９  信号線
３０  カウンターウェイト
３１  ブレーキ
３２  制御線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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