DE202013002572U1 - Reconfigurable ankle exoskeleton device - Google Patents

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Abstract

Nichtgeerdete, tragbare und rekonfigurierbare Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung, die aufweist: eine Basisplattform, die dem Bein des Benutzers gegenüberliegt, eine Bewegungsplattform, die dem Fuß des Benutzers gegenüberliegt; ein Verbindungselement, das die Basisplattform und die Bewegungsplattform verbindet, ein Gelenkelement, das das Verbindungselement mit der Basisplattform verbindet.An unguided, portable and reconfigurable exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement, comprising: a base platform facing the leg of the user, a movement platform facing the foot of the user; a link connecting the base platform and the motion platform, a link connecting the link to the base platform.

Description

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine nichtgeerdete, rekonfigurierbare, auf einem parallelen Mechanismus basierende, Kraftrückkopplung-Außenskelettvorrichtung für den menschlichen Fußknöchel. Die Vorrichtung findet hauptsächlich Verwendung als ein Gleichgewicht/Propriozeption-Trainer, wenngleich die Außenskelettvorrichtung auch für RoM/Kräftigung-Übungen (RoM: Bewegungsbereich) verwendet werden kann. Diese Vorrichtung wird auch für Metatarsophalangealgelenk-Übungen verwendet.The present invention relates to a non-grounded reconfigurable parallel mechanism force feedback exoskeleton device for the human ankle. The device is mainly used as a balance / proprioception trainer, although the exoskeleton device may also be used for RoM / Strengthening (RoM) exercises. This device is also used for metatarsophalangeal joint exercises.

Das Ziel der Rehabilitation ist, die physischen, sensorischen und neuronalen Fähigkeiten eines Patienten, die infolge einer Krankheit oder Verletzung beeinträchtigt wurden, wiederherzustellen. Fußknöchelrehabilitation ist üblicherweise notwendig nach Fußknöchelverstauchung, eine der häufigsten Verletzungen im Sport und im täglichen Leben [1]. Verluste von Funktionsfähigkeit, Fähigkeit, Gewicht zu tragen und Gelenkstabilität am Fußknöchel treten auch auf nach neurologischen Verletzungen als sekundäre Folge eines Schlaganfalls und Kontrakturverformung als sekundäre Folge einer zerebrovaskulären Erkrankung. Physiotherapeutische Übungen sind unerlässlich zur Wiederherstellung des Bewegungsbereichs (RoM: range of motion) des Gelenks, als Hilfe zur Wiederkräftigung von Muskeln für das Tragen von Gewicht, zur Förderung einer besseren Wahrnehmung der Gelenkposition (Propriozeption), zur Sicherstellung der Nervenintegrität und zur Wiedergewinnung des dynamischen Gleichgewichts.The goal of rehabilitation is to restore a patient's physical, sensory and neuronal abilities that have been compromised as a result of illness or injury. Ankle rehabilitation is usually necessary after ankle sprain, one of the most common injuries in sports and daily life [1]. Loss of function, ability to support weight and ankle joint stability also occur after neurological injury as a secondary consequence of stroke and contracture deformation as a secondary consequence of cerebrovascular disease. Physiotherapeutic exercises are essential for restoring the range of motion (ROM) of the joint, helping to re-enforce muscles for carrying weight, promoting better perception of joint position (proprioception), assuring nerve integrity, and regaining the dynamic balance.

Rehabilitation einer Fußknöchelverletzung wird allgemein in drei aufeinanderfolgenden Übungsphasen angegangen [2], [3]. Übungen in der frühen Phase konzentrieren sich zuerst auf Ermöglichen eines vollen RoM des Gelenks und danach Kräftigen von Fußknöchelmuskeln. Sobald der erforderliche RoM und die erforderliche Beweglichkeit erreicht ist und die Muskeln kräftig genug geworden sind, um teilweise Gewicht zu tragen, ohne Schmerz hervorzurufen, kann die mittlere Therapiephase begonnen werden, die sich konzentriert auf Verbesserung der Propiozeptionsfähigkeit durch Anwendung von statischen Gleichgewichtsübungen. In der Endphase der Therapie werden anspruchsvollere dynamische Gleichgewichtübungen durchgeführt.Rehabilitation of an ankle injury is commonly addressed in three consecutive exercise phases [2], [3]. Exercises in the early phase focus first on allowing a full ROM of the joint, and then strengthening ankle muscles. Once the required RoM and mobility is achieved and the muscles have become strong enough to partially support weight without causing pain, the middle therapy phase can be started focusing on enhancing propioceptor ability through the use of static balance exercises. In the final stages of therapy, more demanding dynamic balance exercises are performed.

Herkömmliche Rehabilitationsvorrichtungen, die zur Unterstützung der Physiotherapie verwendet werden, sind einfache passive Geräte, wie elastische Bänder und Fußknöchelrehabilitationsschuhe für Kräftigungs- und Dehnungsübungen; Wackelbretter und Schaumstoffrollen für Propriozeptions- und Gleichgewichtsübungen. RoM-Übungen werden im Allgemeinen manuell von einem Therapeuten durchgeführt. Obwohl diese Gerätetypen einfach und fixkosteneffektiv sind, mangelt es diesen herkömmlichen Vorrichtungen an der Möglichkeit, quantitative Messungen des Patientenfortschritts zu sammeln, Patientenhistorie für eine Neubewertung zu überwachen und individuelle interaktive Behandlungsprotokolle zu gewinnen. Von den Therapeuten wird verlangt, während des Übens mit diesen Vorrichtungen Körperlast der Bewegungstherapie zu tragen und dem Patienten ihre volle Aufmerksamkeit zu widmen.Conventional rehabilitation devices used to assist physiotherapy are simple passive devices such as elastic ligaments and ankle rehabilitation shoes for strengthening and stretching exercises; Rattling boards and foam rollers for proprioception and balance exercises. RoM exercises are generally performed manually by a therapist. While these types of devices are simple and fixed cost effective, these conventional devices lack the ability to collect quantitative measurements of patient progress, monitor patient history for reassessment, and gain individual interactive treatment protocols. Therapists are required to wear body-load of exercise therapy while practicing with these devices and to pay their full attention to the patient.

Heutzutage werden Rehabilitationsübungen mit Hilfe von Robotervorrichtungen durchgeführt. Assistierendes Unterstützen von sich wiederholenden und körperlichen Rehabilitationsübungen unter Verwendung von Robotervorrichtungen trägt nicht nur dazu bei, die körperliche Belastung einer Bewegungstherapie für die Therapeuten zu beseitigen, sondern verringert auch die mit der Anwendung zusammenhängenden Kosten. Zudem erlaubt eine robotervermittelte Rehabilitationstherapie quantitative Messungen des Patientenfortschritts und kann verwendet werden, um individuelle interaktive Behandlungsprotokolle zu verwirklichen.Today, rehabilitation exercises are performed using robotic devices. Assisting repetitive and physical rehabilitation exercises using robotic devices not only helps to eliminate the physical burden of exercise therapy for the therapist, but also reduces the cost associated with the application. In addition, robot-mediated rehabilitation therapy allows for quantitative measurements of patient progress and can be used to realize individual interactive treatment protocols.

Vorteilhafte Wirkungen von Protokollen roboterassistierter Rehabilitation sind aufgezeigt worden in Vergleich zu herkömmlicher Therapie durch klinische Versuche in der Literatur [4]. Die Notwendigkeit für roboterassistierte Rehabilitationsvorrichtungen für Fußknöchelphysiotherapie erkennend, sind bis heute verschiedene Konstruktionen vorgeschlagen worden. Girone et al. schlugen ein auf einer Stewart Plattform basierendes Kraftrückkopplung-Interface vor, genannt ”Rutgers Ankle” (Rutgers Fußknöchel) [5]. In [6] wurde ein auf virtueller Realität basierendes interaktives Trainingsprotokoll unter Verwendung des ”Rutgers Ankle” für orthopädische Rehabilitation implementiert. Das System wurde durch mehrere Fallstudien weiter untersucht [7] und [8]. Häusliche Fußknöchel-Telerehabilitation wurde in [9] angesprochen, während in [10] das System erweitert wurde zu einer für Gangsimulation und Rehabilitation zu verwendenden dualen Stewart-Plattformkonfiguration.Beneficial effects of protocols of robot assisted rehabilitation have been demonstrated in comparison to conventional therapy through clinical trials in the literature [4]. Recognizing the need for robotic rehabilitation devices for ankle physiotherapy, various designs have been proposed to date. Girone et al. proposed a Stewart platform based force feedback interface called "Rutgers Ankle" (Rutgers Ankle) [5]. In [6], a virtual reality-based interactive training protocol using the "Rutgers Ankle" for orthopedic rehabilitation has been implemented. The system has been further investigated by several case studies [7] and [8]. Home ankle telehabilitation was addressed in [9], while in [10] the system was expanded to a dual Stewart platform configuration to be used for gait simulation and rehabilitation.

In [11] schlugen Dai et al. eine andere Robotervorrichtung vor, um gestauchte Fußknöchelverletzungen zu behandeln. Anders als die Stewart-Plattform-Konstruktion fortschreitet diese Vorrichtung gerade genug Freiheitsgrade (DoF), um Orientierungsarbeitsraum des menschlichen Fußknöchels abzudecken. Die in dieser Referenz vorgelegte kinetostatische Analyse betonte die Wichtigkeit einer Verwendung einer zentralen Strebe, um höhere Steifigkeit von zu der Vorrichtung zu erzielen. In [12] schlugen Agrawal et al. eine Fußknöchel-Fuß-Orthosis für roboterassistierte Rehabilitation vor und präsentierten die kinematische Analyse und die Steuerung des vorgeschlagenen Mechanismus. Ebenso wurde in [13] Anklebot von Roy et al. vorgeschlagen, um eine Wiedergewinnung der Fußknochelfunktion zu fördern. Diese Vorrichtung kann auch verwendet werden, um die Fußknöchelsteifheit zu messen, die ein wichtiger biomechanischer Faktor für Fortbewegung ist.In [11] beat Dai et al. another robotic device to treat compressed ankle injuries. Unlike the Stewart platform design, this device advances just enough degrees of freedom (DoF) to cover the human ankle orientation space. The kinetostatic analysis presented in this reference emphasized the importance of using a central strut to achieve greater rigidity from to the device. In [12] beat Agrawal et al. Ankle Ankle Orthosis for robot assisted rehabilitation and presented the kinematic analysis and control of the proposed mechanism. Likewise, in [13] anklebot von Roy et al. proposed to promote recovery of the footbone function. This device can also be used to measure ankle stiffness, which is an important biomechanical factor for locomotion.

Syrseloudis und Emiris studierten den Translations- und Rotations-RoM des menschlichen Fußknöchels und Fußes durch Experimente mit menschlichen Versuchsobjekten und folgerten, dass ein paralleler Tripodmechanismus mit einer zusätzlichen Rotationsachse in Serie die relevanteste kinematische Konstruktion ist, die der mit dem menschlichen Fußknöchel zusammenhängenden Fußkinematik am meisten entspricht [14]. In [15] schlugen Yoon und Ryu eine hybride, auf einem parallelen Mechanismus basierende Fußpolster-Vorrichtung mit vier Freiheitsgraden (DoF) vor und präsentierten die kinematische Analyse der neuen Vorrichtung. In [3] und [16] wurde diese Arbeit erweitert, um eine Rekonfiguration der Vorrichtung zu erlauben, um mehrere unterschiedliche Übungsmodi zu unterstützen. Syrseloudis and Emiris studied the translation and rotation of the human ankle and foot by experimenting with human subjects and concluded that a parallel tripod mechanism with an additional axis of rotation in series is the most relevant kinematic construction that most closely matches the foot ankle mechanism associated with the human ankle [14 ]. In [15] beat Yoon and Ryu presented a hybrid, four-degree-of-freedom (DoF) foot-pad device based on a parallel mechanism and presented the kinematic analysis of the new device. In [3] and [16] this work has been extended to allow reconfiguration of the device to support several different exercise modes.

Es ist also eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine rekonfigurierbare Konstruktion hat. Ihre Implementierung ist einfach und die Vorrichtung kann durch Zusammenbauen von kommerziell erhältlichen Teilen hergestellt werden. Aufgrund ihrer Rekonfigurierbarkeit erlaubt die Vorrichtung sowohl Bewegungsbereich/Kräftigung-Übungen wie auch Gleichgewicht/Propriozeption-Übungen.It is therefore an object of the invention to provide a device having a reconfigurable construction. Their implementation is simple and the device can be made by assembling commercially available parts. Due to its reconfigurability, the device allows both range of motion / strengthening exercises as well as balance / proprioception exercises.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung fähig, den gesamten komplexen Bereich des menschlichen Fußknöchels für RoM/Kräftigung-Übungen abzudecken. Die Vorrichtung kann während Gleichgewicht/Propriozeption-Übungen das menschliche Gewicht tragen. Durch die rekonfigurierbare Konstruktion der Basisplatte sind auch Übungen für das Metatarsophalangealgelenk möglich.According to one embodiment of the present invention, the device is capable of covering the entire complex area of the human ankle for RoM / Strengthening exercises. The device can support human weight during balance / proprioception exercises. The reconfigurable construction of the base plate also allows exercises for the metatarsophalangeal joint.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung als ein klinisches Messwerkzeug verwendet werden. Fußknöchelgelenk-Bewegungsumfang, Kräfte und Impedanzen können ermittelt werden, um Diagnosen zu unterstützen.According to one embodiment of the present invention, the device may be used as a clinical measurement tool. Ankle joint range of motion, forces and impedances can be detected to aid diagnoses.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung ergonomisch, erlaubt den gesamten Bewegungsbereich des menschlichen Fußknöchels. Die Vorrichtung ist leicht und tragbar; somit transportierbar. Die Vorrichtung ist aufgrund der ausgewählten Aktuatoren inhärent sicher.According to one embodiment of the present invention, the device is ergonomic, allowing the entire range of motion of the human ankle. The device is lightweight and portable; thus transportable. The device is inherently safe due to the selected actuators.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Vorrichtung aufgrund ihrer parallelen kinematischen Struktur und optimierten Bandbreite eine höhere Kontrollfähigkeit als ähnliche Vorrichtungen.According to one embodiment of the present invention, the device has a higher control capability than similar devices because of its parallel kinematic structure and optimized bandwidth.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterstützt die Vorrichtung komplexe Bewegungen des Fußes und ist nicht auf einen einzigen Freiheitsgrad beschränkt, wie es bei vielen existierenden Konstruktionen der Fall ist.According to one embodiment of the present invention, the device supports complex movements of the foot and is not limited to a single degree of freedom, as is the case with many existing designs.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung programmiert, den Patienten während einer physikalischen Therapie zu führen, zu assistierend oder ihm Widerstand entgegenzusetzen, und ist mit einem Computersystem implementiert. Die Assistenz- und Widerstandspegel sind über Software einstellbar. Die Vorrichtung kann auch programmiert sein, Fußknöchelgelenk-Parameter, beispielsweise Tonus und Impedanz des Fußknöchels, zu schätzen.In accordance with one embodiment of the present invention, the device is programmed to guide, assist, or resist the patient during physical therapy and is implemented with a computer system. The assistant and resistance levels are adjustable via software. The device may also be programmed to estimate ankle parameters, such as ankle tone and impedance.

Aspekte der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung betreffen Rehabilitationsroboter, roboterassistierte Rehabilitation, Vorrichtung für physikalische Therapie, Kraftrückkopplung-Außenskelette, haptische Interface-Vorrichtungen für medizinische Behandlung, klinische Messvorrichtungen, Fußknöchelrehabilitationssysteme, Fußknöchelorthosis, Rehabilitationsvorrichtungen für Fußknöchelphysiotherapie, Vorrichtungen zum Einschätzen einer Fußknöchelfunktion, Ermitteln von Fußknöchelimpedanz.Aspects of the device according to the present invention relate to rehabilitation robots, robot assisted rehabilitation, physical therapy devices, force feedback exoskeletons, haptic interface devices for medical treatment, clinical measurement devices, ankle rehabilitation systems, ankle orthosis, ankle rehabilitation devices, devices for assessing ankle function, ankle impedance determination ,

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 ist eine Perspektivansicht der Vorrichtung; 1 is a perspective view of the device;

2 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung in 3UPS-Konfiguration; 2 Figure 3 is a side view of the device in 3UPS configuration;

3 ist eine Perspektivansicht der Vorrichtung, wenn sie sich als ein 3RPS-Mechanismus verhält; 3 Figure 3 is a perspective view of the device when acting as a 3RPS mechanism;

4 ist eine Perspektivansicht der Vorrichtung, wenn sie sich als ein 3UPS-Mechanismus verhält (das mittlere Glied stellt den menschlichen Fuß und Fußknöchel dar); 4 Figure 3 is a perspective view of the device when acting as a 3UPS mechanism (the middle limb represents the human foot and ankle);

5 ist eine Perspektivansicht eines in der Vorrichtung verwendeten Gelenkelements in entriegelter Position; 5 is a perspective view of a hinge element used in the device in the unlocked position;

6 ist eine Perspektivansicht des in der Vorrichtung verwendeten Gelenkelements in verriegelter Position; 6 is a perspective view of the hinge element used in the device in the locked position;

7 ist ein Blockdiagramm des robusten Positionscontrollers mit Reaktionsdrehmomentbeobachter. 7 Figure 10 is a block diagram of the robust position controller with reaction torque observer.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsformenDetailed Description of the Preferred Embodiments

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist einzig und allein beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen einschränken.The following description of the preferred embodiment is merely exemplary in nature and is in no sense intended to limit the invention, its application, or uses.

Eine Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung (1) weist auf:
eine Bewegungsplattform (2), die dem Fuß des Benutzers gegenüberliegt,
eine Basisplattform (3), die dem Bein des Benutzers gegenüberliegt,
ein Verbindungselement (4), das die Basisplattform (3) und die Bewegungsplattform (2) verbindet.
An exoskeleton device for ankle therapy and measurement ( 1 ) indicates:
a motion platform ( 2 ), which is opposite the foot of the user,
a base platform ( 3 ), which is opposite to the leg of the user,
a connecting element ( 4 ), which is the base platform ( 3 ) and the motion platform ( 2 ) connects.

Die Außenskelett-Vorrichtung (1) weist außerdem ein Gelenkelement (5) auf, das das Verbindungselement (4) mit der Basisplattform (3) verbindet. Mithilfe des Gelenkelements (5) kann die Außenskelett-Vorrichtung (1) zwei unterschiedliche Übungstypen voneinander unabhängig unterstützen, nämlich RoM/Kräftigung-Übungen und Gleichgewicht/Propriozeption-Übungen. Das Gelenkelement (5) kann selektiv in unterschiedlichen Modi sein. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lässt es sich umstellen zwischen einem Universalgelenk und einem Druckgelenk.The exoskeleton device ( 1 ) also has a hinge element ( 5 ), which is the connecting element ( 4 ) with the base platform ( 3 ) connects. Using the joint element ( 5 ), the exoskeleton device ( 1 ) support two different exercise types independently, namely RoM / Strengthening Exercises and Balance / Proprioception Exercises. The joint element ( 5 ) can be selectively in different modes. In the preferred embodiment of the invention, it can be switched between a universal joint and a pressure joint.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verbindungselement (4) unter Verwendung von Kugelgelenken mit der Bewegungsplattform (2) verbunden.In the preferred embodiment of the invention, the connecting element ( 4 ) using ball joints with the motion platform ( 2 ) connected.

Ein Fußknöchelgelenk kann als eine räumliche serielle kinematische Kette mit zwei Druckgelenken (RR), nämlich einem oberen Druckgelenk und einem subtalaren Gelenk, modelliert werden. Das obere Fußknöchelgelenk unterstützt die Dorsiflexion/Plantarflexion-Rotationsbewegung, während das subtalare Gelenk die Supination/Pronation-Rotationsbewegung unterstützt. Die Supination/Pronation-Rotation ist eine komplexe Bewegung, die sowohl Inversion/Eversion- wie auch Abduktion/Adduktion-Komponenten hat.An ankle joint can be modeled as a two-thrust (RR) serial serial kinematic chain, an upper pressure joint and a subtalar joint. The upper ankle joint supports dorsiflexion / plantarflexion rotation, while the subtalar joint supports supination / pronation rotation. The supination / pronation rotation is a complex movement that has both inversion / eversion and abduction / adduction components.

Die in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendete kinematische Kette ist die geschlossene kinematische Kette (paralleler Mechanismus). Die geschlossene kinematische Kette dient als ein Außenskelett und erlaubt und unterstützt die natürlichen Bewegungen der menschlichen Gelenke, wenn der Benutzer die Vorrichtung (1) an sich trägt. Eine geschlossene kinematische Kette bietet die kompakten Konstruktionen mit hoher Steifheit und hat eine geringe effektive Massenträgheit. Die Aktuatoren der geschlossenen kinematischen Ketten können geerdet oder an Teilen des Mechanismus angeordnet sein, der geringen Beschleunigungen ausgesetzt ist.The kinematic chain used in the preferred embodiment of the invention is the closed kinematic chain (parallel mechanism). The closed kinematic chain serves as an exoskeleton and allows and supports the natural movements of human joints when the user 1 ) in itself. A closed kinematic chain provides the compact constructions with high rigidity and has a low effective inertia. The actuators of the closed kinematic chains may be grounded or placed on parts of the mechanism which is subject to low accelerations.

Die in dieser Erfindung verwendete geschlossene kinematische Kette kann mithilfe des Gelenkelements (5) als mindestens zwei unterschiedliche Mechanismen verwendet werden. Mithilfe dieser Tatsache bekommt die Vorrichtung (1) eine rekonfigurierbare Eigenschaft. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann sie als ein 3UPS-Mechanismus (universal, prismatisch, sphärisch) und 3RPS-Mechanismus (drehend, prismatisch, sphärisch) unabhängig voneinander verwendet werden.The closed kinematic chain used in this invention can by means of the joint element ( 5 ) are used as at least two different mechanisms. With this fact, the device gets ( 1 ) a reconfigurable property. In the preferred embodiment of the invention, it can be used as a 3UPS mechanism (universal, prismatic, spherical) and 3RPS mechanism (rotating, prismatic, spherical) independently of each other.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gelenkelement (5) das rekonfigurierbare Gelenk, das selektiv in entriegelter oder verriegelter Position verwendet werden kann. In der entriegelten Position kann das rekonfigurierbare Gelenk (5) frei um zwei Achsen (A, B) rotieren. Die erste Achse (A) ist tangential zur Basisplatte (3), während die zweite Achse (B) senkrecht zur Basisplatte (3) ist. Wenn das Gelenk (5) entriegelt ist, wirken Serien der Scharniergelenke als ein Universalgelenk, das um gewünschte der Achsen rotiert. Wenn die zweite Gelenkachse (B) verriegelt ist, ist das rekonfigurierbare Gelenk (5) auf die Funktion eines Drehgelenks beschränkt, das nur um die erste Achse (A) frei rotierbar ist. Somit erlaubt das rekonfigurierbare Gelenk (5) eine Rekonfiguration eines 3UPS-Mechanismus in einen 3RPS-Mechanismus und vice versa.In the preferred embodiment of the invention, the joint element ( 5 ) the reconfigurable joint, which can be selectively used in unlocked or locked position. In the unlocked position, the reconfigurable joint ( 5 ) rotate freely around two axes (A, B). The first axis (A) is tangential to the base plate ( 3 ), while the second axis (B) perpendicular to the base plate ( 3 ). When the joint ( 5 ), series hinges act as a universal joint rotating about desired ones of the axes. When the second hinge axis (B) is locked, the reconfigurable joint ( 5 ) limited to the function of a rotary joint, which is freely rotatable only about the first axis (A). Thus, the reconfigurable joint ( 5 ) a reconfiguration of a 3UPS mechanism into a 3RPS mechanism and vice versa.

Das Verbindungselement (4) weist im Wesentlichen eine Antriebseinheit (6) und ein Bewegungselement (7) auf. Die Antriebseinheit (6) kann die erforderliche Kraft auf das Bewegungselement (7) ausüben, so dass sich das Bewegungselement (7) bewegen kann. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Antriebseinheit (6) ein elektrischer Motor, während das Bewegungselement (7) mindestens ein ausziehbares Glied ist.The connecting element ( 4 ) essentially comprises a drive unit ( 6 ) and a movement element ( 7 ) on. The drive unit ( 6 ), the required force on the moving element ( 7 ), so that the movement element ( 7 ) can move. In the preferred embodiment of the invention, the drive unit ( 6 ) an electric motor, while the moving element ( 7 ) is at least one extendable member.

In dem Fall, dass die geschlossene kinematische Kette als ein 3UPS-Mechsnismus verwendet wird, ist das rekonfigurierbare Gelenk (5) in entriegelter Position, mit anderen Worten, es ist um gewünschte Achsen (A, B) frei rotierbar, verhält sich wie ein Universalgelenk. Zudem verhält sich das Bein des Benutzers als ein zentrales Glied des Mechanismus, mit anderen Worten, der Fußknöchel des Benutzers wird ein Glied des Mechanismus. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Mechanismus ein symmetrischer 3UPS-Mechanismus, in welchem das Universalgelenk (5) und die Kugelgelenke in einem Abstand von 120° entlang des Umfangs der Basisplattform (3) und der Bewegungsplattform (2) angeordnet sind. Von dem Benutzer getragen, hat der an dem menschlichen Fußknöchel angebrachte 3UPS-Mechanismus zwei Freiheitsgrade (DoF) entsprechend einer gekoppelten Bewegung der Bewegungsplattform (2) bezüglich der stationären Basisplattform (3). Die Längen der ausziehbaren Glieder (7) werden betätigt, um diese DoF zu steuern. Die Bewegungsplattform (2) ist in einem Abstand z von der Basisplattform (3) und besitzt keine Translationsbewegung transversal zur vertikalen Achse durch die Basis (2). Selbst wenn der Benutzer völlig passiv ist, hat der 2-DoF-3UPS-Mechanismus drei betätigte Gelenke; ist also ein redundanter Mechanismus. Diese Redundanz kann ausgenutzt werden, um den effektiven Arbeitsraum der Vorrichtung (1) zu vergrößern, da Singularität-Auflösung möglich wird in dem Fall, dass die Vorrichtung (1) sich an Singularitäten innerhalb des Arbeitsraums annähert.In the case that the closed kinematic chain is used as a 3UPS-mechsmnism, the reconfigurable joint ( 5 ) in unlocked position, in other words, it is freely rotatable about desired axes (A, B) behaves like a universal joint. In addition, the leg of the user behaves as a central member of the mechanism, in other words, the ankle of the user becomes a member of the mechanism. In the preferred embodiment of the invention, the mechanism is a symmetrical 3UPS mechanism in which the universal joint ( 5 ) and the ball joints at a distance of 120 ° along the circumference of the base platform ( 3 ) and the motion platform ( 2 ) are arranged. Worn by the user the 3UPS mechanism attached to the human ankle has two degrees of freedom (DoF) corresponding to a coupled motion platform motion (FIG. 2 ) with respect to the stationary base platform ( 3 ). The lengths of the extendable links ( 7 ) are pressed to control this DoF. The motion platform ( 2 ) is at a distance z from the base platform ( 3 ) and has no translation movement transversal to the vertical axis through the base ( 2 ). Even if the user is completely passive, the 2-DoF-3UPS mechanism has three actuated joints; So it's a redundant mechanism. This redundancy can be exploited to increase the effective working space of the device ( 1 ), since singularity resolution becomes possible in the case where the device ( 1 ) approaches singularities within the workspace.

In dem Fall, dass die geschlossene kinematische Kette als ein 3RPS-Mechanismus verwendet wird, ist das rekonfigurierbare Gelenk (5) in verriegelter Position, mit anderen Worten, die Rotationsbewegung des Gelenks (5) um die zweite Achse (B) ist verhindert. Das rekonfigurierbare Gelenk (5) verhält sich als ein Drehgelenk und seine Rotationsachsen sind entlang der Tangenten der Basisplattform (3) ausgerichtet. Die Basisplattform (3) ist an der oberen Mittelwade des Beins durch ein passives Drehgelenk angebracht, um die Innen/Außen-Rotationen des Fußes zu erlauben. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Mechanismus ein symmetrischer 3RPS-Mechanismus, in welchem die Drehgelenke (5) und die Kugelgelenke in einem Abstand von 120° entlang des Umfangs der Basisplattform (3) und der Bewegungsplattform (2) angeordnet sind. Der 3RPS-Mechanismus hat drei DoF entsprechend der Höhe z. Die Längen der ausziehbaren Glieder (7) werden betätigt, um diese DoF zu steuern. Die Bewegungsplattform (2) besitzt begrenzte Translationsbewegung transversal zur vertikalen Achse durch die Basis (3) und keine Singularitäten für begrenzte Werte von Drehgelenkwinkel.In the case that the closed kinematic chain is used as a 3RPS mechanism, the reconfigurable joint is ( 5 ) in the locked position, in other words, the rotational movement of the joint ( 5 ) about the second axis (B) is prevented. The reconfigurable joint ( 5 ) behaves as a hinge and its axes of rotation are along the tangents of the base platform ( 3 ). The base platform ( 3 ) is attached to the upper mid-calf of the leg by a passive swivel joint to allow the inner / outer rotations of the foot. In the preferred embodiment of the invention, the mechanism is a 3RPS symmetric mechanism in which the hinges ( 5 ) and the ball joints at a distance of 120 ° along the circumference of the base platform ( 3 ) and the motion platform ( 2 ) are arranged. The 3RPS mechanism has three DoFs according to the height z. The lengths of the extendable links ( 7 ) are pressed to control this DoF. The motion platform ( 2 ) has limited translational movement transversal to the vertical axis through the base ( 3 ) and no singularities for limited values of hinge angle.

Wenn die geschlossene kinematische Kette in dem 3UPS-Modus ist, kann die Vorrichtung (1) als eine RoM/Kräftigung-Übungsvorrichtung verwendet werden, während in dem 3RPS-Modus sie (1) als eine Gleichgewicht/Propriozeption-Übungsvorrichtung verwendet werden kann.If the closed kinematic chain is in the 3UPS mode, the device may ( 1 ) can be used as a RoM / strengthening exercise device while in the 3RPS mode they ( 1 ) can be used as a balance / proprioception training device.

Kopplungen zwischen der Außenskelett-Vorrichtung (1) und dem Benutzer sind elastisch konstruiert, um Sicherheit zu gewährleisten und kleine Gelenkfehlausrichtungen und Modellmängel zuzulassen. Elastizität erlaubt die Relativbewegung des menschlichen Glieds bezüglich der Vorrichtung (1), wenn die Kinematik der Vorrichtung (1) in Konflikt mit der natürlichen Bewegung des Fußknöchels ist.Couplings between the exoskeleton device ( 1 ) and the user are elastically constructed to ensure safety and allow for small joint misalignments and model defects. Elasticity allows the relative movement of the human limb relative to the device ( 1 ), if the kinematics of the device ( 1 ) is in conflict with the natural motion of the ankle.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird unter Verwendung von straffen Gurten um das Knie herum das Gewicht der Vorrichtung (1) über das obere Bein und die untere Mittelwade verteilt.In one embodiment of the invention, using tight straps around the knee, the weight of the device ( 1 ) over the upper leg and lower mid-calf.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann durch Aufhängen der Vorrichtung (1) an der Schulter des Benutzers das Gewicht der Vorrichtung (1) über den Körper verteilt werden.In another embodiment of the invention, by suspending the device ( 1 ) on the shoulder of the user the weight of the device ( 1 ) are distributed over the body.

Die Außenskelett-Vorrichtung (1) weist außerdem eine Steuereinheit (in den Figuren nicht gezeigt) und mindestens zwei Sensoren (in den Figuren nicht gezeigt) auf. Einer der Sensoren misst die Länge des Verbindungselements (4), während der zweite Sensor das Ausmaß der axialen Rotation des Gelenkelements (5) misst. Die gemessenen Daten der Elemente werden von der Steuereinheit verarbeitet, um die Konfiguration der Vorrichtung (1) zu berechnen und die auf sie (1) wirkenden Kräfte zu schätzen. Insbesondere wird eine Vorwärtskinematik der Vorrichtung (1) verwendet, um die Konfiguration der Bewegungsplattform (2) zu berechnen, während die Dynamik der Vorrichtung (1) mit einem als Software implementierten Reaktionsdrehmomentbeobachter verwendet wird, um die auf sie (1) wirkenden Kräfte zu schätzen.The exoskeleton device ( 1 ) also has a control unit (not shown in the figures) and at least two sensors (not shown in the figures). One of the sensors measures the length of the connecting element ( 4 ), while the second sensor measures the extent of axial rotation of the joint element (FIG. 5 ) measures. The measured data of the elements are processed by the control unit to determine the configuration of the device ( 1 ) and those on them ( 1 ) to estimate acting forces. In particular, a forward kinematics of the device ( 1 ) used to configure the motion platform ( 2 ) while the dynamics of the device ( 1 ) is used with a software implemented reaction torque observer in order to 1 ) to estimate acting forces.

Zum Schätzen der Fußknöchelparameter müssen die Längen der Glieder (7) der kinematischen Kette zusammen mit den Rotationsachsen der Drehgelenke bekannt sein. Eine Bestimmung der Knochenlängen des Benutzers ist relativ einfach, da Röntgenbilder des Fußknöchels ausgewertet werden können, um ziemlich genaue Schätzungen zu bekommen. Eine Bestimmung der Rotationsachsen ist jedoch schwierig, da die Bewegung des Fußknöchels von der Größe und Orientierung der Fußknochen und der Form der Gelenkoberflächen abhängt. Durch Auswerten der Röntgenbilder können nur grobe Schätzungen der Gelenkachsen gewonnen werden. Um die Fußknöchelbewegung zu studieren, sind genauere Schätzungen der Gelenkachsen erwünscht, und solche Schätzungen sind dank der mit dem Außenskelett gesammelten Daten möglich gemacht.To estimate the ankle parameters, the lengths of the limbs ( 7 ) of the kinematic chain to be known together with the axes of rotation of the swivel joints. Determining the bone length of the user is relatively easy because x-ray images of the ankle can be evaluated to get fairly accurate estimates. Determining the axes of rotation, however, is difficult because the motion of the ankle depends on the size and orientation of the foot bones and the shape of the articular surfaces. By evaluating the X-ray images only rough estimates of the joint axes can be obtained. To study the ankle movement, more accurate estimates of the articulation axes are desired, and such estimates are made possible thanks to the data collected with the exoskeleton.

Liegen gute Schätzungen der Knochenlängen vor, können die Rotationsachsen der Drehgelenke des menschlichen Fußknöchels ermittelt werden, indem der Benutzer angewiesen wird, freie RoM-Bewegungen durchzuführen, und indem Positionsdaten von den ausziehbaren Gliedern (7) und vorzugsweise drei an dem Gelenkelement (5) angeordneten Rotationssensoren gesammelt werden. So wie die Daten verfügbar werden, wird die Konfigurationsausmaß-Vorwärtskinematik des 3UPS-Mechanismus für die Konfigurationen der Bewegungsplattform (2) bei jedem Zeitpunkt gelöst. Sobald die Fußkonfigurationen aufgezeichnet sind, wird die Konfigurationsausmaß-Inverskinematik des zwei Glied-RR-Manipulators mit unbekannten Drehgelenkachsen (den menschlichen Fußknöchel repräsentierend) für die Achsen der Drehgelenke und das Ausmaß der Rotation um diese Achsen gelöst.With good bone length estimates, the rotational axes of the human ankle pivot joints can be determined by instructing the user to perform free RoM movements and by taking positional data from the telescoping members (FIG. 7 ) and preferably three on the joint element ( 5 ) arranged rotational sensors are collected. As the data becomes available, the configuration extent forward kinematics of the 3UPS mechanism for the motion platform configurations (FIG. 2 ) solved at any time. Once the foot configurations are recorded, the Configuration scale inverse kinematics of the two limb RR manipulator with unknown pivot axes (representing the human ankle) for the axes of the pivots and the extent of rotation around these axes.

Liegen das Konfigurations- und das Bewegungsausmaß von Vorwärts- und Inverskinematik des gekoppelten 3UPS-RR-Systems (das Außenskelett gekoppelt mit dem menschlichen Fußknöchel) und die dynamischen Eigenschaften nur der Außenskelett-Vorrichtung (1) vor, kann ein robuster Positionscontroller mit einem Reaktionsdrehmomentbeobachter implementiert werden, um die dynamischen Eigenschaften des Fußknöchels zu charakterisieren. Insbesondere kann die Außenskelett-Vorrichtung (1) unter Verwendung eines robusten Positionscontrollers den Fußknöchel steuern, einer gewünschten Trajektorie zu folgen, wobei zugleich Störkräfte, die auf die unbekannte Dynamik des Fußknöchels zurückzuführen sind, während dieser Bewegung geschätzt werden können. In der Controllerimplementation werden Kräfte, die auf die bekannte Dynamik der Außenskelett-Vorrichtung (1) zurückzuführen sind, in einer Eingabevorwärtsweise dem System hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die auf das System wirkende Störung einzig und allein auf die unbekannte Dynamik des Fußknöchels zurückzuführen ist. Unter einer solchen Steuerung sollen die von dem Controller gesteuerten Kräfte die nichtmodellierte Dynamik des Fußknöchels kompensieren. Daher können die Aktuatorkräfte in eine Zuordnung gebracht werden mit den Gelenkdrehmomenten an dem Fußknöchel, und unter der Annahme, dass alle anderen Störungen verhältnismäßig klein sind, liefern diese Drehmomente eine gute Schätzung der auf die Gelenkdynamik zurückzuführenden tatsächlichen Gelenkdrehmomente.Are the configuration and range of motion of forward and inverse kinematics of the coupled 3UPS RR system (the exoskeleton coupled with the human ankle) and the dynamic properties of only the exoskeletal apparatus ( 1 ), a robust position controller can be implemented with a reaction torque observer to characterize the dynamic properties of the ankle. In particular, the exoskeleton device ( 1 ) using a robust position controller to control the ankle to follow a desired trajectory while at the same time estimating disturbance forces due to the unknown dynamics of the ankle during this movement. In the controller implementation, forces are attributed to the known dynamics of the exoskeleton ( 1 ) are added to the system in an input-forward manner to ensure that the system-related disturbance is solely due to the unknown ankle dynamics. Under such control, the forces controlled by the controller should compensate for the unmodeled dynamics of the ankle. Therefore, the actuator forces can be correlated with the joint torques at the ankle, and assuming that all other disturbances are relatively small, these torques provide a good estimate of the actual joint torques due to joint dynamics.

Die Außenskelett-Vorrichtung (1) kann passive, aktive, Assistenz- und Resistenz-Übungsmodi bereitstellen. Virtuelle Tunnel und Kraftfelder innerhalb dieser Tunnel können implementiert sein, um ein sicheres Üben mit Assistenz oder Resistenz zu ermöglichen.The exoskeleton device ( 1 ) can provide passive, active, assistance and resistance practice modes. Virtual tunnels and force fields within these tunnels can be implemented to enable safe practice with assistance or resistance.

Da die Vorrichtung (1) in der 3UPS-Konfiguration alle möglichen Bewegungen des Fußknöchels in vollem Umfang erlaubt, ist es möglich, die Vorrichtung (1) für klinische Messungen zu verwenden. In erster Linie kann die Vorrichtung verwendet werden, um den Bewegungsbereich des Patienten zu ermitteln. Wenn der Patient/die Patientin sein/ihr Fußknöchel bewegt, kann die Vorrichtung die Zeithistorie dieser Bewegung (die Trajektorie) messen und aufzeichnen. Mit der gegebenen Zeithistorie von Bewegungen ist es möglich zu ermitteln, wie schnell der Patient eine Bewegung vollführt, Größe des bezüglich einer Referenztrajektorie auftretenden Fehlers und wie gleichmäßig/ungleichmäßig diese Bewegungen sind. Da die Kinematik der Vorrichtung (1) bekannt ist, ist es auch möglich, die gemessenen Konfigurationsänderungen in Zuordnung zu bringen mit den Rotationen des Fußknöchelgelenks. Diese Fähigkeit erlaubt Messungen von Orientierung, Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit von Fußknöchelgelenkbewegungen. Auch Koordination und Synergien von Gelenkbewegungen können aus diesen Messungen gewonnen werden.Since the device ( 1 ) in the 3UPS configuration allows all possible movements of the ankle in full, it is possible to use the device ( 1 ) for clinical measurements. Primarily, the device can be used to determine the range of motion of the patient. As the patient moves his / her ankle, the device can measure and record the time history of that movement (the trajectory). With the given time history of movements, it is possible to determine how fast the patient is performing a movement, the size of the error with respect to a reference trajectory, and how even / uneven these movements are. Since the kinematics of the device ( 1 ), it is also possible to correlate the measured configuration changes with the rotations of the ankle joint. This capability allows measurements of orientation, speed and uniformity of ankle joint movement. Coordination and synergy of joint movements can also be obtained from these measurements.

Wie oben erklärt, können durch Verwendung eines robusten Positionscontrollers und durch Steuerung der Außenskelett-Vorrichtung (1), einer gewünschten Trajektorie zu folgen, die auf die unbekannte Dynamik des Fußknöchels zurückzuführenden Störkräfte. während dieser Bewegung geschätzt werden. Unter Verwendung von Fußknöchelkinematik können diese Kräfte auch in Zuordnung gebracht werden mit den Gelenkdrehmomenten an dem Fußknöchel. Diese Messtechnik kann verwendet werden, um maximale Gelenkdrehmomente, die der Patient ausüben kann, die Impedanz und den Tonus des Patientenfußknöchels bei jeder beliebigen Konfiguration des Fußknöchels zu ermitteln. Insbesondere wenn die Verstärkung des robusten Positionscontrollers eingestellt ist, bei einer beliebigen Referenzkonfiguration zu bleiben, und der Patient/die Patientin gebeten wird, ein maximales Drehmoment an seine/ihre Knöchelgelenke auszuüben, dann können die Störkräfte, die auf den Controller wirken, in Zuordnung gebracht werden mit Gelenkdrehmomenten, um Drehmomente des menschlichen Fußknöchels um die entsprechenden Achsen zu schätzen. Ist eine vorab festgelegte Referenztrajektorie für den robusten Positionscontroller gegeben, können schließlich die Gelenkdrehmomente an jedem Zeitpunkt geschätzt werden, und die Beziehung zwischen der Gelenkrotation und den Gelenkdrehmomenten kann verwendet werden, um Impedanz und/oder Tonus des Fußknöchels zu schätzen.As explained above, by using a robust position controller and by controlling the exoskeleton device ( 1 ) to follow a desired trajectory, the disturbance forces due to the unknown dynamics of the ankle. be appreciated during this movement. Using ankle kinematic techniques, these forces can also be correlated with the joint torques at the ankle. This measurement technique can be used to determine maximum joint torques that the patient can exert, the impedance and tone of the patient's ankle in any configuration of the ankle. In particular, if the robust position controller's gain is set to remain in any reference configuration and the patient is asked to apply maximum torque to his / her ankle joints, then the disturbing forces acting on the controller may be correlated are using joint torques to estimate torques of the human ankle around the corresponding axes. Finally, given a predetermined reference trajectory for the robust position controller, the joint torques can be estimated at each instant, and the relationship between joint rotation and joint torques can be used to estimate the impedance and / or tone of the ankle.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die nichtgeerdete, tragbare und rekonfigurierbare Fußknöcheltherapie/messung-Außenskelett-Vorrichtung mit virtuellen Realitätsspielen kombiniert werden.In another embodiment of the invention, the non-grounded, portable and reconfigurable ankle therapy / measurement exoskeleton device may be combined with virtual reality games.

Die Beschreibung der Erfindung ist einzig und allein beispielhafter Natur und daher sollen Modifikationen, die nicht vom wesentlichen Kern der Erfindung abweichen, im Geltungsbereich der Erfindung liegen. Solche Modifikationen sind nicht als ein Abweichen vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung zu betrachten.The description of the invention is merely exemplary in nature and, therefore, modifications which do not depart from the gist of the invention are intended to be within the scope of the invention. Such modifications are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the invention.

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Claims (16)

Nichtgeerdete, tragbare und rekonfigurierbare Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung, die aufweist: eine Basisplattform, die dem Bein des Benutzers gegenüberliegt, eine Bewegungsplattform, die dem Fuß des Benutzers gegenüberliegt; ein Verbindungselement, das die Basisplattform und die Bewegungsplattform verbindet, ein Gelenkelement, das das Verbindungselement mit der Basisplattform verbindet.Non-ground, portable and reconfigurable exoskeleton device for ankle therapy and measurement comprising: a base platform opposite the leg of the user, a motion platform opposite the foot of the user; a connector that connects the base platform and the motion platform, a hinge member connecting the connector to the base platform. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenskelett-Vorrichtung zwei unterschiedliche Übungstypen, nämlich Kräftigung-Übungen Bewegungsbereich und Gleichgewicht/Propriozeption-Übungen, unabhängig voneinander unterstützen kann.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to claim 1, characterized in that the exoskeleton apparatus can independently support two different exercise types, namely, strengthening exercises range of motion and balance / proprioception exercises. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenkelement ein rekonfiguierbares Gelenk ist, wobei das rekonfigurierbare Gelenk in entriegelter Position frei um zwei Achsen rotieren kann, wobei die erste Achse tangential zu der Basisplatte ist, während die zweite Achse senkrecht zu der Basisplatte ist.The unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement of claim 1 and 2, characterized in that the articulation member is a reconfigurable joint, the reconfigurable joint being free to rotate about two axes in the unlocked position, the first axis being tangent to the baseplate, while the second axis is perpendicular to the base plate. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das rekonfigurierbare Gelenk entriegelt ist, eine Reihe von Drehgelenken als ein Universalgelenk funktionieren, das um gewünschte der Achsen rotiert.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to claim 3, characterized in that, when the reconfigurable joint is unlocked, a series of hinges function as a universal joint rotating about desired ones of the axes. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die zweite Gelenkachse verriegelt ist, das rekonfigurierbare Gelenk auf die Funktion eines Drehgelenk beschränkt ist, das nur um die erste Achse frei rotierbar ist.The unguided exoskeleton for ankle therapy and measurement according to claim 3, characterized in that, when the second articulation axis is locked, the reconfigurable articulation is restricted to the function of a pivot freely rotatable only about the first axis. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rekonfigurierbare Gelenk erlaubt, einen 3UPS-Mechanismus, in welchem die Vorrichtung als eine RoM/Kräftigung-Übungsvorrichtung verwendet wird, in einen 3RPS-Mechanismus, in welchem die Vorrichtung als eine Gleichgewicht/Propriozeption-Übungsvorrichtung verwendet wird, und vice versa zu rekonfigurieren.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to any one of the preceding claims, characterized in that the reconfigurable joint permits a 3UPS mechanism in which the device is used as a RoM / strengthening exercise device in a 3RPS mechanism which the device is used as a balance / proprioception exerciser, and vice versa. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Vorrichtung als ein 3UPS-Mechanismus verwendet wird, das rekonfigurierbare Gelenk in entriegelter Position ist und sich wie ein Universalgelenk verhält und das Bein des Benutzers sich als mittlere Glieder des Mechanismus verhält.An unguided outer ankle apparatus for ankle therapy and measurement according to claim 6, characterized in that, when the device is used as a 3UPS mechanism, the reconfigurable joint is in unlocked position and behaves like a universal joint and the user's leg is median Limbs of the mechanism behaves. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Vorrichtung als ein 3RPS-Mechanismus verwendet wird, das rekonfigurierbare Gelenk in verriegelter Position ist und sich wie ein Drehgelenk verhält und seine Rotationsachsen entlang der Tangenten der Basisplattform orientiert sind.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to claim 6, characterized in that, when the device is used as a 3RPS mechanism, the reconfigurable joint is in the locked position and behaving like a hinge and its axes of rotation along the tangents of the base platform are oriented. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement eine Antriebseinheit und ein Bewegungselement aufweist.An unguided exoskeleton device for ankle therapy and measurement according to any one of the preceding claims, characterized in that the connecting element comprises a drive unit and a movement element. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach einem der vorstehenden Ansprüche, außerdem mit einer Steuereinheit und mindestens zwei Sensoren.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to any one of the preceding claims, further comprising a control unit and at least two sensors. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung passive, aktive, Assistenz- und Resistenz-Übungsmodi bereitstellen kann.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to any one of the preceding claims, characterized in that the apparatus can provide passive, active, assistance and resistance exercise modes. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Vorrichtung virtuelle Tunnels und Kraftfelder innerhalb dieser Tunnel implementiert sind, um ein sicheres Üben mit Assistenz- und Resistenz-Modi zu erlauben.The unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to claim 11, characterized in that virtual tunnels and force fields within said tunnels are implemented to the apparatus to allow safe practice with assistance and resistance modes. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 12 in Kombination mit den virtuellen Realitätsspielen.An unguided exoskeleton device for ankle therapy and measurement according to claim 12 in combination with the virtual reality games. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach einem der vorstehenden Ansprüche, außerdem mit einem robusten Positionscontroller mit Drehmomentbeobachtern.An unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to any of the preceding claims, further comprising a robust position controller with torque monitors. Verwendung einer nichtgeerdeten Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Durchführung klinischer Messungen.Use of an unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to any of claims 10 to 14 for performing clinical measurements. Nichtgeerdete Außenskelett-Vorrichtung für Fußknöcheltherapie und -messung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgende Messungen durchführt: Gelenkkonfiguration, Bewegungsgeschwindigkeit, Trajektorie, Trajektoriefehler, Bewegungsgleichmäßigkeit, Bewegungsbereich, Koordination und Synergien, maximale Gelenkdrehmomente bei jeder Konfiguration, Gelenkdrehmomente während Verfolgen einer Trajektorie, Tonus und Impedanz des Fußknöchels.The unguided exoskeleton apparatus for ankle therapy and measurement according to claim 15, characterized in that the device performs the following measurements: joint configuration, movement speed, trajectory, trajectory error, motion uniformity, range of motion, coordination and synergies, maximum Joint torques in each configuration, joint torques while tracking a trajectory, tone and impedance of the ankle.
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