WO2004016206A1 - Voice-controlled orthopedic appliance - Google Patents

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WO2004016206A1
WO2004016206A1 PCT/AT2003/000237 AT0300237W WO2004016206A1 WO 2004016206 A1 WO2004016206 A1 WO 2004016206A1 AT 0300237 W AT0300237 W AT 0300237W WO 2004016206 A1 WO2004016206 A1 WO 2004016206A1
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WO
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drive
orthosis
voice
control
input module
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PCT/AT2003/000237
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Michael Feierfeil
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Michael Feierfeil
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Definitions

  • the invention relates to an orthosis consisting of at least two interconnected and mutually movable orthotic elements, for. B. rails, wherein at least one drive is provided with which the orthotic elements are movable in relation to each other, and for the at least one drive at least one controller is provided.
  • Orthoses are by definition an “orthopedic device that is used to stabilize, relieve, immobilize, guide or correct limbs or trunk; on the limbs as a rail clamp device (steel rails fitted with straps) or rail sleeve devices (whale leather sleeves encompassing the limbs), on the trunk as a body bandage, bodice or corset "(PSCHYREMBEL, clinical dictionary, 257th edition, publisher Walter de Gruyter, ISBN 3- 933203-04-X).
  • orthoses In contrast to the prostheses, which are intended to replace missing limbs, orthoses are aids that shape and function existing body parts. Support definition.
  • an orthosis In contrast to prostheses, which take on the overall function of a missing part of the body, an orthosis only serves to relieve existing areas of the body. An orthosis therefore represents a purely passive means of supporting damaged or no longer fully functional areas of a patient's body. Such orthoses are sometimes used, for example, in stroke patients, mostly in the form of walking orthoses. After the acute phase of a stroke, in which physiotherapeutic treatment of the paralyzed limbs is generally not necessary, exercise therapy and restoration of the basic motor skills of the affected parts of the patient's body are of great importance.
  • Orthoses with a drive are known from AT 338410 A, US 4 644938 A, US 3 631 542 A and DE 3638094.
  • JP 2000325412 A JP 2000262571, US 5 683351, WO 2000 / 24355A and US 4669451 A.
  • control of the at least one drive is controlled by means of voice control, the control being connected to at least one voice input module, and the voice input module being set up to receive voice commands, to evaluate them and to control them accordingly to cause the at least one drive, the voice input module communicating wirelessly with the controller.
  • the invention relates to those orthoses in which two or more orthotic elements, such as rails, of the orthosis can be moved towards one another.
  • an arm orthosis consists of a splint for the forearm and a splint for the upper arm, both of which can be attached to the respective upper or lower arm.
  • the two splints themselves are articulated so that the orthosis can bend or stretch the arm.
  • the speech-controlled operation of the orthosis makes it possible for the patient to control according to his needs and at his own discretion.
  • Voice control also has the advantage that patients who are severely restricted in terms of the functioning of their limbs also have the option of controlling such an orthosis themselves.
  • the control comprises at least one voice input module, which is set up to receive voice commands, to evaluate them and to control the at least one drive accordingly.
  • the voice input module is designed separately from the controller and is wirelessly connected to the controller. The patient can therefore optimally position the speech input module for him and thus control the orthosis particularly well.
  • a therapist can also easily control the orthoses of patients, including those of several patients, using speech, without having to be directly with a patient. In this way, for example, monitoring and simultaneous therapy of several patients is possible.
  • the at least one drive is attached directly to the orthosis.
  • the at least one drive is expediently fastened to an orthotic element of the orthosis.
  • At least one drive is a pneumatic drive. This allows the cost-effective use of the invention in the field of clinical or physicotherapeutic centers, since compressed air cylinders can be used here, since the infrastructure for the air supply already exists.
  • At least one drive can also be a hydraulic drive; however, these are usually more expensive to buy than pneumatic drives.
  • At least one drive is an electric drive.
  • These are inexpensive to buy, easy to control and corresponding energy sources are available everywhere or allow the orthosis to be used in a simple manner, for example using batteries as an energy source.
  • the at least one electric drive is a linear motor or a stepper motor.
  • 1 shows an example of a known knee orthosis
  • 2 is a schematic diagram of an orthosis with a drive
  • FIG. 3 shows the basic structure of a three-way valve for a pneumatic drive
  • FIG. 5 shows an exemplary basic circuit diagram of an orthotic control.
  • FIG. 1 shows a known knee orthosis 1.
  • This essentially consists of an upper and a lower orthotic element 2, 3, for example in the form of rails 2, 3, which can be fastened to the upper and lower leg, for example by means of Velcro fasteners, etc.
  • the Both rails 2, 3 are connected to one another in an articulated manner by means of an articulated connection 4, so that the orthosis 1 can be brought into a specific position or can also follow a bending or extending movement of the patient's leg.
  • the invention provides that a drive is also provided for the orthosis, which enables the orthosis elements of the orthosis, which are movably connected to one another, to move.
  • FIG. 2 shows such an orthosis 10 according to the invention in a highly simplified, schematic representation.
  • This illustrated orthosis 10 can in turn be a knee orthosis or an arm orthosis. Differences then lie in particular in the dimensions and possibly in the type of fastening of the rails 21, 22, in the dimensioning of joints 24, but also in the dimensioning of the drive 25.
  • an orthosis 10 consists of orthotic elements which can be moved relative to one another.
  • these are two mutually movable rails 21, 22 which are connected to one another via one or more joints 24.
  • the drive starts directly on the upper and lower rails 21, 22.
  • Hydraulic drives hydroaulic cylinders
  • Electric drives stepper or linear motors in cylinder design
  • a first possibility for driving the orthosis is to use pneumatic drives, preferably in the form of pneumatic cylinders.
  • pneumatic drives preferably in the form of pneumatic cylinders.
  • double-acting cylinders are used, which are designed as piston cylinders and have two compressed air connections, one on each piston side.
  • These pneumatic cylinders are usually standardized, whereby the most important specifications within the cylinder standards relate to the cylinder size, the piston diameter, the stroke length and the connection dimensions on the fastening parts.
  • Valves are required to control a pneumatic drive element (start, stop), the definition of which is specified in DIN 24 300, for example.
  • start, stop the definition of which is specified in DIN 24 300, for example.
  • the design of a valve within a pneumatic control is usually of minor importance. The only thing that is important is the function that can be triggered, the type of actuation and the connection size, which also defines the assigned flow cross-section.
  • pneumatic valves are divided into the following main groups:
  • Directional control valves are preferably used for the application in connection with the invention. Such valves, which are required for the switching on and off of bending and stretching movements, are briefly discussed in more detail below.
  • Figure 3 shows schematically a 5/3 multi-way valve.
  • Directional valves influence the path of the compressed air (mainly start, stop and flow direction).
  • Connections from the compressed air network, supply lines to the consumer and exhaust air openings (ventilation) count as paths. Every cylinder has to be vented after work is done so that a new bar can begin. Accordingly, at least one three-way valve is necessary for the invention.
  • the connections R, S (vents), A, B (working lines), and P (compressed air) are controlled as follows.
  • Figure 4 also shows schematically a pneumatic plan for a pneumatic cylinder ZYL.
  • the double-acting cylinder ZYL which has adjustable damping on both sides, has connections for compressed air and throttle valves. Accordingly, the cylinder is connected to throttle check valves DRV, which are also called speed control valves.
  • throttle check valves DRV which are also called speed control valves.
  • Such a throttle check valve consists of 2 valves: from the throttle there are flow valves (adjustable), the check function also makes them a check valve.
  • the throttling point is usually adjustable, which regulates the air flow flowing through. The throttling effect is only in one direction of flow, in the opposite direction there is free passage through the check valve.
  • adjustable pressure valves DVE and a 5/3-way solenoid valve VEN are provided, which have 5 controlled air connections and 3 switched paths, the reversal is done electrically by means of magnets.
  • silencers SDA are also provided, as the compressed air flowing out generates unpleasant noises depending on the pressure and outflow speed, which are bothersome in rooms.
  • a pressure source DQE is connected, which will be discussed in more detail below.
  • two variants of the compressed air supply can be considered: stationary: When used in hospitals or rehabilitation clinics there is a stationary compressed air supply so that an orthosis according to the invention can be put into operation at almost any number of points in the house, but in any case in the patient's room.
  • Compressed air can be made available via our own compressors or in the form of compressed air bottles.
  • the invention can be applied inexpensively using compressed air cylinders, since the infrastructure for the air supply already exists.
  • Stepper and linear motors are preferably used as electrical drives in connection with orthoses.
  • Stepper motors With a stepper motor, discrete positioning can be realized without feedback of the rotor position. This operation as a link in an open control chain and the long service life of the stepper motor bring a considerable cost advantage compared to position controls with feedback and therefore favor its use. Disadvantages are the tendency to mechanical vibrations and falling out when the load is too high, which can lead to loss of step or even to a standstill of the motor. Stepper motors are not directly connected to the network, but require special pulse-generating control devices to control them. Microprocessors generate voltage pulses in a cyclical order, which are fed to the stepper motor after amplification (power electronics). If the motor is supplied with the pulses in a periodic sequence, the rotor executes a continuous rotary movement.
  • reluctance stepper motors VR motor
  • PM motor permanently excited stepper motor
  • HY stepper motor hybrid stepper motors
  • Linear motors can also be used. These often allow mechanically simpler solutions for electromotive drives when implementing movements by eliminating a transmission. B. thrust is generated directly without the intermediary of gears. Linear direct drives in conjunction with magnetic levitation technology also open up completely new combinations of driving, carrying and guiding loads. Among other things, this results in the following advantages when using linear motors:
  • linear motors are designed in short or long stator designs, as solenoids, single-comb or double-comb designs.
  • the runner is usually made of aluminum or copper.
  • a squirrel-cage rotor can also be used.
  • double-comb motors, single-comb motors and the tubular polysolenoid linear motor can be distinguished.
  • the advantage of a solenoid motor is the smooth stroke movement under load as well as without load, regardless of whether it concerns tensile or compressive loads.
  • the spindle can be held in position even when it is not self-locking.
  • Such drives can be used in various applications as an alternative to pneumatic or hydraulic cylinders.
  • linear motors have a number of advantages, namely
  • linear motors Compared to rotating machines, linear motors sometimes have a less favorable power factor. In addition, they usually have lower feed forces, no self-locking (without a brake motor) and higher motor costs.
  • drives for an orthosis must be easy to assemble, moreover reliable in operation, wear-free, inexpensive and low-noise. From the point of view of the electrical drives considered, linear motors are best suited for the operation of orthoses. In addition, the speed of the extending piston rod and the required convertible force can be achieved relatively easily with these motors.
  • the invention is suitable for all types of orthoses in which a movement of body parts is to be achieved by means of the orthosis or a counterforce is to be generated for a movement of a body part.
  • a movement of body parts is to be achieved by means of the orthosis or a counterforce is to be generated for a movement of a body part.
  • several orthotic elements of an orthosis can be moved relative to one another, it is of course also possible for several drives, also of different types, to be used.
  • the special type of attachment of one or more drives to an orthosis, the corresponding dimensioning of the orthosis and the drives is not discussed in detail here, however, since this is within the skill of a person skilled in the art.
  • the drive 25 is connected to a control STR, which is set up to transmit corresponding control signals to the drive 25.
  • control is designed separately from the drive, but in an embodiment ready for series production, these two units can be integrated in a single module.
  • the control itself can be programmed accordingly, for example, so that a specific, callable movement model is carried out by the orthosis in order to train the corresponding limbs.
  • a corresponding speech recognition module can be integrated directly in the control, possibly together with the drive - as briefly mentioned above.
  • the voice input module MOD is designed separately from the control STR as shown in FIG. 2 and is connected to the control.
  • the connection is made by means of an appropriate electrical cable, or by means of wireless communication, something via radio, or, as in a tried and tested embodiment, by means of infrared.
  • infrared has the advantage that no annoying cables are necessary, and it has the advantage over radio that the transmission can be disturbed less easily.
  • radio such as "Bluetooth”
  • Bluetooth has the advantage that no line of sight is necessary between the transmitter and the receiver.
  • a therapist can also treat several patients at the same time. A patient himself can hold the voice input module as desired how it is optimal for him.
  • Voice control systems generally have a very limited vocabulary, since usually only a few commands are required for control and there is no direct contact with the speech-recognition computer. Another distinguishing criterion deals with the question of whether a discrete way of speaking is required for speech recognition, i.e. each word must be spoken for itself, or whether the text can be continuously dictated, as is normal in normal speech.
  • the speech recognition used is a speaker-independent system that can be used by any person without training.
  • a speaker-independent vocabulary is preferably supplied with the invention, since this vocabulary then only has to be adapted to the way the user speaks and does not have to be entered first.
  • the most frequently used words are already contained in the vocabulary mentioned and are deposited with reference patterns. They are only adapted to the speaker. For example, the system learns whether the speaker says "important", “important” or even "wipe table".
  • a voice control for disabled people has to "listen” 24 hours a day, it has to react reliably when it is addressed. In addition, it has to be unintentional Triggered by noises such as B. Music or conversations can be excluded. So that an emergency call can be made at any time in case of doubt, it must not depend on an external voltage source, which in turn means that the power consumption must be very low. Accordingly, simple detection algorithms are required in order to keep the computing power and thus the energy consumption low.
  • An essential measure of performance for speech recognition systems is the correct word recognition in a high percentage.
  • Each system has a certain vocabulary, certain key words (keywords) with which the speech recognition takes place.
  • Devices for speech recognition classify the entered (spoken) words with those that are already stored in the system for certain tasks.
  • the speech recognition system In real use, the speech recognition system must be able to determine whether a word can be accepted or rejected. There may be different background noises when programming the device than with the actual application itself.
  • Another application-specific problem is that a voice remote control is normally not only used in quiet places. Noises from audio and / or TV sets can therefore be expected in the area of the user. Since the voice control devices are in use 24 hours a day and ambient noise is not stationary, it is currently not possible to remove them using the latest noise elimination methods.
  • the user must define and enter two or more language patterns for each keyword. These patterns are saved in the system. If new functions are required or existing functions are no longer required or language changes occur, the system must be able to adapt to the new circumstances. You can also keep old patterns and add new ones.
  • the speech recognition system must constantly adapt to the changed pronunciations of the user. It must be possible to put it into a so-called "standby mode" when it is not in use. In this state, it can only be reactivated by a certain keyword, and only if it is not out of the fluent language All other entries, even if they are defined keywords, must be ignored, in this device state unlimited free speech is possible.
  • Such voice recognition modules or voice control modules MOD are available, for example the product SICARE light from the applicant.
  • a spoken word is converted into a specific IR code using an internal coding table, which is sent to the recipient.
  • the receiver decodes the signal and controls the power section with a corresponding pulse pattern.
  • Most devices that can be controlled with an infrared remote control can also be operated with SICARE light.
  • the learned commands are sent by SICARE light to the corresponding devices after the user has entered a voice.
  • various electrical devices can be voice-controlled and existing remote controls can be replaced.
  • the device can also be operated with buttons.
  • the device is supplied with a specific menu function in which the keywords required for the respective application are already implemented. After switching on the device, a special word is used to switch to the mode in which the speech is input. This voice input is made considerably easier for the user, since the words to be spoken are shown directly on the display and only need to be spoken into the microphone built into the device. However, the words presented here are only to be regarded as examples and the use of other words is also possible, which is particularly advantageous for patients who may additionally suffer from certain restrictions with regard to speaking.
  • the device acknowledges the recognition of the word acoustically. If all key words are known to the device, it can be used immediately or put into standby mode.
  • the voice recognition module MOD for example the device SICARE Hght briefly described above, is activated (in the example of an arm orthosis for the arm arm) with the words “arm arm”.
  • the voice recognition module MOD for example the device SICARE Hght briefly described above, is activated (in the example of an arm orthosis for the arm arm) with the words “arm arm”.
  • eight further entries are possible Keywords used to carry out the required movement patterns:
  • the word “sleep” deactivates the voice control for the abovementioned keywords, so that no unintentional movements can be triggered by normal communication. However, the prerequisite is that a movement sequence that has started must be ended. The word “wake up” is used to activate the voice control and thus for the processes that are possible in the "left arm” menu.
  • FIG. 5 shows a basic circuit diagram of an orthotic control.
  • the heart of the conversion of the signals received from the IR receiver to the drive, for example motors, is a processor PIC, for example a PIC processor 1GF628.
  • This is a one-time programmable chip computer (OTP), which in addition to the processor also contains a RAM and a ROM area. It forms the control voltages and pulse trains required to control the H-bridge.
  • the speed of the motor results from the pulse-pause ratio of the square-wave voltage stored at the PWM output.
  • the direction of rotation is determined by two further exits (Hnks-bend, stretch to the right).
  • An output of the processor PIC is used to control a piezo signal transmitter for acknowledging the recognized keywords.
  • a switch SI at the input of the processor is used to enable or disable the processor outputs and thus to switch off the power section (on / off switch). This state is signaled by the yellow LED at an output of the processor.
  • the bridge driver circuit which generates the gate voltages and currents required for controlling the transistors, is located between the processor and the power unit (SIPMOS H bridge).
  • the power section itself is made up of four transistors of the BUZIOO type, which, as already mentioned, are connected in a bridge, but a complete module (e.g. TLE 6209R) can also be used.
  • the bridge driver circuit and the power output stage are combined in one module. This module can then be controlled directly by the computer.
  • the red and green LEDs indicate the direction of rotation of the orthotic drive. Depending on the speed, the brightness of the diode concerned will vary.
  • the power supply for the drive is provided by a plug-in power supply.
  • a fixed voltage regulator connected in the control unit is used to supply the processor.

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Abstract

The invention relates to an orthopedic appliance, comprised of at least two orthopedic appliance elements (21, 22), e.g. rails, which are interconnected and can be moved toward one another. At least one drive (25) is provided with which the orthopedic appliance elements (21, 22) can be moved relative to one another, and at least one controller (STR) is provided for the at least one drive. According to the invention, the controller of the at least one drive is controlled by voice control. This controller is connected to at least one voice input module (MOD). The voice input module (MOD) is configured for receiving and evaluating voice commands and for initiating a corresponding control of the at least one drive (25). Said voice input module (MOD) wirelessly communicates with the controller (STR).

Description

P9211pct P9211pct
SPRACHGESTEUERTE ORTHESEVOICE-CONTROLLED ORTHOSIS
Die Erfindung betrifft eine Orthese, bestehend aus zumindest zwei miteinander verbundenen und gegeneinander bewegbaren Orthesenelementen, z. B. Schienen, wobei zumindest ein Antrieb vorgesehen ist, mit welchem die Orthesenelemente in Bezug zueinander bewegbar sind, und für den zurnindest einen Antrieb zumindest eine Steuerung vorgesehen ist.The invention relates to an orthosis consisting of at least two interconnected and mutually movable orthotic elements, for. B. rails, wherein at least one drive is provided with which the orthotic elements are movable in relation to each other, and for the at least one drive at least one controller is provided.
Bei Orthesen handelt es sich per Definition um einen „orthopädischer Apparat, der zur Stabilisierung, Entlastung, Ruhigstellung, Führung oder Korrektur von Gliedmaßen oder Rumpf dient; an den Gliedmaßen als Schienenschellenapparat (mit Riemen verseliene Stahlschienen) bzw. Schienen- hülsenapparate (die Glieder umfassende Walklederhülsen), am Rumpf als Leibbinden, Mieder oder Korsett" (PSCHYREMBEL, Klinisches Wörterbuch, 257. Auflage, Verlag Walter de Gruyter, ISBN 3-933203-04-X).Orthoses are by definition an “orthopedic device that is used to stabilize, relieve, immobilize, guide or correct limbs or trunk; on the limbs as a rail clamp device (steel rails fitted with straps) or rail sleeve devices (whale leather sleeves encompassing the limbs), on the trunk as a body bandage, bodice or corset "(PSCHYREMBEL, clinical dictionary, 257th edition, publisher Walter de Gruyter, ISBN 3- 933203-04-X).
Im Gegensatz zu den Prothesen, welche fehlende Extremitäten ersetzen sollen, sind Orthesen Hilfen, die vorhandene Körperteile in Form und Funktion gem. Definition unterstützen.In contrast to the prostheses, which are intended to replace missing limbs, orthoses are aids that shape and function existing body parts. Support definition.
Nach dem heutigen Stand der Technik gibt es Orthesen für viele Indikationen, nachfolgend einige Beispiele:According to the current state of the art, there are orthoses for many indications, some examples below:
• Hals-Orthesen (Cervikalstützen), Schwirnrnkragen• Neck orthoses (cervical supports), spinal collar
• Arm- und Schulter-Orthesen• Arm and shoulder orthoses
• Hand-Orthesen als Therapiehilfe bei Muskelverkürzungen und Gelenksteife• Hand orthoses as a therapy aid for muscle shortening and joint stiffness
• Gehapparate für verschiedene Lähmungserscheinungen (beispielsweise Peronaeus- lähmung, PoliomyeHtis)• Walking devices for various symptoms of paralysis (for example peroneal paralysis, PoliomyeHtis)
• Korsettversorgungen (Rahmenstützkorsett, 3-Punkt-Korsett, Cheneau-Korsett)• Corset restorations (frame support corset, 3-point corset, Cheneau corset)
Im Gegensatz zu Prothesen, welche die Gesamtfunktion eines fehlenden Körperteiles übernimmt, dient eine Orthese lediglich der Entlastung vorhandener Körperbereiche. Eine Orthese stellt somit eine rein passives Mittel zur Unterstützung geschädigter oder nicht mehr voll funktionstüchtiger Körperbereiche eines Patienten dar. Solche Orthesen kommen manchmal zum Beispiel bei Schlaganfall-Patienten, zumeist in Form von Geh-Orthesen, zum Einsatz. Nach der akuten Phase eines Schlaganfalles, in der eine physiotherapeutische Behandlung der gelähmten Gliedmaßen in der Regel nicht notwendig ist, kommt der Bewegungstherapie und Wiederherstellung der motorischen Grundfähigkeiten der betroffenen Körperteile des Patienten ein wichtiger Stellenwert zu.In contrast to prostheses, which take on the overall function of a missing part of the body, an orthosis only serves to relieve existing areas of the body. An orthosis therefore represents a purely passive means of supporting damaged or no longer fully functional areas of a patient's body. Such orthoses are sometimes used, for example, in stroke patients, mostly in the form of walking orthoses. After the acute phase of a stroke, in which physiotherapeutic treatment of the paralyzed limbs is generally not necessary, exercise therapy and restoration of the basic motor skills of the affected parts of the patient's body are of great importance.
Je früher nach einem Schlaganfall dabei mit entsprechenden Therapien begonnen wird, umso größer ist die Aussicht auf eine völlige Wiederherstellung bzw. umso geringer ist ein verbleibender Hirnschaden.The earlier the appropriate therapy is started after a stroke, the greater the prospect of complete recovery or the less residual brain damage.
In einer ersten Phase der Therapie erfolgt dabei noch eine passive Bewegung der betroffenen Gliedmaßen, insbesondere durch Therapeuten, in einer späteren Phase ist dann auch das bewusste Bewegen der Gliedmaßen durch den Patienten gegen einen Widerstand für eine möglichst optimale Rehabilitation von Bedeutung.In a first phase of therapy there is still passive movement of the affected limbs, in particular by therapists, in a later phase the conscious movement of the limbs by the patient against resistance is important for optimal rehabilitation.
Diese Maßnahmen sind verständlicherweise personal- und kostenintensiv und können deshalb zumeist nicht in dem Ausmaß angeboten werden, welcher für eine optimale Rehabilitation der Patienten notwendig wäre.These measures are understandably personnel and cost intensive and can therefore usually not be offered to the extent that would be necessary for optimal patient rehabilitation.
Um von physiotherapeutischem Personal zumindest teilweise unabhängig zu sein, was zumindest hinsichtlich der Betreuungskosten Vorteile bringt, gibt es auch stationäre Anlagen in Krankenhäusern, mit denen ein Bewegen von Gliedmaßen der Patienten möglich ist. Dabei handelt es sich aber um komplexe, teure und stationäre Anlagen, die es notwendig machen, dass sich der Patient vor Ort befindet. Eine „Behandlung" des Patienten mit solchen Einrichtungen ist daher nur im Krankenhaus bzw. einem Rehabilitationszentrum möglich, und auch hier nur zu bestimmten Zeit, da die Einrichtung in der Regel für mehrere Patienten verwendet werden muss.In order to be at least partially independent of physiotherapeutic staff, which has advantages at least in terms of care costs, there are also stationary systems in hospitals with which the limbs of the patient can be moved. However, these are complex, expensive and stationary systems that make it necessary for the patient to be on site. A "treatment" of the patient with such facilities is therefore only possible in the hospital or a rehabilitation center, and only here at a certain time, since the facility usually has to be used for several patients.
Orthesen mit einem Antrieb, teilweise auch mit einer Steuerung für den Antrieb, sind aus der AT 338410 A, US 4 644938 A, US 3 631 542 A und DE 3638094 bekannt.Orthoses with a drive, partly also with a control for the drive, are known from AT 338410 A, US 4 644938 A, US 3 631 542 A and DE 3638094.
Weitere Vorrichtungen zur Rehabilitation sind beispielsweise gezeigt in der JP 2000325412 A, JP 2000262571, US 5 683351, WO 2000/24355A und US 4669451 A.Further devices for rehabilitation are shown, for example, in JP 2000325412 A, JP 2000262571, US 5 683351, WO 2000 / 24355A and US 4669451 A.
Für Personen mit eingeschränkten motorischen Fähigkeiten, welche beispielsweise ihre Hände nur schlecht oder gar nicht benutzen können, oder die die Orthese für einen oder beide Arme verwenden möchten, sind aber diese Orthesen nur schwer oder gar nicht zu bedienen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, auch für Personen mit eingeschränkten motorischen Fähigkeiten die einfache und komfortable Verwendung einer steuerbaren, angetriebenen Orthese zu erlauben.For people with limited motor skills who, for example, can only use their hands poorly or not at all, or who want to use the orthosis for one or both arms, these orthoses are difficult or impossible to use. It is an object of the invention to allow the easy and comfortable use of a controllable, driven orthosis even for people with limited motor skills.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Orthese dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß die Steuerung des zumindest einen Antriebs mittels Sprachsteuerung gesteuert ist, wobei die Steuerung mit zumindest einem Spracheingabemodul verbunden ist, und wobei das Spracheingabemodul dazu eingerichtet ist, Sprachbefehle entgegenzunehmen, auszuwerten und eine entsprechende Steuerung des zumindest einen Antriebs zu veranlassen, wobei das Spracheingabemodul mit der Steuerung drahtlos kommuniziert.This object is achieved with an orthosis mentioned at the outset in that, according to the invention, the control of the at least one drive is controlled by means of voice control, the control being connected to at least one voice input module, and the voice input module being set up to receive voice commands, to evaluate them and to control them accordingly to cause the at least one drive, the voice input module communicating wirelessly with the controller.
Die Erfindung betrifft jene Orthesen, bei denen zwei oder mehr Orthesenelemente, wie zu Beispiel Schienen, der Orthese zueinandern bewegbar sind. Beispielsweise besteht ein Arm- Orthese im einfachsten Fall aus einer Schiene für den Unterarm sowie einer Schiene für den Oberarm, die beide an dem jeweiligen Ober- bzw. Unterarm befestigbar sind. Die beiden Schienen selbst sind gelenkig miteinander verbunden, sodass die Orthese eine Beuge- oder Streckbewegung des Armes mitmachen kann.The invention relates to those orthoses in which two or more orthotic elements, such as rails, of the orthosis can be moved towards one another. For example, in the simplest case, an arm orthosis consists of a splint for the forearm and a splint for the upper arm, both of which can be attached to the respective upper or lower arm. The two splints themselves are articulated so that the orthosis can bend or stretch the arm.
Mit einem entsprechenden Antrieb wird es nun möglich, die beiden Orthesenelemente - in dem Beispiel der Arm-Orthese die Schienen für den Ober- und den Unterarm - unabhängig von einer Person etc. anzutreiben. Damit wird es einerseits möglich, Gliedmaßen eines Patienten ohne dessen Zutun mit der erfindungsgemäßen Orthese zu bewegen, was insbesondere in der Anfangsphase einer Therapie von Bedeutung ist, andererseits wird es außerdem möglich, dass der Patient seine Gliedmaßen gegen eine von der Orthese ausgeübte, mit dem Antrieb erzeugte Kraft bewegt, u so beispielsweise die Muskeln der entsprechenden Gliedmaßen zu trainieren.With an appropriate drive, it is now possible to drive the two orthotic elements - in the example of the arm orthosis, the splints for the upper and lower arm - independently of one person etc. This makes it possible, on the one hand, to move a patient's limbs with the orthosis according to the invention without the patient's intervention, which is particularly important in the initial phase of therapy; The force generated by the drive moves, for example, to train the muscles of the corresponding limbs.
Durch die sprachgesteuerte Bedienung der Orthese wird es für den Patienten möglich, nach seinen Bedürfnisse und seinem Gutdünken zu steuern. Die Sprachsteuerung weist außerdem den Vorteil auf, dass damit auch Patienten, die hinsichtlich des Funktionierens ihrer Gliedmaßen stark eingeschränkt sind, auch die Möglichkeit haben, selbst eine solche Orthese zu steuern.The speech-controlled operation of the orthosis makes it possible for the patient to control according to his needs and at his own discretion. Voice control also has the advantage that patients who are severely restricted in terms of the functioning of their limbs also have the option of controlling such an orthosis themselves.
Für die Sprachsteuerung ist vorgesehen, dass die Steuerung zumindest ein Spracheingabemodul umfasst, welches dazu eingerichtet ist, Sprachbefehle entgegenzunehmen, auszuwerten und den zumindest einen Antrieb entsprechend zu steuern. Dabei ist das Spracheingabemodul getrennt von der Steuerung ausgebildet und drahtlos mit der Steuerung verbunden. Der Patient kann daher das Spracheingabemodul für ihn optimal platzieren und so die Orthese besonders gut steuern.It is provided for the voice control that the control comprises at least one voice input module, which is set up to receive voice commands, to evaluate them and to control the at least one drive accordingly. The voice input module is designed separately from the controller and is wirelessly connected to the controller. The patient can therefore optimally position the speech input module for him and thus control the orthosis particularly well.
Außerdem kann ein Therapeut auf diese Weise die Orthesen von Patienten, auch von mehreren Patienten, einfach über Sprache steuern, ohne dass er sich unmittelbar bei einem Patienten aufhalten muss. Auf diese Weise ist beispielsweise die Überwachung und gleichzeitige Therapie von mehreren Patienten möglich.In this way, a therapist can also easily control the orthoses of patients, including those of several patients, using speech, without having to be directly with a patient. In this way, for example, monitoring and simultaneous therapy of several patients is possible.
Damit die Orthese auch mobil einsetzbar ist, ist der zumindest eine Antrieb unmittelbar an der Orthese befestigt.So that the orthosis can also be used on a mobile basis, the at least one drive is attached directly to the orthosis.
Zweckmäßigerweise ist dabei der zumindest eine Antrieb an einem Orthesenelement der Orthese befestigt.The at least one drive is expediently fastened to an orthotic element of the orthosis.
Bei einer konkreten Ausführungsform der Orthese ist zumindest ein Antrieb ein pneumatischer Antrieb. Dies erlaubt im Bereich von klinischen bzw. physikotherapeutischen Zentren den kostengünstigen Einsatz der Erfindung, da hier Druckluftzylinder verwendet werden können, da die Infrastruktur für die Luftversorgung bereits existiert.In a specific embodiment of the orthosis, at least one drive is a pneumatic drive. This allows the cost-effective use of the invention in the field of clinical or physicotherapeutic centers, since compressed air cylinders can be used here, since the infrastructure for the air supply already exists.
Alternativ oder bei mehreren Antrieben auch zusätzlich kann zumindest ein Antrieb ein hydraulischer Antrieb sein; diese sind üblicherweise in der Anschaffung allerdings teurer als pneumatische Antriebe.Alternatively or in the case of several drives, at least one drive can also be a hydraulic drive; however, these are usually more expensive to buy than pneumatic drives.
Besonders günstig ist es, wenn zumindest ein Antrieb ein elektrischer Antrieb ist. Diese sind kostengünstig in der Anschaffung, einfach zu steuern und entsprechende Energiequellen stehen überall zur Verfügung bzw. erlauben auf einfache Weise den mobilen Einsatz der Orthese beispielsweise unter Verwendung von Akkumulatoren als Energiequelle.It is particularly favorable if at least one drive is an electric drive. These are inexpensive to buy, easy to control and corresponding energy sources are available everywhere or allow the orthosis to be used in a simple manner, for example using batteries as an energy source.
Beispielsweise ist der zumindest eine elektrische Antrieb ein Linearmotor oder ein Schrittmotor.For example, the at least one electric drive is a linear motor or a stepper motor.
Damit eine zuverlässige Steuerung der Orthese unabhängig vom Benutzer erreicht wird, ist weiters noch vorgesehen, dass die Sprachsteuerung sprecherunabhängig erfolgt.In order that reliable control of the orthosis is achieved independently of the user, provision is also made for the voice control to take place independently of the speaker.
Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In this show
Fig. 1 ein Beispiel einer bekannten Knie-Orthese, Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Orthese mit einem Antrieb,1 shows an example of a known knee orthosis, 2 is a schematic diagram of an orthosis with a drive,
Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Dreiwegeventils für einen pneumatischen Antrieb,3 shows the basic structure of a three-way valve for a pneumatic drive,
Fig.4 einen schematischen Pneumatikplan,4 shows a schematic pneumatic plan,
Fig. 5 ein beispielhaftes Prinzip-Schaltbild einer Orthesensteuerung.5 shows an exemplary basic circuit diagram of an orthotic control.
Figur 1 zeig eine bekannten Knie-Orthese 1. Diese besteht im wesentlichen aus einem oberen und einem unteren Orthesenelement 2, 3, beispielsweise in Form von Schienen 2, 3, die am Ober- und am Unterschenkel befestigbar sind, beispielsweise mittels Klettverschlüssen etc. Die beiden Schienen 2, 3 sind mittels einer Gelenksverbindung 4 miteinander gelenkig verbunden, sodass die Orthese 1 in eine bestimmte Position gebracht werden kann oder auch einer Beuge- oder Streckbewegung des Beines des Patienten folgen kann.1 shows a known knee orthosis 1. This essentially consists of an upper and a lower orthotic element 2, 3, for example in the form of rails 2, 3, which can be fastened to the upper and lower leg, for example by means of Velcro fasteners, etc. The Both rails 2, 3 are connected to one another in an articulated manner by means of an articulated connection 4, so that the orthosis 1 can be brought into a specific position or can also follow a bending or extending movement of the patient's leg.
Ausgehend von solchen bekannten Orthesen sieht die Erfindung vor, dass für die Orthese weiters ein Antrieb vorgesehen ist, der eine Bewegung der beweglich miteinander verbundenen Orthesenelemente der Orthese ermöglicht.Based on such known orthoses, the invention provides that a drive is also provided for the orthosis, which enables the orthosis elements of the orthosis, which are movably connected to one another, to move.
Figur 2 zeigt eine solche erfindungsgemäße Orthese 10 in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung. Bei dieser dargestellten Orthese 10 kann es sich wiederum um eine Knie-Orthese oder auch eine Arm-Orthese handeln. Unterschiede liegen dann insbesondere in den Dimensionen und möglicherweise in der Art der Befestigung der Schienen 21, 22, in der Dimensionierung von Gelenken 24, aber auch in der Dimensionierung des Antriebes 25.FIG. 2 shows such an orthosis 10 according to the invention in a highly simplified, schematic representation. This illustrated orthosis 10 can in turn be a knee orthosis or an arm orthosis. Differences then lie in particular in the dimensions and possibly in the type of fastening of the rails 21, 22, in the dimensioning of joints 24, but also in the dimensioning of the drive 25.
Wie schon angedeutet, besteht eine erfindungsgemäße Orthese 10 aus zueinander beweglichen Orthesenelementen. Im Falle einer Knie- bzw. Arm-Orthese handelt es sich dabei um zwei zueinander bewegliche Schienen 21, 22, die über ein oder mehrere Gelenke 24 miteinander verbunden sind. Weiters ist ein Antrieb 25, in dem gezeigten Beispiel ein Zylinderantrieb 25, dargestellt, der eine Bewegung der beiden Schienen 21, 22 über die gelenkige Verbindung 24 zueinander erlaubt. In der gezeigten schematischen Darstellung setzt dabei der Antrieb direkt an der oberen als auch der unteren Schiene 21, 22 an.As already indicated, an orthosis 10 according to the invention consists of orthotic elements which can be moved relative to one another. In the case of a knee or arm orthosis, these are two mutually movable rails 21, 22 which are connected to one another via one or more joints 24. Furthermore, a drive 25, in the example shown a cylinder drive 25, is shown, which allows the two rails 21, 22 to move via the articulated connection 24 to one another. In the schematic illustration shown, the drive starts directly on the upper and lower rails 21, 22.
Zum Antreiben der Orthese eignen sich prinzipiell verschiedene Arten von bekannten Antrieben:In principle, different types of known drives are suitable for driving the orthosis:
• Pneumatische Antriebe (Pneumatik-Zylinder)• Pneumatic drives (pneumatic cylinders)
• Hydraulische Antriebe (Hydraulik-Zylinder) • Elektrische Antriebe (Schritt- oder Linearmotoren in Zylinderbauweise)• Hydraulic drives (hydraulic cylinders) • Electric drives (stepper or linear motors in cylinder design)
Pneumatische AntriebePneumatic drives
Eine erste Möglichkeit zum Antreiben der Orthese besteht in der Verwendung von pneumatischen Antrieben, vorzugsweise in Form von Pneumatikzylindern. Zumeist werden doppeltwirkende Zylinder verwendet, welche als Kolbenzylinder ausgeführt sind und zwei Druckluftanschlüsse, je einen auf jeder Kolbenseite, aufweisen. Diese Pneumatikzylinder sind üblicherweise genormt, wobei die wichtigsten Festlegungen innerhalb der Zylindernormen die Zylindergröße, den Kolbendurchmesser, die Hublänge und die Anschlussmaße an den Befestigungsteilen betreffen.A first possibility for driving the orthosis is to use pneumatic drives, preferably in the form of pneumatic cylinders. Usually double-acting cylinders are used, which are designed as piston cylinders and have two compressed air connections, one on each piston side. These pneumatic cylinders are usually standardized, whereby the most important specifications within the cylinder standards relate to the cylinder size, the piston diameter, the stroke length and the connection dimensions on the fastening parts.
Diese Normung der Pneumatikzylinder erlaubt den Einsatz und Austausch gleichwertiger (genormter) Zylinder von verschiedenen Fabrikaten, was im Hinblick auf weltweiten Service, Lagerhaltung, Ersatzteilbeschaffung usw. von Vorteil ist.This standardization of the pneumatic cylinders allows the use and exchange of equivalent (standardized) cylinders from different brands, which is advantageous in terms of worldwide service, warehousing, spare parts procurement, etc.
Für die Steuerung eines pneumatischen Antriebsgliedes (Start, Stopp) werden Ventile benötigt, deren Definition beispielsweise in DIN 24 300 festgelegt ist. Die Bauart eines Ventils innerhalb einer pneumatischen Steuerung ist meist von untergeordneter Bedeutung. Wichtig ist allein die damit auslösbare Funktion, die Betätigungsart und die Anschlussgröße, womit auch der zugeordnete Durchflussquerschnitt festgelegt ist.Valves are required to control a pneumatic drive element (start, stop), the definition of which is specified in DIN 24 300, for example. The design of a valve within a pneumatic control is usually of minor importance. The only thing that is important is the function that can be triggered, the type of actuation and the connection size, which also defines the assigned flow cross-section.
Nach der Funktion unterteilt man pneumatische Ventile in folgende Hauptgruppen:According to the function, pneumatic valves are divided into the following main groups:
• Wegeventile• Directional control valves
• Stromventile• Flow valves
• Sperrventile• check valves
• Druckventile• pressure valves
Für die Anwendung im Zusammenhang mit der Erfindung kommen vorzugsweise Wegeventile zum Einsatz. Auf solche Ventile, die für das Ein- und Ausschalten von Beuge- und Streckbewegungen benötigt werden, wird im folgenden kurz noch näher eingegangen.Directional control valves are preferably used for the application in connection with the invention. Such valves, which are required for the switching on and off of bending and stretching movements, are briefly discussed in more detail below.
Figur 3 zeigt dazu schematisch ein 5/3-Mehrwegeventil. Wegeventile beeinflussen den Weg der Druckluft (vorwiegend Start, Stopp und Durchflussrichtung). Je nach Anzahl der gesteuerten Wege handelt es sich um Zweiwege-, Dreiwege-, Vierwege-, Fünfwege- oder Vielwegeventile. Als Weg zählen Anschlüsse vom Druckluftnetz, Zuleitungen zum Verbraucher und Abluftöffnungen (Entlüftung). Jeder Zylinder muss nach vollbrachter Arbeit entlüftet werden, damit ein neuer Takt beginnen kann. Für die Erfindung ist demnach zumindest ein Dreiwegeventil notwendig. Die Anschlüsse R, S (Entlüftungen), A, B (Arbeitsleitungen), und P (Druckluf tanschmss) werden dabei wie folgt gesteuert. In der Ausgangslage ist der Durchlass über die Richtung P -> A geöffnet (Belüftung einer Zylinderhälfte), während in der Richtung P -S B eine Sperre vorliegt. Nach einer elektrischen Betätigung sind in der Mittelstellung - d.h. wenn keine Ventile elektrisch angesteuert sind - die Ausgänge A und B gleichzeitig gesperrt, und nach dem vollständigen Umschalten sind die Zustände genau umgekehrt, d.h. es ist der Durchlass P - A gesperrt, während der Durchlass P - B geöffnet ist (Entlüftung der anderen Zylinderhälfte). Ein symbolisch in Figur 3 dargestellter doppeltwirkender Zylinder ist mit V gekennzeichnet.Figure 3 shows schematically a 5/3 multi-way valve. Directional valves influence the path of the compressed air (mainly start, stop and flow direction). Depending on the number of controlled routes, there are two-way, three-way, four-way, five-way or multi-way valves. Connections from the compressed air network, supply lines to the consumer and exhaust air openings (ventilation) count as paths. Every cylinder has to be vented after work is done so that a new bar can begin. Accordingly, at least one three-way valve is necessary for the invention. The connections R, S (vents), A, B (working lines), and P (compressed air) are controlled as follows. In the initial position, the passage is open via direction P -> A (ventilation of one cylinder half), while there is a blockage in direction P -SB. After an electrical actuation, the outputs A and B are blocked at the same time in the middle position - ie when no valves are electrically actuated - and after the switchover is complete, the states are exactly the opposite, i.e. passage P - A is blocked, while passage P - B is open (ventilation of the other half of the cylinder). A double-acting cylinder shown symbolically in FIG. 3 is identified by V.
Figur 4 zeigt weiters noch schematisch einen Pneumatikplan für einen Pneumatikzylinder ZYL.Figure 4 also shows schematically a pneumatic plan for a pneumatic cylinder ZYL.
Der doppeltwirkende Zylinder ZYL, der beispielsweise eine beidseitige, einstellbare Dämpfung aufweist, weist Anschlüsse für Druckluft und Drosselventile auf. Entsprechend ist der Zylinder mit Drosselrückschlagventilen DRV, die auch GeschwindigkeitsreguHerventile genannt werden, verbunden. Ein solches Drosselrückschlagventil bestehet aus 2 Ventilen: von der Drossel her sind es Stromventile (einstellbar), die Rückschlagfunktion macht sie gleichzeitig auch zu einem Sperrventil. Bei Drosselrückschlagventilen ist die Drosselstelle meist einstellbar, womit der durchfließende Luftstrom reguliert wird. Die Drosselwirkung besteht nur in einer Durchströmungsrichtung, in der entgegengesetzten Richtung ist freier Durchgang über das Rückschlagventil gegeben.The double-acting cylinder ZYL, which has adjustable damping on both sides, has connections for compressed air and throttle valves. Accordingly, the cylinder is connected to throttle check valves DRV, which are also called speed control valves. Such a throttle check valve consists of 2 valves: from the throttle there are flow valves (adjustable), the check function also makes them a check valve. In the case of one-way flow control valves, the throttling point is usually adjustable, which regulates the air flow flowing through. The throttling effect is only in one direction of flow, in the opposite direction there is free passage through the check valve.
Außerdem sind noch einstellbare Druckventile DVE sowie ein 5/3-Wege-Magnetventil VEN vorgesehen, welches 5 gesteuerte Luftanschlüsse und 3 geschaltete Wege aufweist, die Umsteuerung erfolgt elektrisch mittels Magneten.In addition, adjustable pressure valves DVE and a 5/3-way solenoid valve VEN are provided, which have 5 controlled air connections and 3 switched paths, the reversal is done electrically by means of magnets.
Außerdem sind noch Schalldämpfer SDA vorgesehen, da die ausströmende Druckluft beim Entspannen je nach Druck und Ausströmgeschwindigkeit unangenehme Geräusche erzeugt, die innerhalb von Räumen störend sind.In addition, silencers SDA are also provided, as the compressed air flowing out generates unpleasant noises depending on the pressure and outflow speed, which are bothersome in rooms.
Weiters ist noch eine Druckquelle DQE angeschlossen, auf die unten noch näher eingegangen wird.Furthermore, a pressure source DQE is connected, which will be discussed in more detail below.
Für den Einsatz von Druckluftzylindern DQE als Druckquellen kommen 2 Varianten der Druckluftversorgung in Betracht: stationär: Bei Einsatz im Krankenhaus bzw. in der RehabiHtationsldinik existiert eine stationäre Druckluftversorgung, sodass eine erfindungsgemäße Orthese an nahezu beliebig vielen Punkten des Hauses in Betrieb genommen werden kann, jedoch in jedem Fall im Zimmer des Patienten.For the use of compressed air cylinders DQE as pressure sources, two variants of the compressed air supply can be considered: stationary: When used in hospitals or rehabilitation clinics there is a stationary compressed air supply so that an orthosis according to the invention can be put into operation at almost any number of points in the house, but in any case in the patient's room.
mobil: Für die Verwendung außerhalb obiger Institutionen (z. B. zu Hause) muss diemobile: For use outside the above institutions (e.g. at home), the
Druckluft über eigene Kompressoren oder in Form von Pressluftflaschen zur Verfügung gestellt werden.Compressed air can be made available via our own compressors or in the form of compressed air bottles.
Im Bereich von klinischen bzw. physikotherapeutischen Zentren kann die Erfindung kostengünstig unter Einsatz von Druckluftzylindern angewandt werden, da die Infrastruktur für die Luftversorgung bereits existiert.In the field of clinical or physicotherapeutic centers, the invention can be applied inexpensively using compressed air cylinders, since the infrastructure for the air supply already exists.
Anders sieht allerdings die Situation außerhalb dieser Institutionen aus, da jeder Patient selbst für den Luftanschluss sorgen muss. Außerdem bedeutet es für den Anwender eine zusätzliche körperliche und psychische Belastung, den Wechsel der Druckquelle zu veranlassen, bzw. auch hier auf die Hilfe anderer Menschen angewiesen zu sein.However, the situation outside of these institutions is different, since each patient has to provide the air connection himself. In addition, it means an additional physical and psychological burden for the user to change the pressure source, or to be dependent on the help of other people.
Hydraulische AntriebeHydraulic drives
Grundsätzlich sind auch solche Antriebe, insbesondere in Form von Hydraulikzylindern, für die den Einsatz bei der erfindungsgemäßen Orthese von Interesse und es gelten hinsichtlich der Dimensionierungen etc. ähnliche, im Rahmen dieses Dokumentes allerdings nicht beschriebene Überlegungen. Allerdings sind hydraulische Antriebe in der Anschaffung teurer als pneumatische Antriebe.In principle, such drives, in particular in the form of hydraulic cylinders, are also of interest for use in the orthosis according to the invention, and similar considerations apply with regard to the dimensions etc., but are not described in the context of this document. However, hydraulic drives are more expensive to buy than pneumatic drives.
Elektrische AntriebeElectric motors
Als Elektrische Antriebe im Zusammenhang mit Orthesen werden vorzugsweise Schritt- und Linearmotoren verwendet.Stepper and linear motors are preferably used as electrical drives in connection with orthoses.
Mit einem Schrittmotor kann eine diskrete Positionierung ohne Rückmeldung der Rotorlage realisiert werden. Dieser Betrieb als Glied in einer offenen Steuerkette und die hohe Lebensdauer des Schrittmotors bringen einen erheblichen Kostenvorteil gegenüber Positionsregelungen mit Rückmeldung und begünstigen daher dessen Einsatz. Nachteile sind die Neigung zu mechanischen Schwingungen und das Außertrittfallen bei zu hoher Belastung, wodurch es zu Schrittverlusten oder sogar zum Stillstand des Motors kommen kann. Schrittmotoren werden nicht unmittelbar an das Netz angeschlossen, sondern erfordern zu ihrer Ansteuerung spezielle impulserzeugende Steuergeräte. Mikroprozessoren generieren Spannungsimpulse in einer zyklischen Reihenfolge, die nach Verstärkung (Leistungselektronik) dem Schrittmotor zugeführt werden. Liefert man dem Motor die Impulse in periodischem Ablauf, so führt der Läufer eine kontinuierliche Drehbewegung aus.With a stepper motor, discrete positioning can be realized without feedback of the rotor position. This operation as a link in an open control chain and the long service life of the stepper motor bring a considerable cost advantage compared to position controls with feedback and therefore favor its use. Disadvantages are the tendency to mechanical vibrations and falling out when the load is too high, which can lead to loss of step or even to a standstill of the motor. Stepper motors are not directly connected to the network, but require special pulse-generating control devices to control them. Microprocessors generate voltage pulses in a cyclical order, which are fed to the stepper motor after amplification (power electronics). If the motor is supplied with the pulses in a periodic sequence, the rotor executes a continuous rotary movement.
Beispielsweise werden Reluktanz-Schrittmotoren (VR-Motor), permanenterregte Schrittmotor (PM-Motor), oder Hybrid-Schrittmotoren (HY-Schrittmotor) eingesetzt, auf die an dieser Stelle aber nicht näher eingegangen wird.For example, reluctance stepper motors (VR motor), permanently excited stepper motor (PM motor), or hybrid stepper motors (HY stepper motor) are used, which are not discussed in more detail here.
Weiters können auch Linearmotoren zum Einsatz kommen. Diese erlauben bei der Umsetzung von Bewegungen durch Wegfall eines Getriebes oftmals mechanisch einfachere Lösungen für elektromotorische Antriebe, z. B. wird Schubkraft direkt ohne Zwischenschaltung von Getrieben erzeugt. Lineare Direktantriebe in Verbindung mit Magnetschwebetechnik eröffnen auch völlig neue Kombinationen von Antreiben, Tragen und Führen von Lasten. Daraus ergeben sich unter anderem folgende Vorteile bei der Verwendung von Linearmotoren:Linear motors can also be used. These often allow mechanically simpler solutions for electromotive drives when implementing movements by eliminating a transmission. B. thrust is generated directly without the intermediary of gears. Linear direct drives in conjunction with magnetic levitation technology also open up completely new combinations of driving, carrying and guiding loads. Among other things, this results in the following advantages when using linear motors:
• Zugkraft ist unabhängig von der Haftreibung• Traction is independent of static friction
• Erhöhung der Zuverlässigkeit infolge Wegfall von Verschleißteilen• Increased reliability due to the absence of wear parts
• Kraftübertragung erfolgt berührungslos• Power transmission takes place without contact
• robuste, einfache Gestaltung des Antriebes• Robust, simple design of the drive
Linearmotoren werden je nach Einsatzgebiet in Kurzstator- oder Langstator- Ausführung, als Solenoid, Einzelkamm- oder Doppelkamm-Bauform ausgeführt.Depending on the field of application, linear motors are designed in short or long stator designs, as solenoids, single-comb or double-comb designs.
Betrachtet man den mechanischen Aufbau eines Linearmotors, und denkt man sich den Ständer eines asynchronen Drehstrommotors aufgeschnitten und abgewickelt, entsteht ein flaches Blechpaket mit rechteckigen Nuten. Dieser Teil des Linearmotors wird als Induktor bezeichnet. In den Nuten des Induktors wird die Wicklung eingebracht. Beim Doppelkammmotor befindet sich zwischen den beiden gegenüberstehenden Induktoren eine flache Läuferschiene.If you look at the mechanical structure of a linear motor and you think of the stator of an asynchronous three-phase motor cut open and unwound, a flat laminated core with rectangular grooves is created. This part of the linear motor is called an inductor. The winding is inserted in the slots of the inductor. In the double comb motor, there is a flat runner rail between the two opposing inductors.
Der Läufer wird meist aus Aluminium oder Kupfer gefertigt. In Sonderfällen kann auch ein Käfigläufer zur Anwendung kommen. Entsprechend möglicher konstruktiver Ausführungen von Läufer und Induktor sind demnach Doppelkammmotoren, EinzeUcammmotoren und der rohrf örmige Polysolenoid-Linearmotor zu unterscheiden. Der Vorteil eines Solenoid-Motors ist die gleichmäßige Hubbewegung unter Last sowie ohne Last, wobei es keine Rolle spielt, ob es sich um Zug- oder Druckbelastungen handelt.The runner is usually made of aluminum or copper. In special cases, a squirrel-cage rotor can also be used. Depending on the possible design of the rotor and inductor, double-comb motors, single-comb motors and the tubular polysolenoid linear motor can be distinguished. The advantage of a solenoid motor is the smooth stroke movement under load as well as without load, regardless of whether it concerns tensile or compressive loads.
Mittels eines Bremsmotors kann die Spindel auch bei Nicht-Selbsthemmung in Position gehalten werden. Solche Antriebe können in verschiedenen Einsatzfällen alternativ zu Pneumatik- oder Hydraulikzylindern eingesetzt werden.Using a brake motor, the spindle can be held in position even when it is not self-locking. Such drives can be used in various applications as an alternative to pneumatic or hydraulic cylinders.
Linearmotoren weisen insgesamt betrachtet eine Reihe von Vorteilen auf, nämlichOverall, linear motors have a number of advantages, namely
• Hohe Präzision (bis 0,1 μm)• High precision (up to 0.1 μm)
• Schnelligkeit (hohe Geschwindigkeit, hohe Beschleunigung)• Speed (high speed, high acceleration)
• Verschleißfrei (berührungsloser Antrieb)• Wear-free (non-contact drive)
• Montagefreundlich (geringe Bauteilanzahl)• Easy to assemble (small number of components)
• Hoher Gleichlauf (einfache Regelbarkeit)• High synchronism (easy controllability)
Im Vergleich zu rotierenden Maschinen weisen Linearmotoren teilweise ungünstigeren Leistungsfaktor auf. Außerdem weisen sie in der Regel geringere Vorschubkräfte, keine Selbsthemmung (ohne Bremsmotor) und höhere Motorkosten auf.Compared to rotating machines, linear motors sometimes have a less favorable power factor. In addition, they usually have lower feed forces, no self-locking (without a brake motor) and higher motor costs.
Grundsätzlich müssen Antriebe für eine Orthese leicht zu montieren, darüber hinaus zuverlässig im Betrieb, verschleißfrei, kostengünstig und geräuscharm sein. Linearmotoren eignen sich aus der Sicht der betrachteten elektrischen Antriebe für einen Betrieb von Orthesen am besten. Außerdem lassen sich mit diesen Motoren die Geschwindigkeit der ausfahrenden Kolbenstange und die geforderte umsetzbare Kraft relativ einfach erreichen.Basically, drives for an orthosis must be easy to assemble, moreover reliable in operation, wear-free, inexpensive and low-noise. From the point of view of the electrical drives considered, linear motors are best suited for the operation of orthoses. In addition, the speed of the extending piston rod and the required convertible force can be achieved relatively easily with these motors.
Bisher wurde grundsätzlich auf Orthesen und auf die Möglichkeiten des Antriebes solcher Orthesen eingegangen, insbesondere am Beispiel von Knie- bzw. Armorthesen. Grundsätzlich eignet sich die Erfindung für alle Arten von Orthesen, bei denen eine Bewegung von Körperteilen mittels der Orthese erreicht werden soll bzw. eine Gegenkraft zu einer Bewegung eines Körperteiles erzeugt werden soll. Sind mehrere Orthesenelemente einer Orthese relativ zueinander bewegbar, so ist es natürlich auch möglich, dass mehrere Antriebe, auch unterschiedlicher Natur, zum Einsatz kommen können. Auf die spezielle Art der Befestigung eines oder mehrere Antriebe an einer Orthese, auf die entsprechenden Dimensionierung der Orthese und der Antriebe wird an dieser Stelle aber nicht näher eingegangen, da dies im Können eines Fachmanns liegt. Von besonderem Vorteil ist es natürlich, wenn der oder die Antriebe einer Orthese gesteuert sind.So far, orthoses and the possibilities of driving such orthoses have been dealt with, in particular using the example of knee or arm orthoses. In principle, the invention is suitable for all types of orthoses in which a movement of body parts is to be achieved by means of the orthosis or a counterforce is to be generated for a movement of a body part. If several orthotic elements of an orthosis can be moved relative to one another, it is of course also possible for several drives, also of different types, to be used. The special type of attachment of one or more drives to an orthosis, the corresponding dimensioning of the orthosis and the drives is not discussed in detail here, however, since this is within the skill of a person skilled in the art. Of course, it is particularly advantageous if the drive or drives of an orthosis are controlled.
Dazu ist, wie der Figur 2 zu entnehmen, der Antrieb 25 mit einer Steuerung STR verbunden, welche dazu eingerichtet ist, entsprechende Steuersignale an den Antrieb 25 zu übermitteln. In der Darstellung ist die Steuerung von dem Antrieb getrennt ausgebildet, in einer serienreifen Ausführungsform können aber diese beiden Einheiten in einem einzigen Modul integriert sein.For this purpose, as can be seen in FIG. 2, the drive 25 is connected to a control STR, which is set up to transmit corresponding control signals to the drive 25. In the illustration, the control is designed separately from the drive, but in an embodiment ready for series production, these two units can be integrated in a single module.
Die Steuerung selbst kann beispielsweise entsprechend programmiert sein, sodass ein bestimmtes, aufrufbares Bewegungsmodell von der Orthese durchgeführt wird, um so die entsprechenden Gliedmaßen zu trainieren.The control itself can be programmed accordingly, for example, so that a specific, callable movement model is carried out by the orthosis in order to train the corresponding limbs.
Weiters wäre es beispielsweise möglich, der Steuerung mittels etwa eines Joysticks oder einer anderen geeigneten Apparatur Eingangssignale zu übermitteln, welche die Steuerung STR dann in entsprechende Bewegungen oder Aktionen, etwa das Aufbringen einer Gegenkraft, der Orthese umsetzt.Furthermore, it would be possible, for example, to transmit input signals to the control by means of a joystick or other suitable apparatus, which the control STR then converts into corresponding movements or actions, such as the application of a counterforce, to the orthosis.
Besonders vorteilhaft ist es allerdings, wenn die Steuerung mittels Sprache erfolgt. Ein entsprechendes Spracherkennungsmodul kann direkt in der Steuerung, gegebenenfalls zusammen mit dem Antrieb - wie oben kurz angesprochen - integriert sein.However, it is particularly advantageous if the control takes place using speech. A corresponding speech recognition module can be integrated directly in the control, possibly together with the drive - as briefly mentioned above.
Hinsichtlich der einfacheren Spracheingabe ist es allerdings zweckmäßig, wenn das Spracheingabenmodul MOD wie in Figur 2 dargestellt von der Steuerung STR getrennt ausgebildet ist und mit der Steuerung verbunden ist. Beispielsweise erfolgt die Verbindung mittels eines entsprechenden elektrischen Kabels, oder mittels drahtloser Koinmunikation, etwas über Funk, oder wie bei einer erprobten Ausführungsforrn mittels Infrarot. Infrarot weist einerseits den Vorteil auf, dass keine störenden Kabel notwendig sind, und hat gegenüber Funk noch den Vorteil, dass die Übertragung weniger leicht gestört werden kann.With regard to the simpler voice input, however, it is expedient if the voice input module MOD is designed separately from the control STR as shown in FIG. 2 and is connected to the control. For example, the connection is made by means of an appropriate electrical cable, or by means of wireless communication, something via radio, or, as in a tried and tested embodiment, by means of infrared. On the one hand, infrared has the advantage that no annoying cables are necessary, and it has the advantage over radio that the transmission can be disturbed less easily.
Die Verwendung von Funk, wie beispielsweise von „Bluetooth", weist den Vorteil auf, dass keine Sichtverbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger notwendig ist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Therapeut mehrere Patienten auch gleichzeitig therapieren. Ein Patient selbst kann das Spracheingabemodul beliebig halten, wie es für ihn optimal ist.The use of radio, such as "Bluetooth", has the advantage that no line of sight is necessary between the transmitter and the receiver. In this way, for example, a therapist can also treat several patients at the same time. A patient himself can hold the voice input module as desired how it is optimal for him.
Sprachsteuerungssysteme verfügen in der Regel über einen stark begrenzten Wortschatz, da meist nur wenige Befehle zur Steuerung benötigt werden und kein direkter Kontakt zum spracherkennenden Computer bestehen muss. Ein weiteres Unterscheidungskriterium befasst sich mit der Frage, ob zur Spracherkennung eine diskrete Sprechweise erforderlich ist, also jedes Wort für sich gesprochen werden muss, oder ob der Text kontinuierlich diktiert werden kann, wie es beim normalen Sprechen üblich ist.Voice control systems generally have a very limited vocabulary, since usually only a few commands are required for control and there is no direct contact with the speech-recognition computer. Another distinguishing criterion deals with the question of whether a discrete way of speaking is required for speech recognition, i.e. each word must be spoken for itself, or whether the text can be continuously dictated, as is normal in normal speech.
Für die vorliegende Erfindung ist allerdings eine sogenannte „isolierte" Worterkennung ausreichend, da ausschließlich Aktionen von Einzelworten abgeleitet werden müssen.For the present invention, however, so-called "isolated" word recognition is sufficient, since only actions from individual words have to be derived.
Außerdem handelt es sich bei der verwendeten Spracherkennung um ein sprecherunabhängiges System, das von jeder beliebigen Person ohne Training genutzt werden kann.In addition, the speech recognition used is a speaker-independent system that can be used by any person without training.
Bei einem Spracherkertnungssystem ohne mitgelieferten sprecherunabhängigen Wortschatz muss jeder Benutzer, der mit dem System arbeiten möchte, seinen eigenen, persönHchen Wortschatz erst aufbauen. Aus jedem Wort, das der Benutzer diktiert, muss der Rechner ein Referenzmuster erzeugen. Erst wenn der selbst aufgebaute Wortschatz repräsentativ genug ist, können ausreichend gute Erkennungsergebnisse erreicht werden. Dadurch dauert die Einarbeitungszeit für jeden Benutzer sehr lange und die Produktivität wird zunächst stark absinken. Solche Systeme sind heute nicht mehr üblich.In the case of a speech recognition system without the supplied speaker-independent vocabulary, each user who wants to work with the system must first build up his own personal vocabulary. The computer must generate a reference pattern from each word that the user dictates. Sufficiently good recognition results can only be achieved if the vocabulary you have built yourself is representative enough. As a result, the training period for each user takes a very long time and productivity will drop sharply at first. Such systems are no longer common today.
Daher wird bei der Erfindung vorzugsweise ein sprecherunabhängiger Wortschatz mitgelie- fert, da dann dieser Wortschatz nur noch an die Sprechweise des Benutzers angepasst und nicht erst eingegeben werden muss. Die am häufigsten verwendeten Worte sind im genannten Wortschatz bereits enthalten und mit Referenzmustern hinterlegt. Sie werden nur noch an den Sprecher adaptiert. Zum Beispiel lernt das System, ob der Sprecher „wichtig", „wich- tich" oder gar „wischtisch" sagt.Therefore, a speaker-independent vocabulary is preferably supplied with the invention, since this vocabulary then only has to be adapted to the way the user speaks and does not have to be entered first. The most frequently used words are already contained in the vocabulary mentioned and are deposited with reference patterns. They are only adapted to the speaker. For example, the system learns whether the speaker says "important", "important" or even "wipe table".
Ein Anpassungstiaining ist aufgrund der heutigen sprecherunabhängigen Systeme zwar nicht mehr notwendig, aber aufgrund unserer individuellen Aussprache sehr empfehlenswert. Man erzielt dadurch von Anfang an eine weitaus höhere Erkennungsgenauigkeit.Adaptation training is no longer necessary due to today's speaker-independent systems, but is highly recommended due to our individual pronunciation. This results in a much higher level of recognition accuracy right from the start.
Zuverlässige Spracherkennungssysteme für einen realen Einsatz sind nach wie vor selten. Eine der größten Herausforderungen sind Sprachsteuerungen für körperbehinderte Menschen wie etwa Schlaganfallpatienten. Für viele Benutzer solcher Systeme ist Sprache das einzige Mittel, um mit ihrer Umwelt kommunizieren zu können. Oft ist es diesen Anwendern gar nicht möglich, unter Zuhilfenahme der eigenen Hände Geräte zu bedienen.Reliable speech recognition systems for real use are still rare. One of the biggest challenges is voice control for people with physical disabilities, such as stroke patients. For many users of such systems, language is the only way to communicate with their environment. These users are often unable to operate devices with their own hands.
Eine Sprachsteuerung für behinderte Menschen muss 24 Stunden am Tag „zuhören", sie muss verlässlich reagieren, wenn sie angesprochen wird. Außerdem muss unbeabsichtigtes Auslösen durch Geräusche wie z. B. Musik oder Gespräche ausgeschlossen werden. Damit im Zweifelsfall jederzeit ein Notruf abgesetzt werden kann, darf sie nicht von einer externen Spannungsquelle abhängig sein, was wiederum bedeutet, dass der Stromverbrauch sehr gering sein muss. Demgemäß sind einfache Erkennungsalgorithmen erforderlich, um die Rechnerleistung und damit den Energieverbrauch gering zu halten.A voice control for disabled people has to "listen" 24 hours a day, it has to react reliably when it is addressed. In addition, it has to be unintentional Triggered by noises such as B. Music or conversations can be excluded. So that an emergency call can be made at any time in case of doubt, it must not depend on an external voltage source, which in turn means that the power consumption must be very low. Accordingly, simple detection algorithms are required in order to keep the computing power and thus the energy consumption low.
Ein wesentliches Leistungsmaß für Spracherkennungssysteme ist in hohem Prozentsatz die richtige Worterkennung. Jedes System hat ein bestimmtes Vokabular, bestimmte Schlüsselwörter (Keywords), mit welchen die Spracherkennung abläuft. Geräte zur Spracherkennung klassifizieren die eingegebenen (gesprochenen) Worte mit jenen, die bereits im System für bestimmte Aufgaben hinterlegt sind.An essential measure of performance for speech recognition systems is the correct word recognition in a high percentage. Each system has a certain vocabulary, certain key words (keywords) with which the speech recognition takes place. Devices for speech recognition classify the entered (spoken) words with those that are already stored in the system for certain tasks.
Im realen Einsatz muss das Spracherkennungssystem sicher bestimmen können, ob ein Wort angenommen werden kann oder zurückgewiesen werden muss. Möglicherweise existieren beim Programmieren des Gerätes andere Hintergrundgeräusche als bei der eigentlichen Anwendung selbst.In real use, the speech recognition system must be able to determine whether a word can be accepted or rejected. There may be different background noises when programming the device than with the actual application itself.
Bei der Herstellung von Sprachsteuerungen für behinderte Menschen müssen unbedingt unerwünschte Reaktionen der Geräte vermieden werden, da diese Menschen wahrscheinlich nicht in der Lage sind, bestimmte Aktionen wieder rückgängig zu machen. Ein Spracherkennungssystem muss auch dann noch einwandfrei funktionieren, wenn die Sprache des Benutzers Veränderungen unterworfen ist (z. B. durch Krankheit bedingte unklare Aussprache).When manufacturing voice controls for disabled people, it is essential to avoid unwanted device responses, as these people may not be able to undo certain actions. A speech recognition system must still function properly even if the language of the user is subject to changes (e.g. unclear pronunciation due to illness).
Ein anderes anwendungsspezifisches Problem ist, dass eine Sprachfernbedienung normalerweise nicht nur an ruhigen Plätzen zum Einsatz kommt. Im Bereich des Benutzers ist daher mit Geräuschen von Audio- und/ oder TV-Geräten zu rechnen. Da die Sprachsteuergeräte 24 Stunden am Tag im Einsatz sind und Umgebungsgeräusche nicht stationär sind, ist es aus heutiger Sicht nicht möglich, diese auch mit den neuesten Geräuscheliminationsverfahren zu entfernen.Another application-specific problem is that a voice remote control is normally not only used in quiet places. Noises from audio and / or TV sets can therefore be expected in the area of the user. Since the voice control devices are in use 24 hours a day and ambient noise is not stationary, it is currently not possible to remove them using the latest noise elimination methods.
Die Anforderungen für den Einsatz geeigneter Geräte sind nachstehend nochmals angeführt:The requirements for the use of suitable devices are listed again below:
• Funktionsfähigkeit 24 Stunden am Tag• Functionality 24 hours a day
• geringer Leistungsverbrauch (Rechnerleistung)• low power consumption (computing power)
• einfacher Bedienungsmodus auch für „ungeübte Anwender"• simple operating mode even for "inexperienced users"
• einfaches Trainingsverfahren• simple training procedure
• leicht und somit tragbar • Spannungsversorgung extern (Netzgerät) und intern (Akkus)• light and therefore portable • Power supply external (power supply) and internal (batteries)
Für jedes Schlüsselwort müssen vom Anwender zwei oder mehr Sprachmuster definiert und eingegeben werden. Diese Muster werden im System gespeichert. Wenn neue Funktionen erforderlich sind bzw. bestehende Funktionen nicht mehr benötigt werden oder sprachliche Veränderungen auftreten, muss das System auf die neuen Gegebenheiten angepasst werden können. Es können aber auch alte Muster beibehalten und neue hinzugefügt werden. Das Spracherkennungssystem muss sich stetig den geänderten Aussprachen des Anwenders anpassen. Es muss in der Zeit, in der es nicht benützt wird, in einen sogenannten „Standby- Modus" gesetzt werden können. In diesem Zustand kann es nur durch ein bestimmtes Schlüsselwort wieder aktiviert werden, und nur dann, wenn es nicht aus der fließenden Sprache kommt. Alle anderen Eingaben, auch wenn diese definierte Schlüsselworte sind, müssen ignoriert werden. In diesem Gerätezustand ist uneingeschränktes freies Sprechen möglich.The user must define and enter two or more language patterns for each keyword. These patterns are saved in the system. If new functions are required or existing functions are no longer required or language changes occur, the system must be able to adapt to the new circumstances. You can also keep old patterns and add new ones. The speech recognition system must constantly adapt to the changed pronunciations of the user. It must be possible to put it into a so-called "standby mode" when it is not in use. In this state, it can only be reactivated by a certain keyword, and only if it is not out of the fluent language All other entries, even if they are defined keywords, must be ignored, in this device state unlimited free speech is possible.
Solche Spracherkennungsmodule bzw. Sprachsteuerungsmodule MOD sind erhältlich, beispielsweise das Produkt SICARE light der Anmelderin.Such voice recognition modules or voice control modules MOD are available, for example the product SICARE light from the applicant.
Ein gesprochenes Wort wird nach der Annahme von dem Modul SICARE light an Hand einer internen Codierungstabelle in einen bestimmten IR-Code umgesetzt, der an den Empfänger gesendet wird. Der Empfänger dekodiert das Signal und steuert den Leistungsteil mit einem entsprechenden Pulsmuster.After acceptance by the SICARE light module, a spoken word is converted into a specific IR code using an internal coding table, which is sent to the recipient. The receiver decodes the signal and controls the power section with a corresponding pulse pattern.
Die meisten Geräte, die mit einer Infrarot-Fernbedienung gesteuert werden können, können auch SICARE light bedient werden. Die gelernten Befehle werden von SICARE light nach einer Spracheingabe durch den Anwender an die entsprechenden Geräte gesendet. So können verschiedene elektrische Geräte sprachgesteuert und bereits bestehende Fernbedienungen ersetzt werden. Das Gerät kann man außer mit Sprache auch mit Tasten bedienen.Most devices that can be controlled with an infrared remote control can also be operated with SICARE light. The learned commands are sent by SICARE light to the corresponding devices after the user has entered a voice. In this way, various electrical devices can be voice-controlled and existing remote controls can be replaced. In addition to voice, the device can also be operated with buttons.
Das Gerät wird mit einer bestimmten Menüfunktion geliefert, in dem die für den jeweiligen Anwendungsfall benötigten Schlüsselworte bereits implementiert sind. Nach dem Einschalten des Gerätes wird mittels eines speziellen Wortes in den Modus gewechselt, in dem die Spracheingabe erfolgt. Dem Anwender wird diese Spracheingabe wesentlich erleichtert, da die zu sprechenden Worte direkt am Display angezeigt und nur mehr in das im Gerät eingebaute Mikrofon gesprochen werden müssen. Die hier dargestellten Worte sind allerdings nur als beispielhaft anzusehen, und es ist auch die Verwendung anderer Worte möglich, was insbesondere bei Patienten, die möglicherweise zusätzlich unter gewissen Einschränkungen hinsichtHch des Sprechens leiden, günstig ist. Das Erkennen des Wortes wird vom Gerät akustisch quittiert. Sind dem Gerät alle Schlüsselworte bekannt, kann es sofort angewandt oder in den Standby-Modus gebracht werden.The device is supplied with a specific menu function in which the keywords required for the respective application are already implemented. After switching on the device, a special word is used to switch to the mode in which the speech is input. This voice input is made considerably easier for the user, since the words to be spoken are shown directly on the display and only need to be spoken into the microphone built into the device. However, the words presented here are only to be regarded as examples and the use of other words is also possible, which is particularly advantageous for patients who may additionally suffer from certain restrictions with regard to speaking. The device acknowledges the recognition of the word acoustically. If all key words are known to the device, it can be used immediately or put into standby mode.
Auf die Schlüsselworte wird im folgenden kurz eingegangen:The keywords are briefly discussed below:
Die Aktivierung des Spracherkennungsmoduls MOD, beispielsweise des oben kurz beschriebenen Gerätes SICARE Hght erfolgt (bei dem Beispiel einer Arm-Orthese für den Hnken Arm) mit den Worten „Hnker Arm". In dem so eröffneten Untermenü sind acht weitere Eingaben mögHch. Dabei werden folgende Schlüsselworte für die Ausführung der erforder- Hchen Bewegungsmuster verwendet:The voice recognition module MOD, for example the device SICARE Hght briefly described above, is activated (in the example of an arm orthosis for the arm arm) with the words “arm arm”. In the submenu opened in this way, eight further entries are possible Keywords used to carry out the required movement patterns:
Einstieg in das Menü Schlüssel- von den Schlüsselworten zur Aktivierung der worte abgeleitete Aktionen BewegungssteuerungEntry into the key menu - from the keywords for activating the words derived actions motion control
Orthese in Einzelschritten in die Stellung "strecken""Stretch" the orthosis in single steps to the position
Orthese in Einzelschritten in die Stellung "beugen""Bend" the orthosis in single steps to the position
ein vollständiger Bewegungsablauf "beugen""bend" a complete sequence of movements
ein vollständiger Bewegungsablauf "strecken""stretch" a complete sequence of movements
eine "Beuge- / Streck"-Sequenz von max. 1 Minutea "bend / stretch" sequence of max. 1 minute
beendet sofort jede gerade ablaufende Bewegungimmediately ends any movement currently in progress
steigert Geschwindigkeit einer ablaufenden Bewegungincreases the speed of an ongoing movement
reduziert Geschwindigkeit einer ablaufenden Bewegung
Figure imgf000017_0001
schlafen" I versetzt das Gerät in den Stand-by Modus
reduces the speed of an ongoing movement
Figure imgf000017_0001
sleep "I puts the device into standby mode
"aufwachen" | holt das Gerät aus dem Stand-by Modus"wake up" | brings the device out of stand-by mode
Das Wort „schlafen" bewirkt eine Deaktivierung der Sprachsteuerung für die oben genannten Schlüsselworte, sodass durch normale Kommunikation keine unbeabsichtigten Bewegungen ausgelöst werden können. Voraussetzung ist jedoch, dass ein begonnener Bewegungsablauf beendet sein muss. Das Wort „aufwachen" dient zur Aktivierung der Sprachsteuerung und somit für die im Menü „linker Arm" mögHchen Abläufe.The word "sleep" deactivates the voice control for the abovementioned keywords, so that no unintentional movements can be triggered by normal communication. However, the prerequisite is that a movement sequence that has started must be ended. The word "wake up" is used to activate the voice control and thus for the processes that are possible in the "left arm" menu.
In Figur 5 ist abschließend noch ein Prinzip-Schaltbild einer Orthesensteuerung gezeigt. Das Kernstück für die Umsetzung der vom IR-Empfänger geHeferten Signale auf den Antrieb, beispielsweise Motoren bildet ein Prozessor PIC, beispielsweise ein PIC Prozessor 1GF628. Dies ist ein einmal programmierbarer Chip-Rechner (OTP), der neben dem Prozessor auch einen RAM- und einen ROM-Bereich enthält. Er bildet die für die Ansteuerung der H-Brücke erforderHchen Steuerspannungen und Impulsfolgen. Die Geschwindigkeit des Motors ergibt sich aus dem Puls-Pause- Verhältnis der am PWM- Ausgang geHeferten Rechteckspannung. Die Drehrichtung wird durch zwei weitere Ausgänge bestimmt (Hnks-beugen, rechtsstrecken).Finally, FIG. 5 shows a basic circuit diagram of an orthotic control. The heart of the conversion of the signals received from the IR receiver to the drive, for example motors, is a processor PIC, for example a PIC processor 1GF628. This is a one-time programmable chip computer (OTP), which in addition to the processor also contains a RAM and a ROM area. It forms the control voltages and pulse trains required to control the H-bridge. The speed of the motor results from the pulse-pause ratio of the square-wave voltage stored at the PWM output. The direction of rotation is determined by two further exits (Hnks-bend, stretch to the right).
Ein Ausgang des Prozessors PIC dient zur Ansteuerung eines Piezo - Signalgebers für die Quittierung der erkannten Schlüsselworte.An output of the processor PIC is used to control a piezo signal transmitter for acknowledging the recognized keywords.
Ein Schalter SI am Eingang des Prozessors dient zum Freischalten bzw. Sperren der Prozessorausgänge und somit zum Abschalten des Leistungsteils (Ein/ Aus-Schalter). Dieser Zustand wird durch die gelbe Leuchtdiode an einem Ausgang des Prozessors signaHsiert.A switch SI at the input of the processor is used to enable or disable the processor outputs and thus to switch off the power section (on / off switch). This state is signaled by the yellow LED at an output of the processor.
Zwischen dem Prozessor und dem Leistungsteil (SIPMOS H-Brücke) befindet sich die Brückentreiberschaltung, die für die zur Ansteuerung der Transistoren erforderHchen Gate- Spannungen und -Ströme erzeugt.The bridge driver circuit, which generates the gate voltages and currents required for controlling the transistors, is located between the processor and the power unit (SIPMOS H bridge).
Den Leistungsteil selbst bilden gemäß der beispielhaften Schaltung vier Transistoren der Type BUZIOO, die wie bereits erwähnt in Brücke geschaltet sind, es kann aber auch ein kompletter Baustein (z. B. TLE 6209R) verwendet werden. Darin sind die Brückentreiberschaltung und die Leistungs-Endstufe in einem Modul zusammengefasst. Dieses Modul kann dann direkt vom Rechner angesteuert werden.According to the example circuit, the power section itself is made up of four transistors of the BUZIOO type, which, as already mentioned, are connected in a bridge, but a complete module (e.g. TLE 6209R) can also be used. The bridge driver circuit and the power output stage are combined in one module. This module can then be controlled directly by the computer.
Die Leuchtdioden rot und grün zeigen die Drehrichtung des Orthesen- Antriebes an. Je nach Geschwindigkeit ergibt sich eine unterschiedHche Helligkeit der betreffenden Diode.The red and green LEDs indicate the direction of rotation of the orthotic drive. Depending on the speed, the brightness of the diode concerned will vary.
Die Spannungsversorgung für den Antrieb wird von einem Steckernetzteil geHefert. Ein in der Steuereinheit nachgeschalteter Fixspannungsregler dient zur Versorgung des Prozessors. The power supply for the drive is provided by a plug-in power supply. A fixed voltage regulator connected in the control unit is used to supply the processor.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Orthese, bestehend aus zumindest zwei miteinander verbundenen und gegeneinander bewegbaren Orthesenelementen (21, 22), z. B. Schienen, wobei zumindest ein Antrieb (25) vorgesehen ist, mit welchem die Orthesenelemente (21, 22) in Bezug zueinander bewegbar sind, und für den zumindest einen Antrieb zumindest eine Steuerung (STR) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des zumindest einen Antriebs mittels Sprachsteuerung gesteuert ist, wobei die Steuerung mit zumindest einem Spracheingabemodul (MOD) verbunden ist, und wobei das Spracheingabemodul (MOD) dazu eingerichtet ist, Sprachbefehle entgegenzunehmen, auszuwerten und eine entsprechende Steuerung des zumindest einen Antriebs (25) zu veranlassen, wobei das Spracheingabemodul (MOD) mit der Steuerung (STR) drahtlos kommuniziert.1. orthosis, consisting of at least two interconnected and mutually movable orthotic elements (21, 22), z. B. rails, wherein at least one drive (25) is provided with which the orthotic elements (21, 22) are movable in relation to each other, and for the at least one drive at least one controller (STR) is provided, characterized in that the controller of the at least one drive is controlled by voice control, the control being connected to at least one voice input module (MOD), and the voice input module (MOD) being set up to receive and evaluate voice commands and to initiate a corresponding control of the at least one drive (25) , wherein the voice input module (MOD) communicates wirelessly with the controller (STR).
2. Orthese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb unmittelbar an der Orthese (10) befestigt ist.2. Orthosis according to claim 1, characterized in that the at least one drive is attached directly to the orthosis (10).
3. Orthese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb an einem Orthesenelement der Orthese (10) befestigt ist.3. Orthosis according to claim 2, characterized in that the at least one drive is attached to an orthotic element of the orthosis (10).
4. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Antrieb ein pneumatischer Antrieb (25) ist.4. Orthosis according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one drive is a pneumatic drive (25).
5. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Antrieb ein hydrauHscher Antrieb (25) ist.5. Orthosis according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one drive is a hydraulic drive (25).
6. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Antrieb ein elektrischer Antrieb ist.6. Orthosis according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one drive is an electric drive.
7. Orthese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Antrieb ein Linearmotor ist.7. Orthosis according to claim 6, characterized in that the at least one electric drive is a linear motor.
8. Orthese nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrischen Antrieb ein Schrittmotor ist.8. Orthosis according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one electric drive is a stepper motor.
9. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spracheingabemodul (MOD) über eine Infrarot-SchnittsteUe oder eine FunkschnittsteUe mit der Steuerung (STR) verbunden ist. 9. Orthosis according to one of claims 1 to 8, characterized in that the voice input module (MOD) is connected to the controller (STR) via an infrared interface or a radio interface.
10. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprachsteuerung sprecherunabhängig erfolgt. 10. Orthosis according to one of claims 1 to 9, characterized in that the voice control takes place independently of the speaker.
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