DE10028511A1

DE10028511A1 - Roboter-Gangtrainer zum Einsatz in der Rehabilitation

Info

Publication number: DE10028511A1
Application number: DE2000128511
Authority: DE
Inventors: Kai Anding; Henning Schmidt; Dragoljub Surdilovic; Stefan Hesse
Original assignee: Fraunhofer Institut fuer Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
Current assignee: HESSE, STEFAN, DR., 14050 BERLIN, DE FRAUNHOFER-GE
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-06-07
Also published as: DE10028511C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem zum Einsatz in der Rehabilitation von Patienten mit Gehschwäche. Das erfindungsgemäße Robotersystem besteht aus zwei Fußplatten (1) mit je sechs unabhängig voneinander steuerbaren Freiheitsgraden und einer Aufhängevorrichtung (3) zur Gewichtsentlastung und Fallsicherung des Patienten. DOLLAR A Die Füße des Patienten sind dabei durch eine Bindung (2) an den Fußplatten (1) gesichert und werden während des gesamten Gangzyklus durch den Roboter geführt. Einem Steuerwerk (CPU) ist ein Steuerungsprogramm zugeordnet, das den koordinierten Betrieb des Roboters gewährleistet. Individuelle Gangtrajektorien für die Patienten sind programmierbar. DOLLAR A Das Robotersystem ist optional mit Kraftsensoren versehen, die die vom Patienten während der Gangbewegung ausgeübten Kräfte und Momente messen. Mit Hilfe dieser Sensoren werden Bewegungstrajektorien adaptiert und Rehabilitationsstrategien realisiert, die in Echtzeit auf das Verhalten des Patienten auf dem Roboter reagieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem zum Einsatz in der Rehabilitation von Patienten mit Gehschwäche. Seit einiger Zeit wird zur neurologischen Rehabilitation von Patienten mit Gehschwäche das Laufbandtraining mit partieller Gewichtsentlastung [1] mit Erfolg eingesetzt.

1. [1] Hesse, S., Bertelt, C., Jahnke, M. T., u. a. "Treadmill training with partial body weight support compared with physiotherapy in non-ambulatory hemiparetic patients", Stroke 26, S. 976-981, 1995

Als Verbesserung dazu ist seit kurzem ein elektromechanisches "Trainingsgerät für den menschlichen Gang" bekannt (Deutsches Patent DE 198 05 164 C1). Hierbei wird der Therapeut im Vergleich zum Laufbandtraining von anstrengender körperlicher Arbeit entlastet und gleichzeitig der erforderliche Personalaufwand von bis zu drei Therapeuten beim Laufbandtraining reduziert. Gleichzeitig lassen sich so eine längere Trainingsdauer und eine höhere Konstanz der Gangtrajektorie über den Trainingszeitraum erreichen. Dieses Gerät hat aber beim Abfahren der Gangtrajektorie nur einen Freiheitsgrad, berücksichtigt nur die Bewegung des Patienten in der Sagittalebene (die Ebene die vom Vektor in Laufrichtung und dem Vektor der Gravitationskraft aufgespannt wird), ist nicht programmierbar und ist deshalb an die individuellen Bedürfnisse des Patienten nur schlecht anpaßbar.

Des weiteren ist ein Roboter nach dem Exoskeleton- Prinzip (Lokomal) bekannt [2, 3], der die Beine des Patienten auf einem Laufband bewegt. Dabei wird die Laufbewegung durch das Laufband unterstützt, während der Patient durch zwei Antriebe pro Bein in der Sagittalebene bewegt wird. Ein Antrieb lenkt die Hüftbewegung des Patienten, während der andere Antrieb für die Bewegung des Knies zuständig ist. Auch hier wird der Patient im wesentlichen nur mit 2 Freiheitsgraden pro Bein (im Hüft- und Kniegelenk) bewegt, während die Fußstellung nur indirekt durch das Laufband kontrolliert wird.

1. [2] "Gangroboter zur Entlastung der Therapeuten", Not der Schädel-Hirnverletzten und Schlaganfall-Patienten, ISSN 0947-4315, Ausgabe 6/99, Seite 15, Leimersheim 1999
2. [3] Vukobratovic, M., "Biped Locomotion", Springer Verlag, Berlin 1990

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein programmierbares Gerät zur Rehabilitation von Patienten mit Gehschwäche zu entwickeln, das individuelle Behandlungsstrategien (insbesondere die Programmierung unterschiedlicher therapeutisch sinnvoller Gangtrajektorien) für verschiedene Patienten ermöglicht und sechs Freiheitsgrade für die Bewegung eines jeden Fußes des Patienten zuläßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Robotersystem (Roboter-Gangtrainer) gelöst, das aus zwei in sechs Freiheitsgraden steuerbaren Fußplatten (1) auf denen der Patient durch ein Bindungssystem (2) gesichert wird, einem Aufhängesystem (3) zur Gewichtsentlastung des Patienten und einem Steuerwerk (CPU) mit zugehörigem Steuerprogramm besteht.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Roboter- Gangtrainers, sind die Fußplatten nach dem Prinzip eines parallelen Manipulators aufgebaut (vergl. z. B. [4], [5]), was eine hohe Steifigkeit bei geringer Eigenmasse des Robotersystems erlaubt.

1. [4] Wiegand. A, Hebsacker M., Honegger. M, "Parallele Kinematik und Linearmotoren: Hexaglide - ein neues hochdynamisches Werkzeugmaschinenkonzept", Technische Rundschau Transfer Nr. 25, S. 22-25, 1996
2. [5] Tsai, L. W., "Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators" John Wiley & Sons, New York, 1999

Ein besonders geeigneter neu entwickelter paralleler Manipulator namens "Cylindric Glide", der Bewegungen in sechs Freiheitsgraden mit einer translatorischen Vorzugsrichtung und großem Schwenkraum für den rotatorischen Freiheitsgrad in der Sagittalebene erlaubt, wurde vorher gesondert zum Patent angemeldet (Aktenzeichen 10019162.2).

In einer günstigen Ausführungsform des Roboter- Gangtrainers, wird die Kinematik der Fußplatten (1) nach dem Prinzip des Manipulators "Cylindric-Glide" realisiert, wobei hydraulische Antriebe für die Schlitten (4) auf den Linearführungen (5) und für die Schubzylinder (6) des "Cylindric Glide" verwendet werden, um ausreichende Maximalkräfte und Maximalbeschleunigungen aufzubringen.

Auf dem Roboter-Gangtrainer kann damit der natürliche Gang eines Menschen trainiert werden, wobei die Laufrichtung in Richtung der Vorzugsrichtung (X- Richtung) der parallelen Kinematik gewählt wird. Der Patient wird dabei durch ein Bindungssystem (2) (ähnlich einer Bindung für Langlaufski) auf den Fußplatten (1) gesichert.

Das Aufhängesystem (3) zur Gewichtsentlastung und Fallsicherung des Patienten besteht in der einfachsten Ausführung des Roboter-Gangtrainers aus einem Fallschirmgurt, der dem Patienten um den Oberkörper angelegt wird und über einen Flaschenzug in die Höhe gezogen werden kann.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In einer alternativen, besonders vorteilhaften Ausführung des Gangtrainers, ist die Aufhängung ein aktiver Teil des Robotersystems und ermöglicht (z. B. über Seilzüge) eine Führung des Körperschwerpunktes des Patienten, die mit den Bewegungen der Fußplatten koordiniert ist. Dies unterstützt das Training eines weiteren wichtigen Elementes des menschlichen Ganges, der Hüftbewegung.

Eine günstige weitere Ausgestaltung des Roboter- Gangtrainers entsteht durch den Einbau einer Kraftsensorik mit deren Hilfe die Kräfte und Momente, die das Robotersystem auf den Patienten ausübt, gemessen werden können. Mit Hilfe dieser Sensoren lassen sich vorgegebene Gangtrajektorien durch in die Robotersteuerung integrierte Regelalgorithmen auf den Patienten abgestimmt adaptieren. Der Therapiefortschritt des Patienten kann erkannt und die aktive Gangunterstützung durch das Robotersystem nach Bedarf automatisch reduziert werden. Auf diese Weise lassen sich Rehabilitationsstrategien programmieren, die in Echtzeit auf das Verhalten des Patienten auf dem Roboter-Gangtrainer reagieren, und so ein schrittweises behutsames Lernen ermöglichen.

Eine zweckmäßige Ausführungsform dieser Kraftsensorik besteht im Einbau von je einem sechsdimensionalen Kraftsensor unter jeder der beiden Fußplatten. Ein solcher Sensor liefert Daten über die an der Platte wirkenden Kräfte und Drehmomente. Diese Daten werden zur Regelung bzw. Adaption der vorgegebenen Gangtrajektorie verwendet. Z. B. kann sich damit der Roboter-Gangtrainer an die neu gewonnenen Fähigkeiten des Patienten anpassen: Je selbständiger der Patient geht (d. h. je geringer der vom Patienten gegenüber dem Robotersystem geleistete Widerstand ist), um so geringer wird die aktive Führung durch den Roboter-Gangtrainer.

Eine weitere günstige Ausführungsform der Kraftsensorik besteht im Einbau von kleinen Kraftmessplattformen (wie sie auch in der biomechanischen Ganganalyse verwendet werden) auf den Fußplatten. Mit diesen Kraftmessplattformen lassen sich außer den Kräften und Momenten die der Patient auf die Fußplatten ausübt auch die Bewegung des "Center of Pressure" (Abrollspur des Kraftzentrums) auf den Fußplatten bestimmen. Dies erlaubt eine weitere Verfeinerung der benutzten Regelalgorithmen mit Hinblick auf eine möglichst normale Abrollspur des Patienten.

In einer zusätzlichen sinnvollen Ausbaustufe des Robotergangtrainers werden Druckverteilungs- Meßsohlen (die ebenfalls aus der Ganganalyse bekannt sind) auf den Fußplatten befestigt. Diese bestehen aus einer Matrix von Drucksensoren, und liefern hochauflösend Meßwerte über die Druckverteilung unter dem Fuß. Damit können nochmals verfeinerte Regelalgorithmen für den Robotergangtrainer verwendet werden, die das Erreichen einer normalen Druckverteilung beim Gang des Patienten zum Ziel haben.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Roboters besteht im Einbau eines weiteren steuerbaren Freiheitsgrades pro Fuß für das jeweilige Metatarsalgelenk (Knick im vorderen Teil des Fußes). Dies geschieht durch die Trennung der Fußplatten in jeweils zwei Segmente, die durch ein Scharniergelenk miteinander verbunden sind. Dabei wird je nach Ausführungsform das vordere Segment (Vorderfuß) oder das hintere Segment (Fersensegment) fest mit der Manipulatorplattform verbunden. Das andere Segment wird mittels eines programmierbaren Zusatzantriebs entsprechend der gewünschten Gangtrajektorie bewegt. Damit läßt sich die Gangbewegung des Fußes auch für das Metatarsalgelenk nachbilden, und eine genauere Führung des Patienten erzielen. In diesem Fall wird die Kraftsensorik optional unter beiden Teilen der jeweiligen Fußplatte (entsprechend Vorderfuß und Ferse) eingebaut.

Eine andere zweckmäßige Erweiterung besteht in der Kopplung der Steuerung des Roboter-Gangtainers an ein Meßsystem zur 3D Echtzeit-Bewegungsanalyse wie es in der biomechanischen Ganganalyse üblich ist. Dabei wird der Patient an ausgewählten Stellen (Hüfte, Knie, Knöchel, Ferse, etc.) mit Markern versehen, deren genaue Positionen mit einer Abtastrate (z. B. 70 Hz) gemessen und zur weiteren Verfeinerung der Regelung des Roboter-Gangtrainers verwendet werden. Vorteil einer solchen Erweiterung ist, daß auch Verkrampfungen und Fehlbewegungen des Patienten in der Regelung berücksichtigt werden können, die über die Meßdaten der Kraftsensoren nicht erkennbar sind.

Eine zusätzliche wertvolle Ausgestaltung besteht in der Kopplung des Robotersystems mit weiteren zur Diagnose des Patientenzustandes geeigneten medizinische Meßgeräte (z. B. EMG, EKG). Mit den so erhältlichen zusätzlichen Meßdaten und deren Verarbeitung in der Robotersteuerung, kann die Trajektorienadaption weiter im Hinblick auf individuelle Patientenbedürfnisse optimiert werden.

Claims

1. Robotersystem zum Einsatz in der Rehabilitation von Patienten mit Gehschwäche, dadurch gekennzeichnet, daß der Patient auf zwei Fußplatten (1), die in jeweils sechs Freiheitsgraden unabhängig voneinander steuerbar sind, durch eine Bindung (2) gesichert wird, daß ein Aufhängesystem (3) zur Gewichtsentlastung und Fallsicherung des Patienten vorhanden ist, daß dem Robotersystem ein Steuerwerk (CPU) mit einem Steuerungsprogramm zugeordnet ist, das die Programmierung verschiedener Gangtrajektorien erlaubt, und daß die Füße des Patienten dabei über den gesamten Gangzyklus durch das Robotersystem auf den programmierten Gangtrajektorien geführt werden.

2. Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kinematik zur Bewegung der Fußplatten jeweils nach dem Prinzip des Manipulators "Cylindric-Glide" aufgebaut ist.

3. Robotersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung eine aktive steuerbare Führung des Körperschwerpunkts des Patienten ermöglicht, die mit den Bewegungen der Fußplatten koordiniert ist.

4. Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das Robotersystem Kraftsensoren eingebaut werden, die zur Regelung und Adaption der Bewegunstrajektorien entsprechend den jeweiligen Fähigkeiten des Patienten dienen.

5. Robotersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftsensorik mit sechsdimensionalen Kraftsensoren realisiert wird, die unter den beweglichen Fußplatten befestigt sind.

6. Robotersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftsensorik mit kleinen Kraftmeßplattformen realisiert wird, die auf den Fußplatten des Robotersystems angebracht werden.

7. Robotersystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Fußplatten Druckverteilungs-Meßsohlen angebracht werden, deren Meßdaten für die Regelung des Robotersystems verwendet werden, um die Druckverteilung unter dem Patientenfuß zu normalisieren.

8. Robotersystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Fußplatten in jeweils zwei Segmenten geteilt werden, von denen je eines mit einem Zusatzantrieb ausgestattet wird, und so die genaue Führung des Patienten auch an den Metatarsalgelenken ermöglicht wird.

9. Robotersystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein System zur 3D- Echtzeit-Bewegungsanalyse an die Steuerung des Roboters gekoppelt wird, dessen für den Patienten erzeugte Meßdaten bei der Regelung des Roboters verwendet werden.

10. Robotersystem nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß externe medizinische Meßgeräte (z. B. EMG, EKG) an die Steuerung des Robotersystems angeschlossen werden, deren für den Patienten erzeugte Meßdaten bei der Regelung des Robotersystems verwendet werden.