DE102004029513B3

DE102004029513B3 - Vorrichtung zur autarken Eigenfortbewegungsunterstützung und/oder -kontrolle eines gehbehinderten Menschen

Info

Publication number: DE102004029513B3
Application number: DE200410029513
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Staab
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-06-19

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Unterstützung der autarken Eigenfortbewegungsfähigkeit eines in der Mobilität eingeschränkten Menschen. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils ein Mittel am Gelenkbereich des Fußes, des Knies sowie der Hüfte des Menschen anlegbar ist, durch das der jeweilige Gelenkbereich fixierbar und um wenigstens eine Gelenkachse schwenkbar ist, dass eine Stützeinheit am Oberkörper des Menschen anlegbar ist und diesen zur Gewährleistung einer aufrechten Körperhaltung unterstützt, DOLLAR A dass an den Mitteln jeweils wenigstens ein Aktor vorgesehen ist, der den jeweiligen Gelenkbereich unter Aufbringung eines auf den Gelenkbereich einwirkenden Drehmomentes auslenkt, dass eine Sensorik vorgesehen ist, die den Bewegungs- und Ruhezustand des Menschen erfasst und Sensorsignale erzeugt, die an eine Steuereinheit übertragbar sind, dass eine Eingabeeinheit vorgesehen ist, über die Steuerbefehlsignale eingebbar sind, die an die Steuereinheit übertragbar sind, und dass die Steuereinheit auf Basis der Sensorsignale und der Steuerbefehlsignale Ansteuersignale erzeugt, die zur Ansteuerung der Aktoren dienen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Unterstützung der autarken Eigenfortbewegungsfähigkeit eines in der Mobilität eingeschränkten Menschen.

Gehbehinderte Menschen, die unter genetisch bedingten oder durch Unfall verursachten Gehbehinderungen leiden, bedienen sich soweit es der Grad der Gehbehinderung ermöglicht, im einfachsten Falle Stützvorrichtungen, wie beispielsweise Stöcke, Krücken oder Gehwägen, um den Bewegungsapparat zu unterstützen bzw. zu entlasten und zugleich das Gleichgewicht zu halten.

Ferner sind Außenskelett artige Vorrichtungen bekannt, so genannte Orthesen, die als Gurt- oder Hartschalenkonstruktionen von außen eine Kraft auf Körperteile aufzubringen vermögen, um diese zu stabilisieren, zu entlasten oder in ihrer jeweiligen Körperhaltung zu korrigieren. Alle vorstehenden zumeist orthopädischen Hilfsmittel, die der Unterstützung der Bewegungsdynamik bzw. -fähigkeit eines in der Mobilität eingeschränkten Menschen dienen, sind allesamt passiver Natur, d.h. der Mensch selbst muss über muskuläre Restkräfte verfügen, durch die er zur Fortbewegung befähigt ist. Derartige passive Systeme eignen sich jedoch nicht für Menschen, die nicht mehr oder vorübergehend nicht in der Lage sind, sich selbständig fortzubewegen, wie beispielsweise teil oder vollständig querschnittsgelähmte Menschen oder verunfallte Personen, die medizinisch ausgewählter Reha-Maßnahmen bedürfen, um ihre Eigenmobilität zurück zu gewinnen. Für einen derartigen Personenkreis steht nur eine geringe Anzahl von aktiv angetriebenen, die Mobilität in aufrechter Körperhaltung unterstützende Vorrichtungen zur Verfügung, die vornehmlich zu Zwecken von Reha-Maßnahmen dienen.

Eine derartige bekannte Vorrichtung ist aus der WO 00/28927 A1 bekannt und besteht aus einer angetriebenen und geregelten Orthese, die die Beine des Patienten in einem physiologischen Bewegungsmuster führt, einem Laufband sowie einem Entlastungsmechanismus. Die Knie- und Hüftgelenke der Orthese sind jeweils mit einem Antrieb versehen, so dass die Knie und Hüfte in einer, an ein physiologisches Bewegungsmuster angepassten Weise und Rhythmus ab- bzw. eingeknickt werden. Die Orthese ist mit Mitteln zur Stabilisierung derart relativ zu einem Laufband angeordnet, so dass der Patient sein Gleichgewicht nicht selbst kontrollieren muss. Eine ähnliche Vorrichtung ist der WO 01/14018 A1 zu entnehmen, bei der die einzelnen Beine einer auf einem Laufband befindlichen Person über Bewegungszylinder im Takt der Gehbewegung bewegt werden. Auch hier befindet sich die zu behandelnde Person in einer Aufhängevorrichtung, die ein Umfallen der Person verhindert.

Weitere aktive Mobilitätshilfen beschränken sich zumeist auf Rollstuhlsysteme und andere Radfahrzeuge, die jedoch den Nachteil besitzen, dass sich der Patient sitzend fortbewegt. So benötigt er hierfür verhältnismäßig viel Platz und eine geeignete Infrastruktur in seinem Lebensumfeld, wie beispielsweise Rampen, Aufzüge, Gestänge etc., um sich in geeigneter Weise fortbewegen zu können. Zudem benötigt ein sich mit einem Rollstuhl fortbewegender Patient regelmäßige Bewegungstherapie, um die Durchblutung der Beine sowie des gesamten Körpers zu stimulieren und um weiteren Gesundheitsschäden vorzubeugen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Unterstützung der autarken Eigenfortbewegungsfähigkeit eines in der Mobilität zumindest teilweise eingeschränkten Menschen derart weiterzubilden, dass eine autarke Eigenfortbewegungsfähigkeit in aufrechter Körperhaltung ermöglicht wird, wobei zugleich gewährleistet werden soll, dass die jeweilige Person einen sicheren Stand innehält und gegen ein unkontrolliertes Umfallen gesichert ist. So soll die Vorrichtung selbst einem querschnittsgelähmten Menschen mit noch intakten Arm- und Schulterpartien einen sicheren, eigenfortbewegungsfähigen selbständigen Gang ermöglichen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstände der Unteransprüche sowie unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele entnehmbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Gehhilfe für gehbehinderte Menschen dar, beispielsweise Menschen mit Gebrechen, Knochenschwund, Muskelschwund, Gelenkschäden an Fuß, Knie oder Hüfte, Lähmungen mit teilweisem oder vollständigem Ausfall der motorischen Kontrolle des gesamten Gehapparates sowie ähnlichen Behinderungen, durch die der Mensch in die Lage versetzt wird, vollkommen autonom Alltagsbewegungen von gesunden Menschen durchzuführen. Durch die Vorrichtung erhält die jeweilige gehbehinderte Person einen erheblichen Teil der Mobilität gesunder Menschen zurück und ist daher nicht auf eine besondere Infrastruktur in ihrem Lebensumfeld angewiesen. Von besonderem Vorteil ist die Ermöglichung der Ausführung natürlicher Bewegungen insbesondere der unteren Körperpartien, wodurch zum einen die normale Durchblutung der entsprechenden Körperbereiche stimuliert wird und auf diese Weise zusätzliche regelmäßige Bewegungstherapien nicht weiter erforderlich sind, zum anderen verhilft die Vorrichtung den Rehabilitationsprozess für Menschen zu unterstützen, die nach Verletzungen die Bewegungsfähigkeit und Koordination wieder erlernen müssen.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterstützung der Bewegungsfähigkeit eines in der Mobilität eingeschränkten Menschen liegt die Idee zugrunde, die am Bewegungsprozess beteiligten Gelenk- und Körperbeugebereiche einerseits mechanisch zu stabilisieren und andererseits durch externe geregelte Kraftzufuhr unter Zugrundelegung eines bestimmten und gewünschten Bewegungsablaufes zu beugen bzw. zu strecken. So ist jeweils ein Mittel am Gelenkbereich des Fußes, der Knie sowie der Hüfte des Menschen derart anlegbar, so dass der jeweilige Gelenkbereich fixiert und um wenigstens eine Gelenkachse schwenkbar gelagert bleibt. In ähnlicher Weise ist am Oberkörper des Menschen eine Stützeinheit anlegbar, durch die zumindest eine aufrechte Körperhaltung gewährleistet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform, auf die im Weiteren noch eingegangen wird, sieht auch die Stützeinheit Möglichkeiten vor, durch die der Oberkörper gegenüber dem Bauchbereich der Person gezielt abknickbar bzw. streckbar ist. In vorteilhafter Weise sind die an den Gelenkbereichen entsprechend angebrachten Mittel jeweils in Art einer wenigstens zweiteiligen Manschette ausgebildet, deren Manschettenhälften über eine mechanisch stabilisierte Gelenkverbindung oder eine gelenkartig ausgebildete Verbindung in Wirkverbindung stehen. Die beiden Manschettenhälften sind derart ausgebildet, dass sie sich jeweils eng anliegend an die unmittelbar am Gelenkbereich angrenzenden Körperteile anschmiegen und einen festen, vorzugsweise unverrutschbaren Sitz an dem entsprechenden Körperabschnitt gewährleisten. Die Manschettenhälften können in einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus entsprechend an die Außenkontur der jeweiligen Körperbereiche angepassten Hartschalen, aus leichten Werkstoffen, vorzugsweise Faserverbundwerkstoffen, bestehen. Selbstverständlich ist es möglich, die Manschetten auch in Form geeigneter Gurtwaren auszubilden, beispielsweise in Form von Lederriemen-Manschetten.

Auch die am Oberkörper anliegende Stützeinheit kann im einfachsten Fall aus einer durchgängigen Hartschalenform ausgebildet sein, durch die der Oberkörper in einer geraden, aufrichtigen Haltung gehalten wird. Selbstverständlich eignen sich auch alternative Materialien, wie beispielsweise elastische Textilbandagen aus Leder gefertigte, an den jeweiligen Oberkörper angepasste Stützkorsett-Vorrichtungen zur Abstützung des Oberkörperbereiches.

Gleichsam der die Gelenkbereiche mit der Möglichkeit um eine Gelenkachse verschwenkbaren Mittel, vorzugsweise in Form zweiteiliger Manschetten, sieht die Stützeinheit vorzugsweise ebenfalls einen elastisch oder flexibel ausgestalteten Bereich vor, längs dem sich der Brustbereich gegenüber dem Bauchbereich beugen lässt. Im Falle einer derart ausgebildeten Stützeinheit gilt es zur Vermeidung eines unkontrollierten Abknickens des Oberkörperbereiches gegenüber dem Bauchbereich einen an der Stützeinheit angebrachten Aktor vorzusehen, durch den der Oberkörperbereich in eine gestreckte oder entsprechend gebeugte Haltung kontrolliert überführt bzw. gehalten werden kann. In gleicher Weise sehen die an den Gelenkbereichen angebrachten Mittel jeweils wenigstens einen Aktor vor, der den jeweiligen Gelenkbereich unter Aufbringung eines auf den Gelenkbereich einwirkenden Drehmomentes um einen vorgebbaren Winkel auslenkt. Im einfachsten Fall ist der Aktor als längenveränderlicher Aktor ausgebildet, beispielsweise in Art einer hydraulisch oder pneumatisch betreibbaren Kolben-/Zylindereinheit, die über eine gelenkartig ausgebildete Wirkverbindung beispielsweise mit beiden Manschettenhälften eines als Manschette ausgebildeten Mittels in Verbindung steht. In Abhängigkeit des Kolbenhubes können die über die Gelenkverbindung in Wirkverbindung stehenden Manschettenhälften eine vorgebbare Relativwinkelstellung einnehmen, durch die der jeweilige Gelenkbereich, an dem die beiden Manschettenhälften am Körper angebracht sind, entsprechend gestreckt oder gebeugt wird. Selbstverständlich eignen sich auch weitere Aktortypen, für den Einsatz zur gezielten Verschwenkung bzw. Verkippung der die jeweiligen Gelenkbereiche unterstützenden Mittel, wie eingangs erläutert. Neben den bereits erwähnten Kolben-/Zylindereinheiten eignen sich ebenfalls auch Aktoren, auf Basis motorisch angetriebener Stellglieder oder auf der Grundlage so genannter intelligenter Strukturen, in denen so genannte Wandlerwerkstoffe Einsatz finden, wie beispielsweise Piezokeramiken oder Formgedächtnismetalle. Letztere Aktorvarianten können insbesondere aus den Bereichen der Mechatronik und Adaptronik entliehen werden, in denen Wandlerwerkstoffe als aktive Stellglieder einen weit verbreiteten Einsatz finden. Auch eignet sich als Aktor ein so genannter Festo Fluidmuskel, der ausschließlich mittels Fluidströmung betreibbar ist und weder Kolben, Motor noch Wandlerwerkstoffe benötigt.

Zur Ansteuerung der einzelnen Aktoren sowie auch zur Gewährleistung eines sich stets im Gleichgewicht befindlichen Bewegungsvorganges, bedarf es einerseits einer Steuereinheit, die entsprechende, die Aktoren ansteuernde Signale generiert, sowie andererseits einer den Bewegungs- und Ruhezustand des Menschen erfassenden Sensorik, die Sensorsignale erzeugt, die zur weiteren Verarbeitung der Steuereinheit zugeführt werden. So gilt es mit Hilfe der Sensorik, die ihrerseits aus einer Vielzahl einzelner Sensorelemente besteht, wie beispielsweise Drehwinkelsensoren, Wegmesssensoren, Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Druckwächter, Kraftsensoren, Momentensensoren, die jeweils an geeigneten Stellen an den einzelnen Mitteln bzw. der Stützeinheit oder benachbart zu diesen angebracht sind, den Bewegungs- oder Ruhezustand des Menschen beschreibende Größen zu generieren. Insbesondere gilt es, die an den Gelenkbereichen sowie des Oberkörpers auftretenden Auslenkgeschwindigkeiten, Beschleunigungen sowie auf diese Bereiche lastende Kräfte und Momente zu erfassen. Auf der Grundlage derartiger, den Bewegungszustand beschreibenden Sensorsignale erfolgt in der Steuereinheit eine Sensorsignalauswertung, die unter Zugrundelegung einer Steuerungs-Software Ansteuersignale generiert, die zur Ansteuerung der Aktoren dienen, um im einfachsten Fall die jeweilige Person in eine stabile Haltung bzw. Lage zu versetzen.

Um den einzelnen Aktoren entsprechend konditionierte Ansteuersignale zuzuführen, durch die eine von der Person gewünschte Bewegungsdynamik in Kraft gesetzt wird, beispielsweise die Bewegungsansteuerung der Aktoren zur kontrollierten Vorwärts-, Rückwärts- oder Seitwärtsbewegung oder für den dynamischen Vorgang des Bückens, Hockens oder Setzens, ist eine Eingabeeinheit vorgesehen, die vorzugsweise von der Person manuell bedienbar ist und über die Steuerbefehlssignale eingebbar sind, die an die Steuereinheit übertragbar sind, zur weiteren Berücksichtigung und Generierung der an die Aktoren weiterzuleitenden Ansteuersignale. Die Steuereinheit wertet vorzugsweise in Echtzeit sowohl die Sensorsignale als auch die von der Eingabeeinheit stammenden Steuerbefehlssignale aus und berechnet entsprechende Stellgrößen für die Aktoren. Durch die Einbindung einer Steuerungs-Software, in der sämtliche Bewegungsmuster für eine koordinierte Bewegung bezüglich des Gehens, Aufstehens, Hinsetzens enthalten ist, kann ein künstlicher Gleichgewichtssinn simuliert werden, der den menschlichen Gleichgewichtssinn zu ersetzen vermag. Sollte die jeweilige Person durch ihre Gehbehinderung oder durch einen akuten Anfall von Schwindelgefühl umzufallen drohen, so aktiviert der Software-gestützte, künstliche Gleichgewichtssinn sämtliche Aktoren, um das Umfallen der Person zu verhindern, beispielsweise durch Ansteuern der Aktoren zur Ausführung eines gezielten Ausfallschrittes. In gleicher Weise vermag der künstlich implementierte Gleichgewichtssinn während einer kontrollierten Bewegung, beispielsweise wenn während eines Schrittes ein Bein in der Luft ist, das dynamische Gleichgewicht zu halten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermag somit unabhängig, ob der Mensch über eine Eigenmobilität verfügt oder beispielsweise im Falle einer nahezu vollständigen Körperlähmung, bewegungsunfähig ist, durch gezielte Ansteuerung der Aktoren für eine kontrollierte Eigenfortbewegung bzw. Durchführung bestimmter Bewegungsvorgänge, wie beispielsweise das Absetzen, Aufrichten, Abbeugen, zu sorgen. Auf diese Weise ließe sich sogar eine dem Menschen nachgebildete Puppe mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung mobilisieren.

Neben der bereits erwähnten Ausbildungsmöglichkeit eines manuell bedienbaren Eingabegerätes, zur Vorgabe der jeweils durchzuführenden Bewegungsmuster, böte es sich alternativ an, die entsprechenden Steuerbefehlssignale akustisch unter Verwendung an sich bekannter Spracherkennungssysteme abzusetzen und der Steuereinheit zuzuführen. Diese Variante der Kommunikation mit der Steuereinheit zur Generierung bestimmt vorgegebener Bewegungsmuster eignet sich für Fälle, in denen die entsprechende Person vollständig querschnittsgelähmt ist und somit nicht die Möglichkeit hat, Steuerbefehlssignale manuell abzugeben.

Selbstverständlich ist es überdies erforderlich, eine geeignet ausgewählte Energieversorgungseinheit vorzusehen, um die im Einsatz befindlichen Aktoren sowie das Steuergerät mit elektrischer und/oder hydraulischer/pneumatischer Energie zu versorgen. Im Falle von als Kolben-/Zylindereinheiten ausgebildete Aktoren bietet es sich an einen Teil der Energieversorgungseinheit als Druckbehälter auszubilden, der insbesondere für Bewegungsmuster mit kurzzeitig großem Kraftaufwand, wie beispielsweise der dynamische Vorgang des Aufstehens, Energie in geeignetem Umfang sowie kurzfristiger Verfügbarkeit bereitzustellen.

Um den Gedanken der vollständigen autarken Eigenfortbewegungsmöglichkeit von in der Mobilität behinderten Menschen zu berücksichtigen, sieht in besonders vorteilhafter Weise eine erfindungsgemäße Ausführungsform die Integration aller zur Unterstützung der Bewegungsfähigkeit des in der Mobilität eingeschränkten Menschen erforderlichen Komponenten in einer einheitlichen Formstruktur vor, die an die jeweilige Körperform und -größe des Menschen angepasst ist. Eine besonders geeignete Formstruktur kann ein passgenau an die Oberflächenkontur der Füße, Knie, Hüfte und des Oberkörpers angepasster Körperüberzug sein, der von der jeweiligen Person regelrecht an- bzw. übergezogen werden kann. Der Körperüberzug sollte aus leichtem, atmungsaktivem Material, vorzugsweise aus Textilstoff, bestehen, der einerseits ein praktikables Anlegen ermöglicht, beispielsweise kann der Körperüberzug ein- oder mehrteilig ausgebildet sein, sowie vorzugsweise sämtliche für die Eigenfortbewegungsfähigkeit erforderlichen Komponenten tragen. So ist es vorteilhaft, die zu Zwecken der Stabilisierung sowie gezielten Beugung der Gelenkbereiche bzw. des Oberkörperbereiches erforderlichen Mittel bzw. die Stützeinheit in den Körperüberzug zu integrieren, so dass sichergestellt ist, dass die Mittel sowie die Stützeinheit unter jeweiliger Ausbildung eines Passsitzes an den richtigen Körperbereichen angeordnet werden.

Neben den mit Aktoren versehenen Mitteln sowie der Stützeinheit sollte im Körperüberzug auch die Steuereinheit integriert sein, die unter Verwendung mikroelektronischer Komponenten und mikroprozessorgesteuerter Regelkreise kompakt und gewichtssparend ausgebildet werden kann. Überdies sind jegliche Signal- und Energieversorgungsleitungen zwischen den einzelnen Aktoren und der Steuereinheit sowie einer ebenso im Körperüberzug zu integrierenden Energieversorgungseinheit vorgesehen. Letztere kann aufgrund ihres, verglichen zu den übrigen Komponenten erhöhten Eigengewichtes, von der jeweiligen Person bspw. in einem extra Rucksack mitgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit eine Außenskelett-artige Struktur dar, die es einer in der Mobilität eingeschränkten Person ermöglicht, sich vollständig autark in einer normalen Umgebung fortzubewegen. Die in der Steuereinheit abgespeicherten Bewegungsmuster werden von der jeweiligen Person über das Eingabemittel in einer von ihr vorgegebenen Weise ausgewählt. Selbst querschnittsgelähmte Menschen mit noch intakten Arm- und Schulterpartien vermögen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf ihren eigenen Beinen zu stehen. Da derartige Personen keine motorische Kontrolle über ihren mittleren und unteren Bewegungsapparat und überdies über einen gestörten Gleichgewichtssinn verfügen, übernimmt jegliche dynamische Kontrolle zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes die erfindungsgemäße Vorrichtung. Über das manuell bedienbar ausgebildete Eingabegerät können derartige Personen ihre Bewegungsabsichten der Steuereinheit mitteilen, die daraufhin zur Durchführung koordinierter vollständiger Bewegungsabläufe die einzelnen Aktoren ansteuert.

Insbesondere Menschen mit Knochenschwund, Muskelschwund oder partiellen Lähmungen, für die das Gehen und Stehen beschwerlich oder gar unmöglich ist, können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Aufwendung nur minimaler Anstrengungen sich selbständig fortbewegen. Zu den häufigsten Bewegungen im Alltag gehören neben den Bewegungsabläufen zur Fortbewegung, das Aufstehen, Hinsetzen, Aufrichten und Hinlegen. Sie erfordern einen hohen Krafteinsatz, belasten die Gelenke besonders stark und verlangen sehr komplexe Koordination. Aber auch das aufrechte Gehen in allen Richtungen bedarf einer nicht minder komplexen Koordination, umfasst es doch langsames und zügiges Vorwärtsgehen, langsame Seitwärts- und Rückwärtsbewegungen, das Treten und Drehen auf der Stelle und einige daraus kombinierte Bewegungen. Über das entsprechend konfektionierte Eingabegerät werden derartige Bewegungswünsche der Steuereinheit mitgeteilt, die, wie bereits vorstehend beschrieben, softwaregesteuert die Aktoren zur Ausübung komplexer Bewegungssequenzen ansteuert.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit allen für eine koordinierte Bewegung erforderlichen Komponenten,
2 Ausführungsbeispiel einer Aktor angesteuerten Kniemanschette,
3 Darstellung einer manuell bedienbaren Eingabeeinheit, sowie
4 Signallaufplan zur Durchführung koordinierter Bewegungsabläufe.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist eine Gesamtübersicht aller zur Durchführung koordinierter Bewegungsabläufe erforderlicher Komponenten für eine in der Mobilität eingeschränkte Person dargestellt. Als Grundbestandteil für ein praktikables Anlegen der aktiven Gehhilfe ist ein als Trägerhosenanzug ausgebildeter Körperüberzug 1 vorgesehen, der im Oberkörperbereich eine stabile Stützeinheit 2 aufweist. Die Stützeinheit 2, die im einfachsten Fall als stabile Hartschalenstruktur ausgebildet und passgenau an die Oberkörperkontur angepasst ist, ist über eine flexible Verbindung mit einer den Bauchraum umschließenden Manschette 3, die ebenfalls aus einem steifen Material gearbeitet ist, verbunden. Gleichsam sind längs des Oberschenkels, Unterschenkels sowie im Fußbereich entsprechende Manschetten 4, 5, 6 vorgesehen, die jeweils passgenau an die entsprechenden Körperbereiche angepasst sind. In den Gelenkbereichen, d.h. im Bereich des Hüftgelenkes 7, des Kniegelenkes 8 sowie des Sprunggelenkes 9 sind die einzelnen Manschettenelemente 3, 4, 5, 6 über geeignet ausgebildete Gelenkverbindungen verbunden, durch die die jeweiligen Gelenke gezielt abknickbar sind. Zusätzlich befinden sich im Beugebereich zwischen der den Oberkörper umfassenden Stützeinheit 2 sowie den Bauchraum umschließenden Manschette 3 Aktoren 10, die in entsprechender Weise auch an den übrigen Manschetteneinheiten 3, 4, 5, 6 in den jeweiligen Gelenkbereichen 7, 8, 9 vorgesehen sind. Die einzelnen Aktoren 10 dienen zur gezielten Streckung bzw. Beugung der jeweiligen über eine Gelenkverbindung verbundenen Manschetten. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Ausbildung eines derartigen Aktors ist in 2 angegeben, auf die im weiteren Bezug genommen wird. Zur Ansteuerung der einzelnen an den Gelenkbereichen 7, 8, 9 sowie im Oberkörperbereich vorgesehenen Aktoren 10 dient ein manuell bedienbares Eingabemittel 11, über das von der jeweiligen Person gewünschte Steuerbefehle eingegeben werden können, zur Durchführung bestimmter Bewegungsmuster. Die von der Eingabeeinheit 11 generierten Steuerbefehlssignale werden einer Steuereinheit S zur weiteren Verarbeitung zugeführt, an die zusätzlich Sensorsignale gelangen, die von einer Sensorik 12 zur Erfassung von dem Bewegungs- und Ruhezustand des Menschen bestimmenden Größen stammen. Die Sensorik 12, die in 1 lediglich aus Gründen einer vereinfachten Darstellung stark schematisiert dargestellt ist, besteht aus einer Vielzahl einzelner Sensoren, die an geeigneten Stellen der vorstehend beschriebenen Vorrichtung angebracht sind. So gilt es Sensoren vorzusehen, die für den Bewegungsablauf relevante physikalische Größen erfassen, wie beispielsweise den Schwenk- oder Abknickwinkel an den Gelenkbereichen 7, 8, 9 sowie des Oberkörpers, auf die Gelenkbereiche sowie den Oberkörper einwirkende Kräfte und Momente sowie Beschleunigungen, die einzelnen Auslenkgeschwindigkeiten der Gelenkbereiche sowie des Oberkörpers und letztlich die Relativlagen der einzelnen Gelenkbereiche und des Oberkörpers. Hierzu können marktübliche Sensoren verwendet werden, wie beispielsweise Wegmesssensoren, Beschleunigungssensoren, Gyroskope, Druckwächter, Kraftsensoren, Momentensensoren.
Auf der Basis der von der Sensorik 12 an die Steuereinheit S übertragenen Sensorsignale sowie der von der Person über die Eingabeeinheit 11 abgesetzten Steuerbefehle berechnet die Steuereinheit S auf Grundlage einer Steuerungssoftware geeignete Ansteuersignale zur Ansteuerung der einzelnen Aktoren 10. Zur Energieversorgung ist eine Energieversorgungseinheit 13 vorgesehen, die je nach Wahl der Aktoren 10 neben einer vorzugsweise als Akku oder Brennstoffzelle ausgebildeten elektrischen Energieversorgungskomponente auch Energiespeicher in Form von Druckbehältern vorsieht. Dies kann beispielsweise ein gasgefüllter Druckbehälter sein, sofern die Aktoren 10 als pneumatische Kolben-/Zylindereinheiten ausgebildet sind.
In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Aktoranordnung 10 dargestellt, die zur gezielten Auslenkung einer Kniemanschette dient. Die Kniemanschette besteht aus einer Oberschenkelschale 14 und einer Unterschenkelschale 15, die jeweils über eine Gelenkverbindung 16 drehbeweglich miteinander verbunden sind. Über eine Hebelmechanik 17 ist ein als Kolben-/Zylindereinheit ausgebildeter Aktor 10 vorgesehen, der die Oberschenkelschale 14 gegenüber der Unterschenkelschale 15 unter Vorgabe bestimmter Ansteuersignale verkippt. Selbstverständlich sind auch alternative Aktorsysteme einsetzbar, wie beispielsweise elektrisch betreibbare Stellmotore oder die Verwendung von Wandlerwerkstoffen oder so genannte Fluidmuskelsysteme.
In 3 ist schematisiert die Hand 18 einer Person dargestellt, die eine manuell bedienbare Eingabeeinheit 11 umfasst. Die Eingabeeinheit 11 weist Druckknöpfe 19 auf, die jeweils über Zeige-, Mittel- und Ringfinger bedienbar sind und verfügt darüber hinaus über einen vom Daumen bedienbaren Joystick 20, über den eine Vielzahl unterschiedlicher Steuerbefehle eingegeben werden können.
In 4 ist ein grobes Übersichtsschema von Eingabebefehlen B dargestellt, die über das Eingabemittel von der Person eingebbar sind. Diese umfassen unterschiedliche Bewegungsmuster, wie beispielsweise Vorwärts-, Rückwärts-, Seitwärtsgehen sowie die Bewegungsvorgänge zum Bücken, Hocken und Setzen. Selbstverständlich können auch weitere Eingabebefehle zur Durchführung bestimmter Bewegungsabläufe vorgesehen werden, wie beispielsweise die Einflussnahme auf die Geschwindigkeit, mit der die einzelnen Bewegungsabläufe durchgeführt werden. Bezüglich des Bewegungsmusters des sich Fortbewegens ist es überdies möglich, auch einzelne Gehschritte bezüglich des rechten und linken Beines getrennt einzugeben.
In Abhängigkeit der von der Person gewählten Steuerbefehle erfolgt in der Steuereinheit S Software gesteuert eine statische und dynamische Gleichgewichtsregelung, die während der Durchführung des gesamten gewünschten Bewegungsmusters den Gleichgewichtszustand gewährleistet. Wie vorstehend beschrieben, dient hierzu eine Vielzahl einzelner, mit den erforderlichen Komponenten zur Durchführung der Bewegung, verbundener Sensoren. Je nach gewähltem Bewegungsmuster werden in koordinierter Abfolge die einzelnen Aktoren zur Einstellung bestimmter Gelenk- und damit verbundener Beinstellungen angesteuert, wodurch die Person in eine von ihr gewünschte Lage bzw. in einen von ihr gewünschten Bewegungszustand überführt wird.

1: Formstruktur
2: Stützeinheit
3,4,5,6: Manschetten
7,8,9: Gelenkbereiche
10: Aktor
11: Eingabemittel
12: Sensorik
13: Energieversorgungseinheit
14: Oberschenkelschale
15: Unterschenkelschale
16: Kniegelenk, Gelenkverbindung
17: Hebelmechanik
18: Hand
19: Druckknöpfe
20: Joy-Stick

Claims

Vorrichtung zur Unterstützung der autarken Eigenfortbewegungsfähigkeit eines in der Mobilität eingeschränkten Menschen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Mittel am Gelenkbereich des Fußes, des Knies sowie der Hüfte des Menschen anlegbar ist, durch das der jeweilige Gelenkbereich fixierbar und um wenigstens eine Gelenkachse schwenkbar ist, dass eine Stützeinheit am Oberkörper des Menschen anlegbar ist und diesen zur Gewährleistung einer aufrechten Körperhaltung unterstützt, dass an den Mitteln jeweils wenigstens ein Aktor vorgesehen ist, der den jeweiligen Gelenkbereich unter Aufbringung eines auf den Gelenkbereich einwirkenden Drehmomentes auslenkt, dass eine Sensorik vorgesehen ist, die den Bewegungs- und Ruhezustand des Menschen erfasst und Sensorsignale erzeugt, die an eine Steuereinheit übertragbar sind, dass eine Eingabeeinheit vorgesehen ist, über die Steuerbefehlsignale eingebbar sind, die an die Steuereinheit übertragbar sind, und dass die Steuereinheit auf Basis der Sensorsignale und der Steuerbefehlsignale Ansteuersignale erzeugt, die zur Ansteuerung der Aktoren dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützeinheit ein Mittel vorsieht, durch das der Oberkörperbereich sowohl fixierbar als auch um wenigstens eine Raumachse schwenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Stützeinheit ein Aktor vorgesehen ist, der den Brustbereich gegenüber dem Bauchbereich kraftbeaufschlagt verschwenkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel und/oder die Stützeinheit in Art einer wenigstens zweiteiligen Manschette ausgebildet ist, mit wenigstens einer ersten und zweiten Manschettenhälfte, die über eine Gelenkverbindung oder eine gelenkartig ausgebildete Verbindung miteinander in Wirkverbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette aus robusten Formteilen, vorzugsweise aus einem Hartschalenkörper, besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Manschettenhälften mit jeweils wenigstens einem Aktor verbunden sind, durch den die Manschettenhälften relativ zueinander um wenigstens eine Raumachse verschwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Längen veränderlicher Aktor ist, der auf einer der nachfolgenden Technologien arbeitet: hydraulisch oder pneumatisch betreibbare Aktoren, vorzugsweise in Form einer Kolben-/Zylindereinheit, motorisch antreibbare Stellglieder, intelligente Strukturen unter Einsatz eines Wandlerwerkstoffes, wie Piezokeramik oder Formgedächtnismetalle, Mechatronische oder adaptronische Stellglieder.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik eine Vielzahl einzelner Sensorelemente aufweist, die wenigstens eine der Folgenden den Bewegungszustand des Menschen beschreibenden Größen erfasst: – Schwenk- oder Abknickwinkel an den Gelenkbereichen sowie Oberkörperbereich, – Auf die Gelenkbereiche sowie den Oberkörper lastende Kräfte und Momente, – Auslenkgeschwindigkeit der Gelenkbereiche sowie des Oberkörpers – Beschleunigungen an den Gelenkbereichen sowie des Oberkörpers – Relativlagen der einzelnen Gelenkbereiche und Oberkörper.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit gemeinsam mit oder getrennt zu einer Energierversorgungseinheit über jeweils Kabelverbindungen mit den einzelnen Aktoren und der Sensorik verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit programmunterstützt dem menschlichen Gleichgewichtssinn nachempfundene Ansteuersignale erzeugt, die den Aktoren zugeführt werden und die den Menschen in einer statischen oder dynamischen Gleichgewichtslage halten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine prozessorunterstützte Datenbank aufweist, in der Bewegungsmuster für ein Vorwärts-, Rückwärtsgehen, Aufstehen und Hinsetzen abgespeichert sind und die Grundlage zur Ansteuerung der Aktoren zur Umsetzung der jeweiligen Bewegungsmuster sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingabeeinheit manuell über Druck-, Stell und/oder Drehmittel bedienbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel und die Stützeinheit mit einer Formstruktur verbunden sind, die passgenau an die Oberflächenkontur der Füße, Knie, Hüfte und des Oberkörpers anpassbar oder angepasst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formstruktur als einteiliger oder mehrteiliger Körperüberzug ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Formstruktur sämtliche zur Unterstützung der Bewegungsfähigkeit des in der Mobilität eingeschränkten Menschen erforderlichen Komponenten angeordnet sind.