DE102006035715A1

DE102006035715A1 - Robotergestützter Laufsimulator

Info

Publication number: DE102006035715A1
Application number: DE200610035715
Authority: DE
Inventors: Henning Schmidt; Stefan Hesse
Original assignee: Hesse Stefan Prof Dr med; Schmidt Henning Dipl-Ing
Current assignee: Hesse Stefan Prof Dr med; Schmidt Henning Dipl-Ing
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-02-07

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die unteren Extremitäten des Menschen bei einseitiger Schwächung mit verschiedenen Übungsmodi nach medizinischen und psychologischen Gesichtspunkten beübt werden können. Der robotergestützte Laufsimulator soll auch zur sportlichen Ertüchtigung der Bein- und Rückenmuskulatur gesunder Menschen dienen und des Laufens in einer virtuellen Umgebung. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass auf zwei spiegelsymmetrisch angeordneten und mit Verbindungsholmen 2 zueinander fixierten Linearachsen 1 je ein Linearmotor I 5 und ein Linearmotor II 6 unabhängig hintereinander gleiten. Auf den Linearmotoren I 5 befindet sich quer zur Gleitrichtung nach innen ragend und schwenkbar ein Roboterarm 9 starr verbunden mit einem nach unten ragenden Hebel 8, an welchem nach hinten zeigend über eine Schubstange 7 der Linearmotor II 6 angelenkt ist. Am Ende der Roboterarme 9 ragen wiederum schwenkbar nach innen Fußplatten 3. Die schwenkbaren Fußplatten 3 bewegen sich mit Hilfe einer frei programmierbaren Steuerung unabhängig oder spiegelbildlich synchron voneinander in einer vertikalen Arbeitsebene 17. An den Linearachsen 1 befestigt über dem Bereich der vertikalen Arbeitsebenen 17 befindet sich ein Aufhängegerüst 11 für einen Patienten 16. Der robotergestützte Laufsimulator dient zum Einsatz in der Rehabilitation, zur sportlichen Ertüchtigung der Bein- und Rückenmuskulatur oder zum Training des Laufens von ...

Description

Der robotergestützte Laufsimulator dient zum Einsatz in der Rehabilitation von Patienten mit hauptsächlich einseitigen Schwächen, zum Beispiel nach Schlaganfällen. Er kann aber auch zur sportlichen Ertüchtigung der Bein und Rückenmuskulatur von Menschen dienen. Eine ebenfalls zweckmäßige Anwendung kann das Trainieren des Laufens von Menschen in einer virtuellen Umgebung sein, um besondere Geschicklichkeiten zu erwerben. Das kann zum Beispiel Skilauf, Bergsteigen oder Treppensteigen sein.
Die Behandlung einer hochgradigen Schwäche der unteren Extremitäten z.B. nach Schlaganfall, ist schwierig und häufig nicht erfolgreich. Konventionelle, personalintensive Krankengymnastik zielt meistens darauf ab, spastikbedingte Muskelverkrampfungen zu lösen und das Gehen vorbereitende Übungen in Sitz und Stand zu üben, um z.B. die Gewichtsübernahme auf das betroffene Bein zu stärken. In der Konsequenz führt dieses Vorgehen in der Praxis häufig dazu, daß der Patient das Gehen und damit die dem Gehen zu Grunde liegenden Fuß- und Beinbewegungen nicht wiederholt übt.
Moderne wissenschaftliche Konzepte der Gangrehabilitation favorisieren dagegen ein wiederholtes passives und soweit möglich aktives Üben des Gehens so früh als möglich, oder falls noch nicht möglich das Üben zumindest einzelner Bewegungsfolgen des Gehens mit den Füßen und Beinen. So konnte für Schlaganfallpatienten gezeigt werden, daß die wiederholte aktive, isometrische und isotone Dorsalextension der Füße und Beine hinsichtlich der Rückbildung der motorischen Funktion der gesamten unteren Extremitäten einer konventionellen Therapie überlegen war. Noch größere Erfolge konnten erzielt werden, wenn der Patient das Gehen selbst wiederholt übte. Hinsichtlich passiver Bewegungen gelähmter Extremitätenabschnitte ist anzumerken, daß sie zum einen die Beweglichkeit des Bewegungssegments erhalten und zum anderen die Erinnerung des Gehirns an die Bewegungsfolge wachhalten.
Ein beidseitiges Üben der gesunden Seite und der geschwächten Seite der unteren Extremitäten ist einem einseitigen Üben nur der geschwächten Seite überlegen. Die Mitbewegung der nicht geschwächten Seite übt dabei nach funktionell bildgebenden Verfahren einen fördernden Einfluß auf die Aktivierung der für den Einsatz der gelähmten Extremität verantwortlichen Hirnstrukturen im Scheitellappen aus.
Zum beidseitigen Üben sowohl der gesunden Seite als auch der geschwächten Seite der unteren Extremitäten sind eine Reihe von therapeutischen elektromechanischen Übungsgeräten bekannt.
Hauptsächlich sind mechanische Vorrichtungen mit Tretkurbeln beschrieben, die ein Üben der gesunden Seite und ein Mitüben der geschwächten Seite der oberen und unteren Extremitäten ermöglichen. Solche Ausbildungen sind z.B. in DE OS 3618686 , DE OS 19529764 , DE OS 8109699 oder DE OS 8528083 beschrieben. Dabei ist auch beschrieben, daß diese mechanischen Vorrichtungen zur Unterstützung des Übungsprozesses der geschwächten Seite angetrieben werden können.
Für andere therapeutische elektromechanische Übungsgeräte sind Steuerungen bekannt, welche die vom Patienten während der Übung generierten Kräfte messen und diese auf die Betätigungseinrichtung verstärkt mitkoppeln. Dabei sind verschiedene Parameterbewertungen wie Schwellwerte für Mindesteigenbewegungen oder Kräfte und vollständige Vergleiche mit vorgegebenen Programmen möglich. Eine derartige zur Behandlung von Gehschwäche bei Patienten angewendete Vorrichtung ist das „Robotersystem-Gangtrainer zum Einsatz in der Rehabilitation", welches in der DE 100 28 511 beschrieben ist.
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. 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 ist ein Steuerungsprogramm zugeordnet, das den koordinierten Betrieb des Roboters gewährleistet. Individuelle Gangtrajektorien für die Patienten sind programmierbar.
Das Robotersystem ist optional mit Kraftsensoren versehen, welche 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.
Der Nachteil von therapeutischen elektromechanischen Übungsgeräten mit Tretkurbeln wie sie in DE OS 3618686 , DE OS 19529764 , DE OS 8109699 oder DE OS 8528083 erläutert ist, dass ausschließlich ein asynchrones Nachführen der geschwächten Seite, gemäß der Vorgabe der gesunden Extremität, möglich ist. Asynchron nachgeführte Bewegungen spiegeln jedoch nicht die Vielfalt realer Bewegunsgabläufe wider, so daß der angestrebte Lerneffekt von Bewegungsabläufen von dem Gehirnlappen der gesunden auf die betroffene Seite nur bedingt möglich ist. Variationen der Bewegungsabläufe sind mit solchen Übungsgeräten auf Grund ihrer starren mechanischen Verbindung der Konstruktionselemente jedoch nicht möglich.
Elektromechanische Übungsgeräte, welche die vom Patienten während der Übung erzeugten Kräfte messen, diese auf die Betätigungseinrichtung verstärkt mitkoppeln, oder verschiedene Parameterbewertungen wie Schwellwerte für Mindesteigenbewegungen oder Kräfte und ganze Vergleiche mit vorgegebenen Programmen ermöglichen und auf mindestens einen Körperteil des Patienten wirken haben den Nachteil, daß keine exakten Beziehung der Steuerung der geschwächten zur gesunden Seite besteht. Somit ist der angestrebte Lerneffekt der geschwächten von der gesunden Seite des Patienten nur unvollständig berücksichtigt wird, was wiederum den Heilungserfolg beeinträchtigen wird.
Das „Robotersystem-Gangtrainer zum Einsatz in der Rehabilitation", welches in der DE 100 28 511 beschrieben ist hat sich als nicht praktikabel erwiesen, da der Freiheitsgrad zum seitlichen Schwenken der Fußplatten nicht erforderlich ist und zu Verletzungen des Patienten führen kann. Dieser Freiheitsgrad bedingt darüber hinaus einen komplizierten und hohen Aufbau der Vorrichtung, welche dann nur schwer einen Zugang des Therapeuten ermöglicht. Eine Anwendung des „Robotersystem-Gangtrainer zum Einsatz in der Rehabilitation" in der Körperertüchtigung und zur Verbesserung verschiedener Geschicklichkeitsübungen ist auf Grund des kompakten Aufbaues und der damit verbundenen mechanischen Trägheit nicht oder nur bedingt möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der die unteren Extremitäten des Menschen bei einseitiger Schwächung so beübt werden können, dass die gesunde Seite die geschwächten und bei den Übungen verschiedene Übungsmodi nach medizinischen und psychologischen Gesichtspunkten frei veränderbar sind. Heilerfolge für den Patienten sollen somit einerseits durch das häufige Wiederholen von Übungselementen und andererseits durch die Übertragung von Lerneffekten der für die gesunde Extremität zuständigen Gehirnseite auf die für die geschwächte Extremität zuständige Gehirnseite ermöglicht werden.
Zur weiteren Verbesserung des in der Gesundung fortgeschrittenen Patienten und gesunde Menschen soll der robotergestützte Laufsimulator zur sportlichen Ertüchtigung der Bein und Rückenmuskulatur dienen. Eine Anwendung des Trainieren des Laufens von Menschen in einer virtuellen Umgebung muß möglich sein.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe zur Schaffung eines robotergestützten Laufsimulators dadurch gelöst, dass auf zwei spiegelsymmetrisch angeordneten und mit Verbindungsholmen zueinander fixierten Linearachsen je ein Linearmotor I und ein Linearmotor II unabhängig hintereinander gleiten. Auf den Linearmotoren I befindet sich quer zur Gleitrichtung nach innen ragend und schwenkbar ein Roboterarm starr verbunden mit einem nach unten ragendem Hebel, an welchem nach hinten zeigend über eine Schubstange der Linearmotor II angelenkt ist. Am Ende der Roboterarme ragen wiederum schwenkbar nach innen Fussplatten mit auf ihrer Oberseite befindlichen Fussbindungen.
Die schwenkbaren Fussplatten bewegen sich mit Hilfe einer frei programmierbaren Steuerung bedingt durch die schwenkbaren Fussplatten, die schwenkbaren Roboterarme und die unabhängig voneinander gleitenden aber über die an den Linearmotor I und Hebel und Linearmotor II angelenkte Schubstange, in einer vertikalen Arbeitsebene unabhängig oder spiegelbildlich synchron voneinander.
An den Linearachsen befestigt über dem Bereich der vertikalen Arbeitsebenen befindet sich ein Aufhängegerüst mit einer oberen mittigen und zu den Linearachsen parallelen Transferschiene, an der ein Patientenlifter mit daran hängendem Patientenhaltegurt gleitet. Im Aufhängegerüst vor den Fussplatten etwa in Armhöhe eines auf den Fussplatten stehenden Patienten ist fest eine Haltestange angeordnet. Die Bewegung der Fussplatten mit dem darauf stehenden Patienten kann sowohl durch programmierte Vorgaben der Steuerung erfolgen als auch durch den Patienten bei nachgiebigen Fussplatten (patientengeführte Bewegung). Zwischen der programmierten Bewegung und der durch den Patienten geführten Bewegung kann beliebig variiert werden. Es ist auch möglich eine Fussplatte durch den Patienten und die andere Fussplatte durch programmierte Vorgaben zu steuern. Die Bewegungen der Fussplatten innerhalb der vertikalen Arbeitsebenen sind zweckmäßigerweise aus Sicherheitsgründen den menschlichen Abmaßen anzupassen. Sie sollen für die X-Horizontalbewegung 90 Cr, die Z-Vertikalbewegung 40 cm und für die B-Schwenkbewegung im Bereich –75° bis +30° sein.
Ein Ausführungsbeispiel wird in der nachfolgenden Zeichnung erläutert. Dabei zeigt die:
1: den robotergestützten Laufsimulator in einer 3 dimensionalen Ansicht ohne das Aufhängegerüst 11, ohne einen Patienten 16 und ohne das Maschinenhaus 10.
2: den robotergestützten Laufsimulator in einer 3 dimensionalen Ansicht ohne das Maschinenhaus 10.
3: den robotergestützten Laufsimulator in einer Vorderansicht
4: den robotergestützten Laufsimulator in einer 3 dimensionalen Seitenansicht.
Gemäß der 1 gleiten bei dem robotergestützten Laufsimulator auf zwei spiegelsymmetrisch angeordneten und mit Verbindungsholmen 2 zueinander fixierten Linearachsen 1 je ein Linearmotor I 5 und ein Linearmotor II 6 unabhängig hintereinander. Auf den Linearmotoren 15 befindet sich quer zur Gleitrichtung nach innen ragend und schwenkbar ein Roboterarm 9 starr verbunden mit einem nach unten ragendem Hebel 8, an welchem nach hinten zeigend über eine Schubstange 7 der Linearmotor II 6 angelenkt ist. Am Ende der Roboterarme 9 ragen wiederum schwenkbar nach innen Fussplatten 3 mit auf ihrer Oberseite befindlichen Fussbindungen 4. Die schwenkbaren Fussplatten 3 bewegen sich mit Hilfe einer frei programmierbaren Steuerung bedingt durch die schwenkbaren Fussplatten 3, die schwenkbaren Roboterarme 9 und die unabhängig voneinander gleitenden aber über die an den Linearmotor I 5 und Hebel 8 und Linearmotor II 6 angelenkte Schubstange 7, in einer vertikalen Arbeitsebene 17 unabhängig oder spiegelbildlich synchron voneinander.
Gemäß der 2 ist an den Linearachsen 1 über dem Bereich der vertikalen Arbeitsebenen 17 ein Aufhängegerüst 11 mit einer oberen mittigen und zu den Linearachsen 1 parallelen Transferschiene 13 befestigt, an der ein Patientenlifter 12 mit daran hängendem Patientenhaltegurt 15 gleite. Vor den Fussplatten 3 etwa in Armhöhe eines auf den Fussplatten 3 stehenden Patienten 16 ist fest eine Haltestange 14 angeordnet.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen:

1: Linearachse
2: Verbindungsholm
3: Fussplatte
4: Fussbindung
5: Linearmotor I
6: Linearmotor II
7: Schubstange
8: Hebel
9: Roboterarm
10: Maschinenhaus
11: Aufhängegerüst
12: Patientenlifter
13: Transferschiene
14: Haltestange
15: Patientenhaltegurt
16: Patient
17: Vertikale Arbeitsebene
18: X = Horizontalbewegung
19: Z = Vertikalbewegung
20: B = Schwenkbewegung

Claims

Robotergestützter Laufsimulator zum Einsatz in der Rehabilitation, zur sportlichen Ertüchtigung der Bein- und Rückenmuskulatur von Menschen oder das Training des Laufens von Menschen in einer virtuellen Umgebung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, 1) dass auf zwei spiegelsymmetrisch angeordneten und mit Verbindungsholmen 2 zueinander fixierten Linearachsen 1 je ein Linearmotor I 5 und ein Linearmotor II 6 unabhängig hintereinander gleiten. 2) Auf den Linearmotoren I 5 befindet sich quer zur Gleitrichtung nach innen ragend und schwenkbar ein Roboterarm 9 starr verbunden mit einem nach unten ragendem Hebel 8, an welchem nach hinten zeigend über eine Schubstange 7 der Linearmotor II 6 angelenkt ist. 3) Am Ende der Roboterarme 9 ragen wiederum schwenkbar nach innen Fussplatten 3 mit auf ihrer Oberseite befindlichen Fussbindungen 4.4 4) Die schwenkbaren Fussplatten 3 bewegen sich mit Hilfe einer frei programmierbaren Steuerung bedingt durch die schwenkbaren Fussplatten 3, die schwenkbaren Roboterarme 9 und die unabhängig voneinander gleitenden aber über die an den Linearmotor I 5 und Hebel 8 und Linearmotor II 6 angelenkte Schubstange 7, in einer vertikalen Arbeitsebene 17 unabhängig oder spiegelbildlich synchron voneinander.
Robotergestützter Laufsimulator nach Patentanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass, an den Linearachsen 1 befestigt über dem Bereich der vertikalen Arbeitsebenen 17 befindet sich ein Aufhängegerüst 11 mit einer oberen mittigen und zu den Linearachsen 1 parallelen Transferschiene 13, an der ein Patientenlifter 12 mit daran hängendem Patientenhaltegurt 15 gleitet und vor den Fussplatten 3 etwa in Armhöhe eines auf den Fussplatten 3 stehenden Patienten 16 ist fest eine Haltestange 14 angeordnet.
Robotergestützter Laufsimulator nach Patentanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass, die Bewegung der Fussplatten 3 mit dem darauf stehenden Patienten 16 sowohl durch programmierte Vorgaben der Steuerung erfolgt als auch durch den Patienten 16 bei nachgiebigen Fussplatten 3 erfolgen kann, wobei zwischen der programmierten Bewegung und der durch den Patienten 16 geführten Bewegung beliebig variiert werden kann oder eine Fussplatte 3 wird durch den Patienten 16 und die andere Fussplatte 3 durch programmierte Vorgaben gesteuert.
Robotergestützter Laufsimulator nach Patentanspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass, die Bewegungen der Fussplatten 3 innerhalb der vertikalen Arbeitsebene 17 für die X-Horizontalbewegung 18 = 90 cm, die Z-Vertikalbewegung 19 = 40 cm und für die B-Schwenkbewegung 20 im Bereich –75° bis +30° sind.