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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Steifigkeitsmessung eines Objektes, insbesondere eines Teils des Bewegungsapparates des menschlichen Körpers.
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Zu medizinischen Zwecken oder bei der Planung von Bewegungsabläufen von industriellen Montagen ist es häufig notwendig, die Steifigkeit eines Objektes, insbesondere eines Teils des Bewegungsapparates des menschlichen Körpers, wie beispielsweise ein menschlicher Arm, zu bestimmen.
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Bei bekannten Systemen wird beispielsweise der zu untersuchende Körperteil an einen externen robotischen Aktor gekoppelt, wobei die Vermessung von Bewegungsparametern durch die Kopplung an dem als Aktor und Messsystem dienenden Roboter erfolgt.
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Beispielsweise bei der Vermessung der Steifigkeit eines menschlichen Armes erfolgt die Kopplung zwischen robotischem Aktor und Arm durch das Greifen eines Griffs des Aktors mit der Hand des Armes, so dass bei der Untersuchung eine freie Bewegung des Armes nicht möglich ist. Die Armsteifigkeit kann somit zumeist nur bei einer sehr eingeschränkten Bewegung des Armes vermessen werden.
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Die verwendeten Systeme können ferner zumeist nur die Steifigkeit eines Gelenkes vermessen oder die Steifigkeit nur in zwei Dimensionen ermitteln.
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Durch die Kopplung des externen Aktors mit dem Objekt kann es vorkommen, dass während der Messung der auftretenden Kräfte häufig Vibrationen des Aktors mit gemessen werden.
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Erfolgt die Messung zu einem etwas späteren Zeitpunkt, um die Vibrationen des Aktors zu umgehen, kann die Messung durch einen Reflexmechanismus des menschlichen Körpers verfälscht werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Steifigkeitsmessung eines Objektes, insbesondere eines Teils des menschlichen Bewegungsapparates, bereitzustellen, bei dem auf eine einfache Art und Weise die Steifigkeit des Objektes auch bei gewöhnlichen Bewegungsmustern erfolgen kann. Dabei sollen die durch die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile möglichst vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch ein System zur Steifigkeitsmessung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Steifigkeitsmessung gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein System zur Steifigkeitsmessung eines Objektes, insbesondere eines Teils des Bewegungsapparates des menschlichen Körpers, vorgesehen, mit einem Messsystem zum berührungslosen Erfassen der räumlichen Position und/oder der Beschleunigung des Objektes und mit einem Belastungssystem zum Einleiten mindestens einer definierten Kraft und/oder mindestens eines definierten Impulses in das Objekt, wobei das Belastungssystem an dem Objekt befestigbar ist und das Objekt durch die Kraft und/oder Impuls auslenkbar ist.
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Da das erfindungsgemäße System die räumliche Position und/oder die Beschleunigung des Objektes berührungslos erfasst und darüber hinaus das Belastungssystem an dem Objekt befestigbar ist, ist ein robotischer Aktor sowie die Kopplung des Objektes an einen Roboter, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht notwendig. Dadurch ist das Objekt frei beweglich. Bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Systems zur Steifigkeitsmessung an einem Teil des Bewegungsapparates des menschlichen Körpers, beispielsweise an einem menschlichen Arm, kann bei der Steifigkeitsmessung der Arm sich somit nahezu frei bewegen und typische Bewegungsabläufe durchführen.
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Dabei kann beispielsweise die Steifigkeitsmessung bei typischen Bewegungsabläufen des Armes, die ein Industriearbeiter bei der Montage von Produkten ausführt, beispielsweise das Fügen von Bauteilen, gemessen werden. Die Steifigkeit des Objektes wird über die definierte Kraft bzw. den definierten Impuls und der sich zeitlich ändernden Position bzw. der Beschleunigung des Objektes rechnerisch ermittelt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Messsystem mindestens einen Beschleunigungssensor zum Erfassen der translatorischen Beschleunigung des Objektes und/oder ein Drehgeschwindigkeitssensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit des Objektes aufweist. Dabei kann der Beschleunigungssensor die translatorische Beschleunigung des Objektes in drei Raumrichtungen und/oder der Drehgeschwindigkeitssensor die Drehgeschwindigkeit des Objektes über drei Raumachsen erfassen. Auf diese Weise ist das berührungslose Erfassen der räumlichen Position und/oder der Beschleunigung des Objektes auf eine besonders einfache Art und Weise möglich.
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Das erfindungsgemäße Messsystem zum berührungslosen Erfassen der räumlichen Positionen und/oder der Beschleunigung des Objektes muss im Rahmen der Erfindung nicht zwangsläufig die entsprechenden Daten direkt gewinnen, sondern es ist auch möglich, dass die gewünschten Daten, wie beispielsweise die räumliche Position des Objektes, aus erfassten Daten rechnerisch ermittelt werden.
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Der Beschleunigungssensor kann beispielsweise auf MEMS-Technik basieren und der Drehgeschwindigkeitssensor kann beispielsweise ein Drehratensensor sein, der auf dem gyroskopischen Prinzip beruht, vorzugsweise ein mikro-mechanisches Gyroskop. Derartige Sensoren sind besonders platzsparend und können daher in vorteilhafter Weise direkt an dem Objekt befestigt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Messsystem ein optisches Trackingsystem umfasst, über das die räumliche Position und/oder die Beschleunigung des Objektes bestimmbar ist. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl an dem Objekt befestigte Sensoren als auch ein externes Trackingsystem vorgesehen sind, können die Daten redundant verwendet werden, um eine höhere Genauigkeit zu erhalten.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Belastungssystem mindestens eine Vorrichtung aufweist, die eine definierte Kraft und/oder einen definierten Impuls in eine Raumrichtung erzeugt. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Belastungssystem mindestens drei Vorrichtungen aufweist, die jeweils eine definierte Kraft und/oder einen definierten Impuls in einer von drei unterschiedlichen Raumrichtungen erzeugen. Ein derartiges Belastungssystem hat den Vorteil, dass die von dem Belastungssystem in das Objekt eingeleitete Kraft bzw. der von dem Belastungssystem in das Objekt eingeleitete Impuls besonders gut steuerbar sind, da jede der Vorrichtungen nur jeweils eine definierte Kraft und/oder einen definierten Impuls in eine Raumrichtung erzeugt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die von dem Belastungssystem in das Objekt eingeleiteten Kräfte und Impulse translatorische Kräfte und Impulse und/oder rotatorische Kräfte und Impulse sind. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße System besonders variabel einsetzbar, da mit dem erfindungsgemäßen System die Steifigkeit des Objektes in Bezug auf unterschiedliche Kräfte und Impulse gemessen werden kann.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass pro Raumrichtung jeweils zwei Vorrichtungen angeordnet sind, die jeweils eine definierte Kraft und/oder einen definierten Impuls erzeugen. Dabei kann eine Vorrichtung zum Aufbringen von translatorischen Kräften und/oder Impulsen dienen, wohingegen die andere Vorrichtung zum Erzeugen von rotatorischen Kräften bzw. Impulsen dient.
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Jede der Vorrichtungen kann ein Gewicht aufweisen, das beschleunigbar und/oder verzögerbar ist, wobei der Beschleunigungs- und/oder Verzögerungsvorgang vorzugsweise abrupt erfolgt.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch die Beschleunigung und/oder Verzögerung eines Gewichtes in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Aufbringen von definierten Kräften und/oder Impulsen in vorteilhafter Weise möglich ist, da rechnerisch aus der für die Beschleunigung benötigten Energie oder aus der für die Verzögerung benötigten Energie bzw. durch die durch die Verzögerung von dem Gewicht aufgebrachte Energie auf die in das Objekt eingeleitete Kraft und/oder in das Objekt eingeleiteten Impuls geschlossen werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mindestens einen Anschlag für das Gewicht aufweist. Durch das Vorsehen eines Anschlages für das Gewicht ist das Erzeugen eines definierten Impulses, der in das Objekt eingeleitet wird, auf konstruktiv einfache Art und Weise möglich.
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Die Vorrichtung kann eine Führung für das Gewicht aufweisen, vorzugsweise ein Führungsrohr. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass das Gewicht in vorteilhafter Weise in eine Raumrichtung beschleunigt und/oder verzögert werden kann, wodurch eine definierte Kraft oder ein definierter Impuls in die entsprechende Raumrichtung hervorgerufen werden kann. Darüber hinaus ist eine Führung in Form eines Führungsrohres in konstruktiv einfacher Weise realisierbar.
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Es ist vorgesehen, dass das Gewicht über Druckluft und/oder elektrisch, vorzugsweise magnetisch, oder pyrotechnisch antreibbar ist. Durch das Beschleunigen des Gewichtes durch Druckluft und/oder auf elektrischem und/oder pyrotechnischem Weg kann über die zugeführte Energie auf einfache Art und Weise die bei der Beschleunigung auf das Objekt ausgeübten Kräfte bestimmt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, das Gewicht über Druckluft oder auf elektrischem Weg entsprechend zu verzögern.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Belastungssystem mindestens einen Kraftsensor aufweist, vorzugsweise einen in eine Raumrichtung wirkenden Kraftsensor für jede der Vorrichtungen, wobei jeder Kraftsensor zwischen dem Belastungssystem und dem Objekt wirkt. Über den Kraftsensor lassen sich die von dem Belastungssystem auf das Objekt ausgeübten und somit in das Objekt eingeleiteten Kräfte und Impulse in vorteilhafter Weise messen. Dadurch wird die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Systems erhöht, da die in das Objekt eingeleiteten definierten Kräfte und/oder Impulse sehr genau bestimmt werden können.
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Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren zur Steifigkeitsmessung eines Objektes, insbesondere eines Teils des Bewegungsapparates des menschlichen Körpers, vor, mit den folgenden Schritten:
- – Einleiten mindestens einer definierten Kraft und/oder mindestens eines definierten Impulses in das Objekt über ein an dem Objekt befestigtes Belastungssystem,
- – berührungsloses Erfassen der räumlichen Position und/oder der Beschleunigung des Objektes und Bestimmen der Auslenkung des Objektes,
- – Berechnung der Steifigkeit über die eingeleitete Kraft und/oder den eingeleiteten Impuls und die Auslenkung des Objektes.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass das Verfahren ein erfindungsgemäßes System zur Steifigkeitsmessung verwendet.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur die Erfindung näher erläutert.
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In der Figur ist das erfindungsgemäße System zur Steifigkeitsmessung schematisch in einer Seitenansicht an einem menschlichen Arm gezeigt.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße System auch an anderen Objekten als einem menschlichen Arm eingesetzt werden, beispielsweise kann das erfindungsgemäße System auch an einem Roboterarm, an Getrieben oder an Trägern eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße System 1 weist ein Belastungssystem 3 auf, das an dem Arm 100 befestigt ist. Die Befestigung des Belastungssystems 3 kann beispielsweise über eine in der Figur nicht dargestellte Manschette, beispielsweise eine Gipsmanschette, die an dem Arm 100 angebracht ist, erfolgen.
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Das Belastungssystem 3 dient zum Einleiten von definierten Kräften und Impulsen in den Arm 100, wodurch der Arm 100 auslenkbar ist.
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Zur Messung der Auslenkung des Armes weist das System 1 ferner ein berührungsloses Messsystem 5 auf, das berührungslos die räumliche Position und/oder die Beschleunigung des Armes 100 misst.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist durch das Vorsehen eines berührungslosen Messsystems 5, das an dem Arm 100 befestigt ist sowie durch das Belastungssystem 3, das ebenfalls an dem Arm befestigt ist, der Arm 100 frei beweglich, so dass typische Bewegungen des Armes 100 durchgeführt werden können.
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Über die Auslenkung des Armes 100 und die in den Arm 100 eingeleitete Kraft bzw. eingeleiteten Impuls kann die Steifigkeit des Armes 100 berechnet werden. Dazu kann eine in der Figur nicht dargestellte Rechnereinheit dienen, die die entsprechenden Daten über eine drahtlose Verbindung oder Kabelverbindung erhält.
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Das Belastungssystem 3 besteht aus drei Vorrichtungen 7, die in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel als Führungsrohre ausgebildet sind. In den Vorrichtungen 7 ist jeweils ein Gewicht 9 angeordnet, das in eine durch die Orientierung der Vorrichtung 7 vorgegebene Raumrichtung beschleunigbar und verzögerbar ist, wie durch Pfeile in der Figur angedeutet ist. Die Vorrichtungen 7 sind an ihren Enden 11 jeweils geschlossen und abgedichtet.
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An den Enden 11 sind ferner Druckluftleitungen 13 angeschlossen, über die Druckluft in die Vorrichtungen 7 geleitet werden kann. Mit Hilfe der Druckluft ist das Gewicht 9 einer Vorrichtung 7 beschleunigbar, indem das Gewicht 9 von der Druckluft in die entsprechende Richtung gedrückt wird. Durch die Beschleunigung des Gewichtes 9 wird eine Kraft erzeugt, die von der Vorrichtung 7 auf den Arm 100 übertragen wird. Die Kraft ist rechnerisch über die durch die Druckluft zugeführte Energie ermittelbar. Das beschleunigte Gewicht 9 kann nun entweder über eine entgegengesetzt wirkende Druckluft abgebremst werden oder es schlägt an einem der Ende der Vorrichtungen 11 gegen einen in der Figur nicht dargestellten Anschlag an, wodurch ein Impuls erzeugt wird, der ebenfalls auf den Arm 100 übertragen wird.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die drei Vorrichtungen 7 derart angeordnet, dass jeweils eine Kraft bzw. ein Impuls in eine von drei Raumrichtungen erzeugbar ist. Die von dem Belastungssystem 3 auf den Arm 100 ausgeübte Kraft bzw. der eingeleitete Impuls können translatorisch oder rotatorisch aufgebracht sein. Durch das Vorsehen von jeweils zwei Vorrichtungen pro Raumrichtung ist es beispielsweise möglich, in Bezug auf eine Raumrichtung sowohl translatorische Kräfte bzw. Impulse als auch rotatorische zu erzeugen.
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Zusätzlich oder alternativ zu der Beschleunigung der Gewichte 9 in den Vorrichtungen 7 durch Druckluft ist es auch möglich, diese elektrisch, beispielsweise magnetisch, zu beschleunigen bzw. zu verzögern.
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Das Messsystem 5 weist in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel einen schematisch dargestellten Beschleunigungssensor 15 zum Erfassen der translatorischen Beschleunigung des Armes 100 und einen schematisch dargestellten Drehgeschwindigkeitssensor 17 zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit des Armes 100 auf.
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Der Beschleunigungssensor 15 kann beispielsweise die translatorische Beschleunigung des Armes 100 in drei Raumrichtungen erfassen und der Drehgeschwindigkeitssensor 17 kann die Drehgeschwindigkeit des Armes 100 über drei Raumachsen bestimmen.
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Der Beschleunigungssensor kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor auf MEMS-Technik sein. Der Drehgeschwindigkeitssensor kann beispielsweise ein Drehratensensor sein, der auf dem gyroskopischen Prinzip beruht, beispielsweise ein mikro-mechanisches Gyroskop.
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Das Messsystem 5 kann ferner einen in der Figur nicht dargestellten Sender aufweisen, der die erfassten Daten drahtlos an eine Rechnereinheit übermittelt.
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Ein in der Figur ebenfalls nicht dargestelltes Steuerungssystem kann beispielsweise das Belastungssystem 3 steuern, indem durch die Druckluftleitungen 13 die entsprechenden Druckluftmengen in die Vorrichtungen 7 eingeleitet werden. Die dieser Druckluftmenge entsprechende Energie kann von der Steuereinheit an die nicht dargestellte Rechnereinheit übermittelt werden, so dass über diese Werte die entsprechende Kraft bzw. der Impuls errechnet werden kann.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Vorrichtungen des Belastungssystems und dem Arm 100 jeweils ein Kraftsensor angeordnet ist, der die von der jeweiligen Vorrichtung auf den Arm ausgeübte Kraft ermittelt und an die Rechnereinheit übersendet.
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Die entsprechenden Daten können eigenständig oder redundant zu dem aus der zugeführten Energie gewonnenen Daten für die Berechnung der Steifigkeit verwendet werden.
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Auf diese Weise kann ein sehr genaues System zur Steifigkeitsmessung bereitgestellt werden.
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Das Messsystem zum berührungslosen Erfassen der räumlichen Position und/oder der Beschleunigung des Armes kann beispielsweise auch ein optisches Trackingsystem umfassen, das alternativ oder zusätzlich zu dem Beschleunigungssensor oder dem Drehgeschwindigkeitssensor eingesetzt wird.
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Dabei weist der an dem Arm bzw. dem Objekt angeordnete Teil des Messsystems mindestens einen Emitter sowie ein externes sensorisches Positionsmesssystem auf, das die räumliche Position des Armes bzw. Objektes über den mindestens einen Emitter erfasst.
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Dabei kann das sensorische Positionsmesssystem mindestens ein optisches Kamerasystem umfassen. Mindestens ein Emitter kann beispielsweise eine passive oder aktive Marke sein.
