DE102012213365B4 - Piezo-driven exoskeleton - Google Patents
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Abstract
Exoskelett zur Ankopplung an Extremitäten einer Person, umfassend mindestens eine Stütze, die jeweils mit einer Extremität der Person an mindestens einer Stelle verbindbar ist, wobei auf Höhe jedes Gelenkes künstliche Gelenke in jede Stütze eingebracht sind, die ein Beugen und Strecken der genannten Gelenke der Person so ermöglichen, dass die Person mit Hilfe des Exoskeletetts und durch mindestens eine das Exoskelett steuernde Antriebseinheit, die durch eine Stromversorgungseinheit versorgbar ist, fortbewegt werden kann, wobei diese Antriebseinheit als Piezo-angetriebener Motor ausgebildet ist und zumindest ein in die Stütze eingebrachtes Gelenklager (4) des genannten künstlichen Gelenkes mit einer Antriebswelle (3) des Piezo-angetriebenen Motors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-angetriebene Motor wenigstens zwei Piezo-Stacks (6) zum Antrieb des Piezo-angetriebenen Motors aufweist.Exoskeleton for coupling to the extremities of a person, comprising at least one support which can be connected to an extremity of the person at at least one point, with artificial joints being introduced into each support at the level of each joint, which allow bending and stretching of said joints of the person enable the person to be moved with the help of the exoskeleton and at least one drive unit that controls the exoskeleton and can be supplied by a power supply unit, this drive unit being designed as a piezo-driven motor and at least one pivot bearing (4 ) said artificial joint is connected to a drive shaft (3) of the piezo-driven motor, characterized in that the piezo-driven motor has at least two piezo-stacks (6) for driving the piezo-driven motor.
Description
Die Erfindung betrifft ein Exoskelett zur Ankopplung an untere Extremitäten einer Person, umfassend zwei Beinstützen, die jeweils mit den Oberschenkeln der Person verbindbar und die an die Unterschenkel der Person fixierbar sind.The invention relates to an exoskeleton for coupling to the lower extremities of a person, comprising two leg supports, which are each connectable to the thighs of the person and which are fixable to the lower leg of the person.
Infolge einer angeborenen Behinderung, einer unfallbedingten Lähmung oder wegen einer krankheits- bzw. altersbedingten Beeinträchtigung ihres Bewegungsapparates gibt es Personen, die nicht mehr in der Lage sind, ihre Gliedmaßen im natürlichen bzw. gewünschten Umfang zu bewegen und zu gebrauchen. Mit Hilfe einer mechanischen Unterstützung bzw. Stabilisierung, verbunden mit einer erforderlichen Antriebs-, Steuer- und Regelungstechnik ist es möglich, den betroffenen Personen die Nutzung ihrer Gliedmaßen wieder vollständig oder zumindest teilweise zu ermöglichen. So können sich z. B. Querschnittsgelähmte mit Unterstützung durch ein sogenanntes Exoskelett, das aus
Gemäß
Es sind Hüftantriebe vorgesehen, die von einer Stromversorgung angetrieben werden, um den Kraftaufwand der Person beim Gehen zu reduzieren.There are provided hip drives that are powered by a power supply to reduce the effort of the person walking.
Aus
Für die Antriebseinheiten derartiger Bewegungshilfsmittel ist es sinnvoll, eine Vielzahl von Eigenschaften zu optimieren, die im Folgenden erwähnt werden:
- – Kompakte Bauform
- – Hohes Drehmoment versus Volumen
- – Integriertes Getriebe mit hoher Effizienz
- – Geringe Reibung, sehr geringes Losbrechmoment
- – Geräuscharmut durch niedrige Drehzahl
- – Selbsthaltung der Position ohne Energiezufuhr
- – Haltemoment mehrfach höher als Antriebsmoment
- – Geringe Wärmeentwicklung
- – Sehr robust gegen Stoßbelastungen und Umwelteinflüsse, d. h. keine empfindlichen Bauteile
- – Integrierte Messmöglichkeit für Drehmoment, adaptive Regelung des Drehmoments und der Bewegungsablaufe sollten möglich sein
- – Eine elektrische Rückspeisung von Bewegungsenergie sollte für energiesparenden Betrieb möglich sein
- – Optimales Ansteuern und Regelverhalten, wobei die Ansteuerung mit einer Kleinspannung 48 V DC (Gleichstrom) möglich (Batteriebetrieb) sein sollte.
- - Compact design
- - High torque versus volume
- - Integrated transmission with high efficiency
- - Low friction, very low breakaway torque
- - Low noise due to low speed
- - Locking the position without power supply
- - Holding torque several times higher than drive torque
- - Low heat development
- - Very robust against shock loads and environmental influences, ie no sensitive components
- - Integrated measurement capability for torque, adaptive control of torque and motion sequences should be possible
- - An electrical recovery of kinetic energy should be possible for energy-saving operation
- - Optimum control and control behavior, whereby the control with a low voltage 48 V DC (DC) should be possible (battery operation).
Es ist möglich, dass die Antriebseinheiten von Exoskeletten durch konventionelle Elektromotoren, Hydraulikantriebe, pneumatische Antriebe oder Linearantriebe (direkt-angetriebene Linearmotoren oder Kugelumlaufspindeln) angetrieben werden, welche in Bezug auf die oben genannten Eigenschaften nicht optimal für diesen Einsatzzweck geeignet sind.It is possible that the drive units of exoskeletons are driven by conventional electric motors, hydraulic drives, pneumatic drives or linear drives (direct-driven linear motors or ball screws), which are not optimally suited for this purpose with respect to the above-mentioned properties.
Aus
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Exoskelett in Hinblick auf die oben genannten Eigenschaften zu optimieren.The object underlying the invention is to optimize an exoskeleton in view of the above-mentioned properties.
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patenansprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the device according to the independent claim. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent patent claims or can be taken from the following description and the exemplary embodiments.
Gegenstand der Erfindung ist ein Exoskelett zur Ankopplung an Extremitäten einer Person, umfassend mindestens eine Stütze, die jeweils mit einer Extremität der Person an mindestens einer Stelle verbindbar ist, wobei auf Höhe jedes Gelenkes (z. B. Hüft-, Knie-, Fußgelenk bzw. Schulter-, Ellbogen-, Handgelenk) künstliche Gelenke in jede Stütze eingebracht sind, die ein Beugen und Strecken der genannten Gelenke der Person so ermöglichen, dass die Person mit Hilfe des Exoskeletetts und durch mindestens eine das Exoskelett steuernde Antriebseinheit, die durch eine Stromversorgungseinheit versorgbar ist, fortbewegt werden kann. Dabei ist die Antriebseinheit als Piezo-angetriebener Motor ausgebildet und zumindest ein in die Stütze eingebrachtes Gelenklager des genannten künstlichen Gelenkes ist mit einer Antriebswelle des Piezo-angetriebenen Motors verbunden, wobei der Piezo-angetriebene Motor wenigstens zwei Piezo-Stacks aufweist.The invention relates to an exoskeleton for coupling to extremities of a person, comprising at least one support which is connectable to a limb of the person in at least one place, wherein at the level of each joint (eg hip, knee, ankle or foot) Shoulder, elbow, wrist) artificial joints are introduced into each support, which allow bending and stretching of said joints of the person so that the person with the help of the exoskeleton and by at least one exoskeleton controlling drive unit by a power supply unit is manageable, can be moved. In this case, the drive unit is designed as a piezo-driven motor and at least one incorporated in the support spherical plain bearing of said artificial joint is connected to a drive shaft of the piezo-driven motor, wherein the piezo-driven motor has at least two piezo stacks.
Erfindungsgemäß werden anstatt der oben beschriebenen Antriebe gemäß dem Stand der Technik piezoelektrische Antriebe bzw. Piezo-Aktuatoren (Aktoren) in einem Exoskelett eingesetzt.According to the invention, piezoelectric actuators or piezoactuators (actuators) are used in an exoskeleton instead of the drives described above according to the prior art.
Es ist denkbar, dass das Exoskelett an die unteren Extremitäten, d. h. and die Beine einer Person ankoppelbar ist, ähnlich wie es in der eingangs genannten US-Schrift
Dabei wird zumindest ein Gelenklager des Exoskeletts in eine vorzugsweise als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle eines Piezo-angetriebenen Motors integriert.In this case, at least one spherical bearing of the exoskeleton is integrated into a preferably designed as a hollow shaft drive shaft of a piezo-driven motor.
Es gibt eine Skalierung der Leistung und des Drehmoments durch eine variable Anzahl an Piezo-Aktuatoren bzw. -Antrieben, die elektrisch parallel angesteuert werden.There is a scaling of the power and the torque by a variable number of piezo actuators or drives, which are electrically controlled in parallel.
Die konstruktiven Eigenschaften der Piezo-Aktuatoren ermöglichen z. B. eine Selbsthemmung der Gelenke sowie eine Energierückgewinnung, wodurch der Stromverbrauch verringert wird.The structural properties of the piezo actuators allow z. As a self-locking of the joints and energy recovery, whereby the power consumption is reduced.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Piezo-Stacks auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines künstlichen Scharnier-Gelenks angeordnet sind.An advantageous development of the invention provides that the piezo stacks are arranged on one side or on both sides of an artificial hinge joint.
Dabei können die Piezo-Stacks mit Federelementen gekoppelt sein.The piezo stacks can be coupled with spring elements.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Piezo-Stacks über die Antriebswelle des Piezo-angetriebenen Motors ein Drehmoment auf wenigstens eine relativ zum Piezo-angetriebenen Motor drehbare Komponente des Exoskeletts (z. B. Beinschienen) ausüben können. Das Drehmoment kann über ein Getriebe von der Antriebswelle aus erzeugt werden.An advantageous development of the invention provides that the piezo stacks can exert a torque on at least one component of the exoskeleton (eg, grease rails) rotatable relative to the piezo-driven motor via the drive shaft of the piezo-driven motor. The torque can be generated via a gear from the drive shaft.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Exoskelett ferner einen Kraftsensor aufweist, der die Kraft zwischen Exoskelett(-Gerüst) und Oberkörper der Person messen kann, wobei ein Signalprozessor sicherstellen kann, dass die auf den Oberkörper der Person wirkende Kraft zur Fortbewegungsgeschwindigkeit der Person passt.An advantageous development of the invention provides that the exoskeleton further comprises a force sensor which can measure the force between the exoskeleton (scaffold) and upper body of the person, wherein a signal processor can ensure that the force acting on the upper body of the person to the speed of movement of Person fits.
In einer weiteren Anwendung können (z. B. altersbedingte) Zitterbewegungen unter Einsatz einer speziellen Prothetik durch eine externe Stabilisierung, insbesondere eines Exoskeletts, reduziert und evtl. ganz unterdrückt werden.In a further application (eg, age-related) jitter movements can be reduced and possibly completely suppressed by using a special prosthesis by means of an external stabilization, in particular of an exoskeleton.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Die Erfindung ist nicht auf die folgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. In den Zeichnungen zeigen:Further advantages, details and developments of the invention will become apparent from the following description of embodiments in conjunction with the drawings. The invention is not limited to the embodiments described below. In the drawings show:
In
Gemäß
Erfindungsgemäß sitzen die Piezo-Antriebe jeweils am Drehpunkt des Hüft- A, Knie- B und ggf. Fußgelenks C. Beim Knie- und Fußgelenk können die Piezo-Antriebe einseitig jeweils außen oder innen oder auch beidseitig eingesetzt werden. Zur Unterstützung der Drehbewegung und zur Aufnahme statischer Drehmomente können die Piezo-Antriebe mit in den Figuren nicht dargestellten Federelementen nach dem Torsionsprinzip (z. B. Spiralfedern, Drehstabfedern) oder mit Gasdruck-Federelementen kombiniert werden.According to the invention, the piezo drives each sit at the pivot point of the hip A, knee B and possibly ankle joint C. In the knee and ankle, the piezo drives can be used on one side each outside or inside or on both sides. To support the rotational movement and to absorb static torques, the piezoelectric drives can be combined with spring elements, not shown in the figures, according to the torsion principle (eg spiral springs, torsion bar springs) or with gas-pressure spring elements.
Die Piezo-Antriebe üben (falls erforderlich über ein ein- oder mehrstufiges Getriebe, welches in den Piezo-angetriebenen Motor integriert werden kann) über die Antriebswelle ein Drehmoment auf den relativ zum Piezo-Motor drehbaren Teil (Stütze, Stab, Schiene, Schale o. ä.) des Exoskeletts aus. Die Lagerung der Antriebswelle kann gleichzeitig die Lagerung für die drehbare Schiene
Der Piezo-Antrieb kann auch mehrere in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnete Piezo-Stacks (
Ferner kann das Exoskelett einen Kraftsensor aufweisen, der die Kraft zwischen Exoskelett und Oberkörper der Person misst, wobei ein Signalprozessor sicherstellt, dass die auf den Oberkörper der Person wirkende Kraft zur Fortbewegungsgeschwindigkeit der Person passt.Further, the exoskeleton may include a force sensor that measures the force between the exoskeleton and the upper body of the person, wherein a signal processor ensures that the force acting on the upper body of the person to the speed of movement of the person fits.
Um einen Akku-/Batteriebetrieb der Antriebe zu ermöglichen, können Piezo-elektrische Niedervoltmultilayeraktoren eingesetzt werden.To enable battery / battery operation of the drives, low-voltage piezoelectric electric actuators can be used.
Gegebenenfalls sollte der in die Gelenke integrierte Piezo-Antrieb elektrisch z. B. durch eine Kunststoffhülle bzw. -mantel abgeschirmt werden, falls Niedervolt-Piezo-Aktoren im konventionellen Netzspannungsbereich ab ca. 100 Volt eingesetzt werden.If necessary, the integrated in the joints piezo drive should be electrically z. B. be shielded by a plastic sheath or casing, if low-voltage piezo actuators are used in the conventional mains voltage range from about 100 volts.
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Legal Events
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