DE102014004508A1 - Device for supporting gripping functions of a hand for training gripping functions - Google Patents
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Abstract
Die Vorrichtung ist zur Unterstützung von Bewegungen von zwei oder mehr Fingern einer Hand und zur Verwendung für das kontrollierte Training von Greiffunktionen einzelner Finger vorgesehen. Dazu weist die Vorrichtung einen Motor (2) auf, der zur Leistungsübertragung auf ein Verteilergetriebe (1) eingerichtet ist. Weiter ist das Verteilergetriebe als ein sogenanntes Differentialgetriebe ausgebildet und weist eine Antriebswelle und zwei voneinander unabhängig bewegbare Abtriebswellen auf. Jede der Abtriebswellen ist mit jeweils einer Spindel verbunden, die Körpergliedmaße sind mittels Verbindungselementen mit den Spindeln verbindbar.The device is intended to support movements of two or more fingers of one hand and for use in the controlled training of grasping functions of individual fingers. For this purpose, the device has a motor (2), which is set up for power transmission to a transfer case (1). Next, the transfer case is designed as a so-called differential gear and has a drive shaft and two independently movable output shafts. Each of the output shafts is connected to a respective spindle, the body limbs are connected by means of connecting elements with the spindles.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterstützung von Greiffunktionen einer Hand und zum Training/Üben von Greiffunktionen einzelner Finger.The invention relates to a device for supporting gripping functions of one hand and for training / practicing gripping functions of individual fingers.
Das wesentliche Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die eines unterstützenden, technischen Hilfsmittels bei Patienten mit Störungen der Greiffunktion an der Hand, die z. B. durch einen Schlaganfall ausgelöst werden. Statistische Studien (aus 2005) haben ergeben, dass jedes Jahr allein in Deutschland ca. 250.000 Menschen einen Schlaganfall erleiden. Die Auswirkungen auf den Körper sind je nach Ort des Schlaganfalls unterschiedlich, wobei zu den häufigsten bleibenden Folgen eine Störung der Handfunktion gehört.The main application for the device according to the invention is that of a supportive, technical aid in patients with disorders of the gripping function on the hand, the z. B. triggered by a stroke. Statistical studies (from 2005) have shown that every year in Germany alone, about 250,000 people suffer a stroke. The effects on the body vary according to the location of the stroke, with the most frequent lasting consequences being a malfunction of the hand function.
Durch die zentrale Rolle der Hand mit ihren 14 Griffarten ist eine Kombination von Präzisionsgriffen und/oder Kraftgriffen möglich, ohne dabei die Beweglichkeit einzelner Finger einzuschränken, mit der gleichzeitigen Fähigkeit, die Griffkräfte an das zu ergreifende Objekt und die Anforderungen der Greifaufgabe anpassen zu können. Eine Einschränkung oder gar der Wegfall dieser Funktionalität bedeutet einen großen Verlust an Lebensqualität und eine spürbare Beeinträchtigung des täglichen Lebens.The central role of the hand with its 14 grip types allows for a combination of precision grips and / or force grips, without limiting the mobility of individual fingers, with the simultaneous ability to adjust the grip forces to the object to be gripped and the requirements of the gripping task. A limitation or even the omission of this functionality means a great loss of quality of life and a noticeable impairment of daily life.
Meist ist eine langwierige Rehabilitation notwendig, um die Funktionsstörungen zumindest zu reduzieren. Derartige Rehabilitationsmaßnahmen werden in der Regel durch Therapeuten ohne Unterstützung technischer Hilfsmittel durchgeführt.Usually, a lengthy rehabilitation is necessary to at least reduce the dysfunction. Such rehabilitation measures are usually performed by therapists without the assistance of technical aids.
Im Stand der Technik sind aber auch mechanische beziehungsweise passive Systeme bis zu komplexen, aufwendig konstruierten robotischen Systemen bekannt, mit denen die Greiffunktionen der Hand trainiert werden können.In the prior art but also mechanical or passive systems to complex, intricately constructed robotic systems are known with which the gripping functions of the hand can be trained.
Ein Beispiel für ein einfaches mechanisches System zeigt die
Ein weiteres Beispiel für ein mechanisches System zeigt eine Armschiene der Firma Saebo, die unter der Bezeichnung SaeboFlex bekannt ist (vgl.
Es sind auch reine Messsysteme zur Bestimmung der Schwere der Beeinträchtigungen und zur Protokollierung des Fortschritts bekannt.There are also known pure measuring systems for determining the severity of the impairments and for logging the progress.
Weiter sind Systeme zur Beweglichkeits- und Gelenkwinkelbestimmung der oberen und unteren Extremitäten sowie zur Messung der Greifkraft einer Hand bekannt (vgl.
Das unter dem Namen Cybergrasp bekannte System, das für haptische Anwendungen entwickelt wurde, jedoch auch für die Schlaganfallrehabilitation eingesetzt wird, gehört zur Gruppe der bekannten komplexen, aufwendig konstruierten robotischen Systeme mit unabhängiger Motorisierung der einzelnen Finger, die damit eine individuelle Kraftaufbringung erlaubt, die gezielt einzelne Finger stärkt (vgl.
Ein ähnliches komplexes und aufwendig konstruiertes robotisches System zeigt die Schrift
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Unterstützung und zum kontrollierten Trainieren von Bewegungen der menschlichen Hand und einzelner oder mehrerer Finger und insbesondere zur Verbesserung deren Bewegungsfähigkeit und Kraft bereitzustellen.The object of the invention is to provide an improved device for the support and controlled training of movements of the human hand and one or more fingers and in particular to improve their mobility and strength.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by the subject matter of
Die Erfindung schafft eine einfach aufgebaute, kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung zum kontrollierten Trainieren von Bewegungen der menschlichen Hand und einzelner oder mehrerer Finger. Sie ist insbesondere bei der feinmotorischen Kraftkontrolle einer Hand einsetzbar, aber auch darüber hinaus – bei entsprechender Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messdatenerhebung über Sensoren, deren Speicherung und Auswertung geeignet. Eine Überwachung und Regelung von Greiffunktionen ist damit direkt durch die Vorrichtung möglich.The invention provides a simple, inexpensive and reliable device for the controlled training of movements of the human hand and one or more fingers. It can be used in particular in the fine motor force control of a hand, but also beyond - with appropriate design, the inventive device for Measurement data acquisition via sensors, their storage and evaluation suitable. A monitoring and control of gripping functions is thus possible directly through the device.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit ein die Rehabilitation begleitendes technisches Hilfsmittel bereit, das den Therapeuten zeitlich entlastet und es dem Betroffenen ermöglicht, auch ohne Therapeuten und jederzeit ein kontrolliertes Training von Greiffunktionen durchzuführen. Die Vorrichtung erlaubt eine einfache und sichere Handhabung, die ohne spezielle Schulung oder Servicekräfte durch den Benutzer selbst vorgenommen werden kann.The device according to the invention thus provides a technical aid accompanying the rehabilitation, which relieves the time of the therapist and makes it possible for the affected person to carry out a controlled training of gripping functions even without therapists and at any time. The device allows easy and safe handling, which can be done by the user himself without special training or service forces.
Insbesondere dadurch kann die Vorrichtung in kleineren Rehabilitationszentren und für die Heimrehabilitation eingesetzt werden.In particular, the device can be used in smaller rehabilitation centers and for home rehabilitation.
Dabei ist es von Vorteil, dass sich die Vorrichtung vorzugsweise modular mit Sensoren und/oder Aktuatoren erweitern lässt und damit eine weitere Anpassbarkeit der Unterstützung und des Trainings möglich werden kann sowie eine objektiv messbare Beurteilung des Rehabilitationsfortschritts möglich wird.It is advantageous that the device preferably can be expanded modularly with sensors and / or actuators and thus a further adaptability of support and training can be possible and an objectively measurable assessment of rehabilitation progress becomes possible.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine eigenständige Vorrichtung als kompaktes Gerät unter Verwendung robotischer Elemente zur Rehabilitation der Handfunktionen, das es erlaubt, jeden einzelnen Finger einer Hand unabhängig zu trainieren und dabei von den Maßen und vom Gewicht her derart ausgelegt ist, dass das Gerät auf die Hand aufgesetzt werden bzw. von ihr umfasst werden kann, bereitgestellt.In another preferred embodiment of the invention, a stand-alone device as a compact device using robotic elements for rehabilitation of hand functions, which allows each individual finger of a hand to train independently and is designed in terms of dimensions and weight so that the Device can be placed on the hand or can be included, provided.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Motor jede Einrichtung zu verstehen, welche eine Motor-Antriebswelle aufweist, die sich mit einer im Wesentlichen konstanten oder einer veränderbaren Drehzahl dreht und dabei ein ebenfalls konstantes oder veränderbares Drehmoment an eine mit der Motor-Antriebswelle verbundene Getriebeeinrichtung abgibt. Vorzugsweise ist der Motor ein Elektromotor, es kommen aber auch andere Antriebsprinzipien, wie z. B. ein pneumatischer Motor in Frage.For the purposes of the invention, a motor is understood to mean any device which has a motor drive shaft which rotates at a substantially constant or a variable rotational speed and at the same time emits a torque which is also constant or variable to a transmission device connected to the motor drive shaft , Preferably, the motor is an electric motor, but there are also other drive principles, such. B. a pneumatic motor in question.
Unter dem Begriff ”Getriebeeinrichtung” ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zu verstehen, in der eine auf die Getriebe-Eingangswelle aufgebrachte Drehbewegung bezüglich der Drehzahl und/oder des Drehmoments gewandelt wird. Ein Verteilergetriebe ist erfindungsgemäß ein Getriebe, in dem eine Rotationsbewegung in wenigstens zwei Rotationsbewegungen aufgeteilt wird.The term "transmission device" according to the invention means a device in which a force applied to the transmission input shaft rotational movement with respect to the rotational speed and / or the torque is converted. A transfer case according to the invention is a transmission in which a rotational movement is divided into at least two rotational movements.
Vorzugsweise ist das Verteilergetriebe ein Dreiwellengetriebe und bevorzugt ein Umlaufgetriebe. In diesen Getrieben werden zur Bewegungsübertragung Räder verwendet, die an den zur Bewegungsübertragung vorgesehenen Abschnitten eine zylindrische oder eine kegelige Form aufweisen und als Kegel-, Stirn- oder Hohlräder ausgeführt sind. Die Räder können sowohl als Reibgetriebe ausgeführt werden oder bevorzugt als Zahnräder. Solche Umlaufgetriebe werden häufig als Differential oder Differentialgetriebe bezeichnet und sind als Kegelrad- oder Planetengetriebe (Stirnraddifferential) ausführbar. Dabei ist unter einem Dreiwellengetriebe ein Rädergetriebe, vorzugsweise ein Zahnradgetriebe, zu verstehen, welches wenigstens drei Wellen aufweist.Preferably, the transfer case is a three-shaft gear and preferably a planetary gear. In these transmissions, wheels are used for the motion transmission, which have a cylindrical or a conical shape at the sections provided for the movement transmission and are designed as conical, front or ring gears. The wheels can be designed both as a friction gear or preferably as gears. Such epicyclic gearboxes are often referred to as differential or differential gear and as bevel or planetary gear (spur gear) executable. In this case, a gear train, preferably a gear transmission, is to be understood by a three-shaft gear, which has at least three shafts.
Erfindungsgemäß ist unter einem Verbindungselement ein Bauteil zu verstehen, welches dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Körperglied mit einer Spindel zur Kraftübertragung mittelbar oder unmittelbar zu verbinden.According to the invention, a connecting element is to be understood as meaning a component which is set up to indirectly or directly connect at least one body member to a spindle for power transmission.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Spindel ein Bauteil zu verstehen, auf welchem das Verbindungselement aufwickelbar ist. Vorzugsweise ist die Spindel drehbar gelagert und drehfest oder wenigstens drehmomentleitend mit einer der Abtriebswellen des Dreiwellengetriebes verbunden. Weiter vorzugsweise ist die Spindel eine, wenigstens im Wesentlichen rotationssymmetrische Rolle, Spule oder Trommel. Das Verbindungselement ist vorzugsweise als Zugmittel ausgestaltet und insbesondere als Draht, Seil, Schnur, Faden, Band oder Geflecht. Vorzugsweise weist das Verbindungselement als einen Bestandteil Nylon- oder Carbonfasern auf, weiter vorzugsweise besteht das Verbindungselement aus Nylon- oder Carbonfasern.For the purposes of the invention, a spindle is to be understood as a component on which the connecting element can be wound up. Preferably, the spindle is rotatably mounted and rotationally fixed or at least torque-conducting connected to one of the output shafts of the three-shaft transmission. Further preferably, the spindle is an at least substantially rotationally symmetrical roller, spool or drum. The connecting element is preferably designed as a traction means and in particular as a wire, rope, cord, thread, tape or braid. Preferably, the connecting element comprises as one component nylon or carbon fibers, more preferably the connecting element consists of nylon or carbon fibers.
Vorzugsweise sind eine erste und eine zweite Spindel jeweils mit einer ersten und einer zweiten Abtriebswelle des Verteilergetriebes koppelbar, vorzugsweise ist die dritte Welle des Verteilergetriebes als Antriebswelle ausgeführt. Vorzugsweise kann an dieser Antriebswelle ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl vorgegeben werden. Die Drehmomentvorgabe kann mittels einer Bremse oder Kupplung erfolgen, vorzugsweise erfolgt die Drehzahl- und/oder Drehmoment-Vorgabe an dieser Antriebswelle aber mittels des Motors. Bei Verwendung eines Elektromotors ist dieser vorzugsweise in mehreren Betriebsquadranten betreibbar, d. h. im Motor- und im Bremsbetrieb.Preferably, a first and a second spindle are each coupled to a first and a second output shaft of the transfer case, preferably, the third shaft of the transfer case is designed as a drive shaft. Preferably, a torque and / or a rotational speed can be specified on this drive shaft. The torque input can be done by means of a brake or clutch, preferably the speed and / or torque specification is made on this drive shaft but by means of the motor. When using an electric motor this is preferably operable in several operating quadrants, d. H. in engine and brake operation.
Vorzugsweise ist wenigstens eine, bevorzugt mehrere, Wellen des Dreiwellengetriebes mit einem Sensor, insbesondere zur Drehzahl und oder Drehmomentüberwachung, ausgerüstet. Vorzugseise wird die Drehzahl und/oder das Drehmoment von wenigstens zwei, bevorzugt von mehreren und besonders bevorzugt von allen, Spindeln mit jeweils wenigstens einem Sensor aufgenommen. Vorzugsweise werden die Messwerte wenigstens eines Sensors zur Steuerung der Vorrichtung herangezogen. Die Sensorwerte werden bevorzugt in einem Datenspeicher abgespeichert.Preferably, at least one, preferably several, shafts of the three-shaft transmission with a sensor, in particular for speed and torque or torque monitoring, equipped. Vorzugseise the speed and / or torque of at least two, preferably of several, and more preferably of all, spindles is added, each with at least one sensor. The measured values of at least one sensor are preferably used to control the device. The Sensor values are preferably stored in a data memory.
Als Sensoren können optische, magnetische, induktive oder kapazitive Messsensoren verwendet werden. Vorzugsweise sind Messsensoren vorgesehen, welche nach einem nicht berührungsfreien Prinzip arbeiten. Mit derartigen Sensoren ist eine besonders sichere Messwertübertragung und ein robuster Aufbau möglich. Weiter vorzugsweise sind Messsensoren vorgesehen, die mittels eines berührungslosen Messprinzips arbeiten. Mit derartigen Sensoren ist ein besonders reibungsarmes System erreichbar.As sensors optical, magnetic, inductive or capacitive measuring sensors can be used. Preferably, measuring sensors are provided which operate according to a non-contact principle. With such sensors, a particularly reliable measured value transmission and a robust construction is possible. Further preferably, measuring sensors are provided which operate by means of a non-contact measuring principle. With such sensors, a particularly low-friction system can be achieved.
Durch die Verwendung von Sensoren ist es möglich, die Vorrichtung zu überwachen und das Training damit zu kontrollieren und vorzugsweise ist es möglich, die Vorrichtung drehzahl-/drehmomentabhängig zu regeln und so das Training zu verbessern und anzupassen.Through the use of sensors, it is possible to monitor the device and to control the training with it and preferably it is possible to regulate the device speed / torque-dependent and so to improve the training and adapt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verteilergetriebe als ein Kegelraddifferential ausgestaltet, vorzugsweise weist dieses Kegelraddifferential wenigstens zwei Kegel- und wenigstens ein Tellerrad auf. Vorzugsweise kämmt das mit der ersten Abtriebswelle verbundene Kegelrad mit dem Tellerrad. Weiter vorzugsweise kämmt ein mit der zweiten Abtriebswelle verbundenes Kegelrad mit demselben Tellerrad. Weiter vorzugsweise sind diese Kegelräder mit diesem Tellerrad in einem drehbar gelagerten Differentialkorb gelagert. Vorzugsweise ist der Differentialkorb achsparallel zur ersten und zweiten Abtriebswelle drehbar, bevorzugt konzentrisch zu diesen drehbar gelagert und weist weiter vorzugsweise ein Antriebszahnrad auf, vorzugsweise rotiert dieses Antriebszahnrad mit diesem Differentialkorb und ermöglicht die Leistungsübertragung auf diesen. Insbesondere durch Verwendung eines Kegelraddifferentials ist ein einfacher Aufbau eines Verteilergetriebes möglich.In a preferred embodiment, the transfer case is configured as a bevel gear differential, preferably this bevel gear differential has at least two bevel and at least one crown wheel. Preferably, the bevel gear connected to the first output shaft meshes with the ring gear. Further preferably, a bevel gear connected to the second output shaft meshes with the same ring gear. Further preferably, these bevel gears are mounted with this ring gear in a rotatably mounted differential carrier. Preferably, the differential carrier is axially parallel to the first and second output shaft rotatable, preferably mounted concentrically to these rotatable and further preferably has a drive gear, preferably rotates this drive gear with this differential carrier and allows the power transmission to this. In particular, by using a bevel gear differential, a simple construction of a transfer case is possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels des Antriebszahnrads ein Drehmoment auf die Antriebswelle des Verteilergetriebes aufbringbar, welches vorzugsweise unabhängig von einer Drehzahl ist. Die beschriebenen Verteilergetriebe sind insbesondere derart ausgestaltet, dass bei Vorgabe einer Drehzahl an der Antriebswelle, insbesondere durch eine Bremseinrichtung oder durch den Motor, und bei Vorgabe einer Drehzahl an der ersten/zweiten Abtriebswelle, insbesondere durch ein Körpergliedmaß und das Verbindungselement, sich die Drehzahl an der zweiten/ersten Abtriebswelle zwangsläufig ergibt. Insbesondere durch diese besondere Kinematik des Verteilergetriebes wird ein effizientes Trainieren der Finger möglich.In a preferred embodiment, by means of the drive gear, a torque on the drive shaft of the transfer case can be applied, which is preferably independent of a speed. The transfer case described are in particular designed such that upon specification of a speed on the drive shaft, in particular by a braking device or by the engine, and when specifying a speed at the first / second output shaft, in particular by a Körpergliedmaß and the connecting element, the speed the second / first output shaft inevitably results. In particular, this special kinematics of the transfer case, an efficient training of the fingers is possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Übungs-Vorrichtung eine Motor-Steuereinrichtung auf. Vorzugsweise wertet die Steuereinrichtung die Drehzahl/Drehmomentsignale von wenigstens einem der Sensoren aus und steuert den Motor unter Heranziehung wenigstens eines der Sensorwerte. Weiter vorzugsweise weist die Steuereinrichtung einen Datenspeicher zur Speicherung wenigstens eines der Sensorwerte auf, bevorzugt wird eine Vielzahl, besonders bevorzugt alle Sensorwerte, gespeichert.In a preferred embodiment, the exercise device comprises a motor control device. Preferably, the controller evaluates the speed / torque signals from at least one of the sensors and controls the motor using at least one of the sensor values. Further preferably, the control device has a data memory for storing at least one of the sensor values, preferably a plurality, particularly preferably all sensor values, are stored.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Antriebs-/Bremsleistung von einem Motor mittels eines Motorritzels auf dieses Antriebszahnrad aufgebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Differentialkorb beziehungsweise eine mit dem Differentialkorb drehfest verbundene Welle als Antriebswelle eines Motors ausgestaltet. Insbesondere bei der Übertragung der Antriebsleistung mittels eines Antriebszahnrads kann praktisch ein beliebiges Übersetzungsverhältnis (Drehzahlverhältnis) vorgegeben werden.In a preferred embodiment, the drive / braking power is applied by a motor by means of a motor pinion on this drive gear. In a further preferred embodiment, the differential cage or a rotatably connected to the differential carrier shaft is designed as a drive shaft of a motor. In particular, in the transmission of the drive power by means of a drive gear practically any gear ratio (speed ratio) can be specified.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind neben diesem ersten Verteilergetriebe noch ein zweites Verteilergetriebe und ein weiteres sogenanntes Koppel-Dreiwellengetriebe vorhanden. Vorzugsweise sind die beiden Verteilergetriebe als Dreiwellengetriebe ausgeführt. Diese drei Getriebe sind in drehmomentleitender Weise derart miteinander verbunden, dass sich vier Abtriebswellen und eine Antriebswelle ergeben, die Getriebe sind vorzugsweise kaskadiert. Vorzugsweise ist dieses zweite Verteilergetriebe, wenigstens im Wesentlichen, baugleich zu diesem ersten Verteilergetriebe. Vorzugsweise weist das Koppel-Dreiwellengetriebe eine erste Koppel-Abtriebswelle, eine zweite Koppel-Abtriebswelle und eine Koppel-Antriebswelle auf, vorzugsweise sind das erste und zweite Verteilergetriebe mittels der Koppel-Abtriebswellen antreibbar, insbesondere jedes der Verteilergetriebe mittels einer der Koppel-Abtriebswellen. Das Koppel-Dreiwellengetriebe ist insbesondere so eingerichtet, dass dieses keine Spindeln aufweist.In a further preferred embodiment, in addition to this first transfer case, a second transfer case and another so-called coupling three-shaft transmission are available. Preferably, the two transfer cases are designed as a three-shaft gear. These three gears are connected together in a torque-conducting manner in such a way that four output shafts and one drive shaft result, the gears are preferably cascaded. Preferably, this second transfer case, at least substantially, identical in construction to this first transfer case. Preferably, the coupling three-shaft transmission has a first coupling output shaft, a second coupling output shaft and a coupling drive shaft, preferably, the first and second transfer case by the coupling output shafts are driven, in particular each of the transfer case by means of one of the coupling output shafts. The coupled three-shaft transmission is in particular set up so that it has no spindles.
Vorzugsweise kämmt das Antriebszahnrad des ersten und des zweiten Verteilergetriebes mit jeweils einem, mit den Koppel-Abtriebswellen drehfest verbundenen, Koppel-Abtriebszahnrad des Koppel-Dreiwellengetriebes. Insbesondere durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass vier Spindeln mit der Antriebs-/Bremsleistung aus einem Motor beaufschlagbar und gegeneinander bewegbar sind.Preferably, the drive gear of the first and second transfer case meshes with one, with the coupling output shafts rotatably connected, coupling output gear of the coupling three-shaft transmission. In particular, by this embodiment, there is the advantage that four spindles with the drive / braking power from a motor can be acted upon and against each other.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels eines Sensors die vom Motor aufgenommene/abgegebene Leistung überwacht. Vorzugsweise ist zur Leistungsüberwachung am Motor ein Sensor zur Strommessung und bevorzugt ein zusätzlicher Sensor zur Spannungsmessung vorgesehen. Die Messung der aufgenommenen Leistung ist in der Regel besonders einfach darstellbar, daher ist mit dieser Messmethode eine besonders einfache Bewertung der Übungsintensität möglich.In a preferred embodiment, the power consumed by the engine is monitored by means of a sensor. Preferably, a sensor for current measurement and preferably an additional sensor for voltage measurement is provided for monitoring the performance of the motor. The Measuring the recorded power is usually very easy to represent, therefore, a particularly simple assessment of the exercise intensity is possible with this measurement method.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehwinkelstellung der Motorwelle des Motors, welcher zum Antrieb der Übungs-Vorrichtung vorgesehen ist, mit einem Sensor, insbesondere einem sogenannten Motorencoder, überwacht. Ein Motorencoder ist ein Sensor, der die Drehwinkelstellung mittels eines Inkrementalgebers oder mittels eines Potentiometers erfasst. Damit wird an der Motorwelle die Gesamtwegänderung, also die Bewegung sämtlicher Körpergliedmaßen, welche mit der Vorrichtung in Verbindung stehen, erfasst und damit eine besonders einfache Überwachung der Gesamtintensität der durchgeführten Übungen möglich.In a preferred embodiment, the rotational angle position of the motor shaft of the motor, which is provided for driving the exercise device, with a sensor, in particular a so-called motor encoder monitors. A motor encoder is a sensor that detects the angular position by means of an incremental encoder or by means of a potentiometer. Thus, the total path change, ie the movement of all limbs which are in communication with the device, is detected on the motor shaft and thus a particularly simple monitoring of the overall intensity of the exercises performed is possible.
Es ist auch möglich, dass einzelne Gliedmaßen, insbesondere durch die vorgeschlagene Kinematik der Übungs-Vorrichtung, einzeln bewegt werden und sämtliche andere Gliedmaßen stillgesetzt sind. Bei dieser Verwendung der Übungsvorrichtung ist die Messung der Übungen für jede einzelne Körpergliedmaße in serieller Abfolge mit nur einem Sensor an der Motorwelle des Motors möglich.It is also possible that individual limbs, in particular by the proposed kinematics of the exercise device, are moved individually and all other limbs are stopped. In this use of the exercise device, it is possible to measure the exercises for each individual limb in serial order with only one sensor on the motor shaft of the motor.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bewegungen von wenigstens zwei, vorzugsweise von allen Spindeln, oder von den mit den Spindeln drehfest in Verbindung stehenden Abtriebswellen des Verteilergetriebes mit jeweils wenigstens einem Sensor gemessen.In a preferred embodiment, the movements of at least two, preferably of all spindles, or of the spindles rotatably in communication with the output shafts of the transfer case with at least one sensor are measured.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind an wenigstens einer oder bevorzugt an mehreren Getriebewellen, Spindeln oder Körpergliedmaßen Sensoren zur Messung der Beschleunigung (Beschleunigungssensoren) angeordnet. Es ist bekannt, dass durch die Summation oder Integration der Beschleunigungen auf die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke geschlossen werden kann. Weiter vorzugsweise sind an den Körpergliedmaßen, welche mit der Übungs-Vorrichtung mittels der Verbindungselemente in Verbindung stehen, die Beschleunigungssensoren mittelbar oder unmittelbar angeordnet. Vorzugsweise arbeitet ein Beschleunigungssensor der erfindungsgemäßen Übungs-Vorrichtung nach dem gyroskopischen Messprinzip.In a preferred embodiment, sensors for measuring the acceleration (acceleration sensors) are arranged on at least one or preferably on a plurality of transmission shafts, spindles or limbs. It is known that by summing or integrating the accelerations on the speed and the distance traveled can be concluded. Further preferably, the acceleration sensors are arranged directly or indirectly on the body limbs, which are in communication with the exercise device by means of the connecting elements. Preferably, an acceleration sensor of the exercise device according to the invention operates according to the gyroscopic measuring principle.
Dabei ist unter dem mittelbaren Anordnen zu verstehen, dass diese Sensoren auf einem mit dem Körpergliedmaß verbundenen Anbindungselement angeordnet sind, so dass der Beschleunigungssensor die Bewegungen der Körpergliedmaße zwangsläufig mit ausführt und so die im Wesentlichen gleiche Beschleunigung wie diese erfährt.In this case, the indirect arranging means that these sensors are arranged on a connecting element connected to the limbs, so that the acceleration sensor necessarily carries along the movements of the limbs and thus experiences the substantially same acceleration as the latter.
Vorzugsweise ist unter einem Anbindungselement, auf welchem der Beschleunigungssensor angeordnet ist, ein ringartiges oder handschuhartiges Element zu verstehen, welches vorzugsweise wenigstens einen Finger zumindest abschnittsweise umgibt. Weiter vorzugsweise ist der Beschleunigungssensor in unmittelbarer Nähe zu einem Anlenkpunkt des Verbindungselements an diesem Anbindungselement. Im Sinne der Erfindung ist unter „in unmittelbarer Nähe” in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Beschleunigungssensor vorzugsweise nicht weiter als 30 mm, bevorzugt nicht weiter als 20 mm und besonders bevorzugt nicht weiter als 10 mm, von diesem Anlenkpunkt entfernt angeordnet ist. Weiter vorzugsweise ist der Sensor, insbesondere der Beschleunigungssensor, am Ende der Gliedmaßen angeordnet, bevorzugt an der Fingerspitze.Preferably, a connection element on which the acceleration sensor is arranged is to be understood as a ring-like or glove-like element which preferably surrounds at least one finger at least in sections. Further preferably, the acceleration sensor is in close proximity to a point of articulation of the connecting element on this connecting element. For the purposes of the invention, "in the immediate vicinity" in this context means that the acceleration sensor is preferably not further than 30 mm, preferably not more than 20 mm and particularly preferably not more than 10 mm away from this point of articulation. Further preferably, the sensor, in particular the acceleration sensor, arranged at the end of the limbs, preferably at the fingertip.
Vorzugsweise sind zur Überwachung der Bewegung der Körpergliedmaße Biegungssensorstreifen zu verstehen, derartige Sensoren ändern ihren elektrischen Widerstand mit einer Deformation des Streifens, dabei ist der Biegungssensorstreifen so an den Körpergliedmaßen angeordnet, dass dieser bei Bewegung der Körpergliedmaße deformiert wird. Vorzugsweise sind derartige Streifen von der Fingerspitze ausgehend angeordnet und stehen mit dem Anbindungselement in Verbindung. Insbesondere mit derartigen Biegungssensorstreifen ist es möglich, die Bewegung der Körpergliedmaße, insbesondere der Finger, ohne bewegliche Teile auf besonders einfache und präzise Art aufzunehmen, dadurch ist eine verbesserte Übungs-Vorrichtung erreichbar.Preferably, to monitor the movement of the body limbs bend sensor strips are to be understood, such sensors change their electrical resistance with a deformation of the strip, while the bending sensor strip is arranged on the limbs that this is deformed upon movement of the limbs. Preferably, such strips are arranged starting from the fingertip and communicate with the connection element. In particular, with such bending sensor strips, it is possible to accommodate the movement of the limbs, in particular the fingers, without moving parts in a particularly simple and precise way, thereby an improved exercise device can be achieved.
Vorzugsweise sind zur Aufnahme der Bewegung der Körpergliedmaße elastische Dehnungssensoren vorgesehen. Im Sinne der Erfindung sind unter solchen Dehnungssensoren derartige Sensoren zu verstehen, welche aufgrund einer Dehnung eine Spannung abgeben (piezoelektrischer Effekt) oder aber ihren elektrischen Widerstand verändern. Vorzugsweise werden Dehnungssensoren an der dem Anbindungselement abgewandten Seite der Körpergliedmaße angeordnet, besonders bevorzugt auf dem Hand- beziehungsweise Fingerrücken.Preferably, elastic strain sensors are provided for receiving the movement of the limbs. For the purposes of the invention, such sensors are to be understood as sensors which release a voltage due to stretching (piezoelectric effect) or else change their electrical resistance. Strain sensors are preferably arranged on the side of the limbs facing away from the connection element, particularly preferably on the back of the hand or the back of the finger.
Vorzugsweise werden zur Überwachung der Bewegung der Körpergliedmaße, insbesondere der Hand, bevorzugt der Finger, Lichtwellenleiter als Dehnungssensoren verwendet, derartige Sensoren sind beispielsweise aus
Vorzugsweise können die oben genannten Sensoren an Gelenkstellen der Körpergliedmaße, von welchen die Bewegung überwacht wird, angebracht werden. Weiter vorzugsweise können diese Sensoren auch an den im Wesentlichen starren Bereichen zwischen oder hinter Gelenken angeordnet sein. Insbesondere durch die Anordnung der Sensoren an den Gelenken ist eine besonders genaue Erfassung der Bewegung der Gelenke möglich, insbesondere durch die Anbringung der Sensoren auf den im Wesentlichen starren Bereichen der Körpergliedmaße ist eine besonders einfache Anbringung dieser Sensoren möglich. Preferably, the above-mentioned sensors may be attached to articulations of the limb dimensions from which motion is monitored. Further preferably, these sensors can also be arranged at the substantially rigid areas between or behind joints. In particular, by the arrangement of the sensors on the joints a particularly accurate detection of the movement of the joints is possible, in particular by attaching the sensors on the substantially rigid areas of the limbs, a particularly simple attachment of these sensors is possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bewegungen der Körpergliedmaße, welche mit der Übungs-Vorrichtung zur Bewegung in Verbindung stehen, berührungslos, also insbesondere ohne Sensoren, überwacht. Zur Überwachung wird bei dieser Ausführungsform wenigstens eine Kameraeinrichtung verwendet. Vorzugsweise werden auf den Körpergliedmaßen sogenannte Marker angeordnet. Bei einer Bewegung der Körpergliedmaße nimmt die Kameraeinrichtung wenigstens ein Bild in dem ersten Zustand und wenigstens ein zweites Bild auf, diese wenigstens zwei Aufnahmen werden ausgewertet und daraus eine Bewegung berechnet. Derartige Verfahren zur Bewegungserfassung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter vorzugsweise kann eine Kameraeinrichtung mit weiteren Sensoreinrichtungen vorteilhaft kombiniert werden, derartige Systeme sind beispielsweise als Microsoft Kinect bekannt. Insbesondere durch diese gut erprobte Art der Bewegungserfassung ist einerseits eine besonders präzise und andererseits kostengünstige Möglichkeit der Bewegungserfassung möglich.In a preferred embodiment, the movements of the limbs, which are associated with the exercise device for movement, non-contact, so in particular without sensors monitored. For monitoring, at least one camera device is used in this embodiment. Preferably, so-called markers are arranged on the limb. During a movement of the limb, the camera device takes at least one image in the first state and at least one second image, these at least two images are evaluated and calculated from a movement. Such motion detection methods are known in the art. Further preferably, a camera device can be advantageously combined with other sensor devices, such systems are known for example as Microsoft Kinect. In particular, this well-proven type of motion detection on the one hand, a particularly precise and cost-effective way of detecting movement is possible.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zug-/Druckbelastung der Verbindungselemente gemessen. Vorzugsweise wird für eine solche Messung das Drehmoment des Antriebsmotors überwacht, vorzugsweise der elektrische Strom zum/vom Motor zum Antrieb der Vorrichtung. Weiter vorzugsweise wird die Seilspannung, welche durch die auf das Verbindungselement ausgeübten Zugkräfte verursacht ist, erfasst. Für eine derartige Messung können Sensoren der zuvor beschriebenen Arten verwendet werden.In a preferred embodiment, the tensile / compressive load of the connecting elements is measured. Preferably, for such a measurement, the torque of the drive motor is monitored, preferably the electrical current to / from the motor for driving the device. Further preferably, the cable tension, which is caused by the force exerted on the connecting element tensile forces detected. For such a measurement sensors of the types described above can be used.
In einer bevorzugt Ausführungsform ist durch die Vorrichtung verhindert, dass die Gliedmaßen durch die Vorrichtung in sicherheitsgefährdender Art und Weise eingezogen werden. Dabei ist und dem sicherheitsgefährdenden Einziehen im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass eine Verletzung der bewegten Gliedmaßen, insbesondere der Gelenke durch die Vorrichtung verhindert ist, insbesondere durch das Stoppen der Bewegung der Vorrichtung. Vorzugsweise geschieht dies auf Grundlage der Messung der Zugkraft, welche auf die zu bewegende Gliedmaßen mittels des Verbindungselements übertragen werden. Weiter vorzugsweise ist für diese Zugkraft ein Referenzwert vorgebbar, dabei ist dieser Referenzwert vorzugsweise an den Körpergliedmaßen orientiert, insbesondere Art, Geometrie, Vorschädigung, aktueller Zustand usw. Vorzugsweise ist der Referenzwert aus einem Bereich ausgewählt, wobei der Bereich vorzugsweise größer ist als 0 Newton, bevorzugt größer als 0,5 Newton und besonders bevorzugt größer als 5 Newton und weiter vorzugswiese ist der Bereich kleiner als 30 Newton, bevorzugt kleiner als 15 Newton und besonders bevorzugt kleiner als 10 Newton.In a preferred embodiment, the device prevents the limbs from being drawn in by the device in a safety-endangering manner. In this case, it is to be understood that the risk of contracting in the sense of the invention is that a violation of the moving limbs, in particular of the joints is prevented by the device, in particular by stopping the movement of the device. Preferably, this is done on the basis of the measurement of the tensile force, which are transmitted to the limbs to be moved by means of the connecting element. Further preferably, a reference value can be predetermined for this tensile force, this reference value is preferably oriented to the limb dimensions, in particular type, geometry, pre-damage, current state, etc. Preferably, the reference value is selected from a range, wherein the range is preferably greater than 0 Newton, preferably greater than 0.5 Newton and more preferably greater than 5 Newton, and more preferably the range is less than 30 Newton, preferably less than 15 Newton, and more preferably less than 10 Newton.
Wird dieser Referenzwert überschritten, so wird wenigstens das Einziehen der Gliedmaßen gestoppt. Weiter vorzugsweise kann die Vorrichtung einen Referenzwert selbst aufnehmen, in dem die Vorrichtung, insbesondere in einem Teaching-Betriebsmodus einmalige die Bewegung ausführt. Im Sinne der Erfindung ist unter einem Teaching-Betriebsmodus eine Betriebsart der Vorrichtung zu verstehen, in welcher wenigstes eine Bezugsgrößen ermittelt wird, insbesondere Zugkräfte und Bewegungsstrecken für die Gliedmaßen. Wird während des an den Teaching-Betriebsmodus anschließenden Übungsbetriebs, also dem Trainieren der Gliedmaßen, dieser Referenzwert überschritten, wird das Einziehen gestoppt. Weiter vorzugsweise wird der Gradient der Kraft, welche zum Einziehen der Gliedmaßen aufgewendet wird, überwacht. Übersteigt der Gradient einen bestimmten Wert wird das Einziehen der Gliedmaßen gestoppt.If this reference value is exceeded, at least the retraction of the limbs is stopped. Further preferably, the device can record a reference value itself, in which the device, especially in a teaching operating mode, performs the movement once. For the purposes of the invention, a teaching operating mode is to be understood as an operating mode of the device in which at least one reference variable is determined, in particular tensile forces and movement distances for the limbs. If this reference value is exceeded during the training mode subsequent to the teaching operating mode, ie the training of the limbs, the retraction is stopped. Further preferably, the gradient of the force used to retract the limbs is monitored. If the gradient exceeds a certain value, limb retraction is stopped.
Weiter vorzugsweise ist ein sicherheitsgefährdendes Einziehen durch eine Wegvorgabe verhindert. Vorzugsweise kann ein bestimmter Einzugsweg (Weg zwischen den Endlagen, zwischen welchen die Gliedmaßen bewegt werden) für das Verbindungselement vorgebbar. Vorzugsweise zieht die Vorrichtung das Verbindungselement nicht weiter ein, als durch diese Wegvorgabe definiert. Vorzugsweise kann auch diese Wegvorgabe im Teaching-Modus der Vorrichtung ermittelt werden. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass wenigstens einmalig der Bewegungsbereich der nicht sicherheitsgefährdend ist, abgefahren wird und die Vorrichtung diesen Weg aufnimmt und die Gliedmaßen anschließend nur in diesem als sicher definierten Bereich bewegt werden. Weiter vorzugsweise sind auch mehrere der zuvor genannten Methoden, zum verhindern eines sicherheitsgefährdenden Einziehen, miteinander kombinierbar.Further preferably, a safety-hazarding retraction is prevented by a Wegvorgabe. Preferably, a certain Einzugsweg (path between the end positions between which the limbs are moved) predetermined for the connecting element. Preferably, the device does not retract the connector further than defined by this path default. Preferably, this path specification can also be determined in the teaching mode of the device. By this is meant, in particular, that at least once the range of motion is not hazardous to safety, is traversed and the device takes up this path and the limbs are then moved only in this safe as defined area. More preferably, several of the aforementioned methods, to prevent a security-risking pulling, combined with each other.
Insbesondere durch das Verhindern eines sicherheitsgefährdenden Einziehens wird eine besonders sichere und damit verbesserte Vorrichtung zur Verfügung gestellt.In particular, by preventing a security-threatening retraction a particularly safe and thus improved device is provided.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Beschleunigungswiderstand für die Vorrichtung regelbar. Im Sinne der Erfindung ist unter einem Beschleunigungswiderstand zu verstehen, dass einer Beschleunigung der Bewegung der Gliedmaßen ein Widerstand, d. h. eine zusätzliche Kraft, entgegenwirkt. Vorzugsweise ist diese Kraft durch den Motor zum Antrieb der Vorrichtung aufbringbar. Diese Kraft, welche der Beschleunigung der Gliedmaßen entgegenwirkt, ist insbesondere in Bezug auf ihre Größe regelbar. Vorzugsweise ist die Kraft derart regelbar, dass mittels des Beschleunigungswiderstandes ein Massenträgheitsmoment, wenigstens einer der Spindeln, d. h. insbesondere durch den Motor zum Antrieb der Vorrichtung, virtuell erhöht wird. Vorzugsweise wirken einer großen Beschleunigung der Gliedmaßen eine große Kraft und damit ein großer Beschleunigungswiderstand entgegen. Weiter vorzugsweise einer kleinen Beschleunigung ein kleiner Beschleunigungswiderstand. Vorzugsweise ist der Beschleunigungswiderstand in Abhängigkeit des Weges, der Geschwindigkeit, der Dauer oder Anzahl der Bewegungen der Gliedmaßen regelbar. In a preferred embodiment, an acceleration resistance for the device can be regulated. For the purposes of the invention, an acceleration resistance means that an acceleration of the movement of the limbs counteracts a resistance, ie an additional force. Preferably, this force can be applied by the motor to drive the device. This force, which counteracts the acceleration of the limbs, is adjustable in particular with regard to their size. Preferably, the force is adjustable so that by means of the acceleration resistance, a moment of inertia, at least one of the spindles, ie in particular by the motor for driving the device, is virtually increased. Preferably, a large acceleration of the limbs counteract a large force and thus a great acceleration resistance. Further preferably, a small acceleration, a small acceleration resistance. The acceleration resistance is preferably adjustable as a function of the path, the speed, the duration or the number of movements of the limbs.
Insbesondere durch eine Regelung des Beschleunigungswiderstandes ist ein besonders effizientes Üben/Trainieren der Gliedmaßen ermöglicht und damit wird eine verbesserte Vorrichtung zum Trainieren bereitgestellt.Particularly by regulating the acceleration resistance, a particularly efficient exercising / exercising of the limbs is made possible, and thus an improved device for exercising is provided.
Die Figuren zeigen beispielhaft in teilweise schematisierter Darstellung Ausführungsformen der erfinderischen Vorrichtung auf, die zur Erläuterung der Funktionsweise und des Aufbaus der Vorrichtung dienen.The figures show by way of example in a partially schematic representation of embodiments of the inventive device, which serve to explain the operation and the structure of the device.
Dabei zeigt:Showing:
Alle Finger einer Hand werden unter Verwendung nur eines Aktuators, hier ein Motor
Um dieser einseitigen Auslegung entgegenzuwirken werden in der erfinderischen Vorrichtung (
In der ersten Stufe (
Die
Die Ausgabe oder Visualisierung von Daten oder Informationen über eine Anzeige oder ein Display direkt an der Vorrichtung oder Kommunikationsmedien, wie handelsübliche Smartphones oder dergleichen bilden eine weitere Ausgestaltungsvariante.The output or visualization of data or information via a display or a display directly on the device or communication media, such as commercially available smartphones or the like form a further embodiment variant.
Der Motor
Für die Anwendung der Vorrichtung auf einem Handrücken (
Sobald eigenständige Fingerbewegungen durch den Anwender erkannt und möglich sind, kann die Unterstützung reduziert werden, soweit dass ab einem bestimmten Punkt resistive Kräfte wirken. Danach kann durch Erhöhung des Motordrehmoments die Gegenkraft bzw. der Schwierigkeitsgrad angepasst werden. Es sind auch Trainingsmodi vorstellbar, wobei anhand der aktuellen Kraft die Aktuation angepasst wird.As soon as independent finger movements are detected and made possible by the user, the support can be reduced to such an extent that resistive forces act at a certain point. Thereafter, by increasing the engine torque, the drag or the degree of difficulty can be adjusted. Training modes are also conceivable, whereby the actuation is adjusted on the basis of the current force.
Der Motor ist mit einem Encoder zur Messung der Auslenkung ausgestattet, was einerseits die Trainingsmöglichkeiten erweitert und weiterhin auch als Mittel zur Evaluation des Rehabilitationsfortschritts eingesetzt werden kann. Hier können neben dem Motor, der gleichzeitig als Sensor funktioniert, weitere Sensoren für einzelne Finger oder Fingerbereiche eingesetzt werden, die eine erweiterte Evaluation ermöglichen.The motor is equipped with an encoder to measure the deflection, which on the one hand expands the training possibilities and can also be used as a means of evaluating the rehabilitation progress. Here, in addition to the motor, which also functions as a sensor, additional sensors for individual fingers or finger areas can be used, which allow an extended evaluation.
Bei der Platzierung des Systems auf dem Handrücken ist eine einfache und sichere Fixierung über einen Klettverband möglich, der z. B. über die Handinnenseite geschlossen wird. Eine zugehörige Befestigung am System lässt sich einfach an der Bodengruppe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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