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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur unterstützenden und/oder hemmenden Beeinflussung einer Bewegung eines Säugetiers, insbesondere eines Menschen, ein Rehabilitationssystem mit einer solchen Anordnung und ein Bewegungsunterstützungssystem mit einer solchen Anordnung.
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Im Bereich bewegungsunterstützender Systeme ist es bekannt, sogenannte Exoskelette zu verwenden, welche von einem Säugetier, insbesondere einem Menschen, außen am Körper getragen werden. Ein solches Exoskelett weist dabei üblicherweise eine Rahmenstruktur auf, bei der an Stellen, an denen das Tier oder der Mensch Gelenke aufweist, ebenfalls entsprechende Gelenkstrukturen vorgesehen sind. Zusätzlich sind beispielsweise Motoren vorgesehen, welche die über die Gelenke verbundenen Teile des Exoskeletts bewegen können. Um den natürlichen Bewegungsablauf des Tiers beziehungsweise des Menschen nachahmen zu können, ist es notwendig, die Dimensionen des Exoskeletts individuell an die Physiologie des Tieres beziehungsweise Menschen anzupassen. Dies gilt insbesondere für die Achsen der Gelenke des Exoskeletts, die exakt mit den Achsen der Gelenke des Tiers beziehungsweise Menschen übereinstimmen sollten, da dies sonst an anderer Stelle ausgeglichen werden muss.
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Die individuelle Anpassung stellt gerade bei einer begrenzten Therapiezeit eine erhebliche Herausforderung dar. Zudem kann es insbesondere bei geometrischen Abweichungen zur Reibstellen an den Befestigungspunkten des Exoskeletts an den Gliedmaßen kommen.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein flexibleres Konzept für eine Bewegungsunterstützung für tierische oder menschliche Extremitäten anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept basiert auf der Idee, dass bewegungsunterstützende oder -hemmende Beeinflussungen nicht durch mechanische Kraftkopplung erzielt werden, sondern nach dem Prinzip träger Massen. Beispielsweise wird eine Schwungmasse durch einen elektrischen Motor angetrieben und dadurch beschleunigt. Das daraus resultierende Trägheitsmoment dient dazu, die zu bewegende Gliedmaße in Bewegung zu versetzen. Dazu wird die Schwungmasse mit dem Rotor eines Elektromotors verbunden beziehungsweise der Rotor weist selbst diese Schwungmasse auf, wobei diese Anordnung dann über eine Halterung an der zu bewegenden Gliedmaße befestigt wird. Vorzugsweise wird eine Hauptachse der Schwungmasse dabei parallel zu einer Achse eines Gelenks der Gliedmaße ausgerichtet. Dadurch können etwa zyklische Bewegungen wie zum Beispiel beim Gehen erzeugt werden. Das erzeugte Drehmoment kann die Bewegung der Gliedmaße komplett erzeugen beziehungsweise unterstützen, wenn eine muskuläre Aktivierung der Gliedmaße fehlt oder schwach ist. Alternativ oder zusätzlich kann nach dem beschriebenen Prinzip auch ein Widerstand erzeugt werden, um beispielsweise als Trainingsmaßnahme Muskelaufbau zu erreichen. Ebenso ist es möglich, die vorhandene Kraft zu verstärken, etwa am Bein bei langen Märschen mit hoher Last.
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Eine solche Anordnung lässt sich demnach insbesondere im Therapiebereich oder Trainingsbereich einsetzen. Ebenso ist es möglich, das Prinzip zur Leistungssteigerung beziehungsweise Leistungsunterstützung einzusetzen.
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In einer Ausgestaltungsform umfasst eine Anordnung zur unterstützenden und/oder hemmenden Beeinflussung einer Bewegung eines Säugetiers, insbesondere eines Menschen, eine länglich ausgebildete Grundstruktur, die Mittel zur Befestigung an einer Extremität des Säugetiers beziehungsweise Menschen aufweist. Ferner sind in der Anordnung eine Elektromotoreinheit, ein Satz von Inertialsensoren und eine Elektronikeinheit vorgesehen. Die Elektromotoreinheit weist einen an der Grundstruktur starr befestigten Stator auf. Vorzugsweise ist der Stator kreisförmig oder ringförmig ausgebildet. Weiterhin vorzugsweise weist der Stator elektrische Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfelds auf. Ferner umfasst die Elektromotoreinheit einen auf dem, bzw. um den Stator drehbar gelagerten Rotor, welcher eine Trägheitsmasse aufweist. Vorzugsweise ist der Rotor außen auf dem Stator drehbar gelagert und weist weiterhin vorzugsweise von den Wicklungen des Stators angetriebene Magneten auf. Die Elektronikeinheit ist eingerichtet zur Ansteuerung der Elektromotoreinheit auf der Basis von Sensorsignalen der Inertialsensoren.
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Nach dem verbesserten Konzept wird durch die Drehbewegung bzw. Drehbeschleunigung des Rotors ein Trägheitsmoment mit der Trägheitsmasse erzeugt, welches letztendlich zu einem Reaktionsmoment am Stator beziehungsweise der damit verbundenen Grundstruktur führt. Dieses Reaktionsmoment wirkt als Antriebsmoment für die Extremität, wenn die Grundstruktur an dieser befestigt ist.
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Die zu erreichenden Momente hängen von der tatsächlichen Masse ab, die von dem Rotor angetrieben wird, sowie von der resultierenden Rotationsgeschwindigkeit dieser Masse. Je nach Anwendung kann es für gewünschte Antriebsmomente beziehungsweise Trägheitsmomente ausreichend sein, den Rotor mit entsprechender Masse auszustatten. In weiteren Ausgestaltungen ist es jedoch möglich, einen Schwungkörper, insbesondere einen ringförmigen Schwungkörper vorzusehen, der drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Alternativ kann ein solcher Schwungkörper auch über ein Getriebe mit dem Rotor gekoppelt sein, sodass eine Drehgeschwindigkeit des Schwungkörpers von einer Übersetzung des Getriebes abhängt. Vorzugsweise stimmen die Schwerpunkte beziehungsweise Rotationsachse des Schwungkörpers mit der Rotationsachse des Rotors um den Stator überein.
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Weiterhin vorzugsweise verläuft eine Hauptausrichtung der länglichen Grundstruktur senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse des Rotors um den Stator. Insbesondere bei einer senkrechten Ausrichtung ergibt sich eine optimale Kraftübermittlung des Reaktionsmoments beziehungsweise Antriebsmoments über die Grundstruktur, die sozusagen als Hebel wirkt. Jedoch sind auch Abweichungen von dem rechten Winkel möglich, wenn dies etwa aus Gründen leichterer Befestigung an der Extremität vorteilhaft ist.
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Beispielsweise sind die Grundstruktur und die Mittel zur Befestigung in verschiedenen Ausgestaltungen derart ausgeführt, dass sich die Elektromotoreinheit im befestigten Zustand im Bereich eines Gelenks der Extremität des Säugetiers beziehungsweise Menschen befindet, und die Rotationsachse des Rotors um den Stator parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Gelenkachse des Gelenks verläuft. Hierbei ist es möglich, dass die Rotationsachse und die Gelenkachse identisch oder im Wesentlichen identisch sind. Dies ist aber anders als bei einem Exoskelett nicht zwingend notwendig und erfordert keine Ausgleichsmaßnahmen. Dies liegt darin begründet, dass durch die Parallelität von Rotationsachse und Gelenkachse ohnehin eine Bewegung als Folge des Reaktionsmoments in der richtigen Richtung erfolgt. Insbesondere bei Gelenken des Tiers oder Menschen mit Kugelcharakter dient als Grundlage für die Parallelität eine Vorzugsachse, die einer natürlichen Bewegung beziehungsweise einem natürlichen Bewegungsablauf entspricht.
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Es ist vorteilhaft, wenn in den verschiedenen Ausgestaltungen die Elektromotoreinheit in einem Endbereich der Grundstruktur angeordnet ist, von dem aus sich die längliche Ausbildung erstreckt. Damit lässt sich eine optimale Hebelwirkung für eine Kraftumsetzung des Reaktionsmoments beziehungsweise Antriebsmoments erreichen.
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Wie oben beschrieben, erfolgt eine Ansteuerung der Elektromotoreinheit auf der Basis von Sensorsignalen der Inertialsensoren. Diese umfassen beispielsweise einen oder mehrere Beschleunigungssensoren zur Erfassung von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen, die vorzugsweise orthogonal zueinander verlaufen. Ferner können die Inertialsensoren einen Drehratensensor oder gyroskopischen Sensor umfassen, der zur Erfassung von Winkelgeschwindigkeiten um die drei Raumrichtungen dient. Theoretisch können auch die Raumrichtungen des Drehratensensors von den Raumrichtungen der Beschleunigungssensoren abweichen, wobei dies durch entsprechende vektorielle Berechnungen ausgeglichen werden kann.
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In einigen Ausgestaltungen können auch Magnetometer oder andere Magnetfeldsensoren für die Inertialsensoren vorgesehen werden, was eine Verbesserung der Genauigkeit bewirken kann. Dies kann etwa zur Korrektur einer Drift der Beschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren genutzt werden. Die Inertialsensoren dienen insbesondere dazu, die Lage der Extremität und des Aktuators beziehungsweise der Elektromotoreinheit zu jedem Zeitpunkt bestimmen zu können. Dies wird insbesondere in der Elektronikeinheit durchgeführt.
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Beispielsweise ist die Elektronikeinheit eingerichtet, aus den Sensorsignalen der Inertialsensoren momentane Bewegungsdaten der Anordnung zu bestimmen, die momentanen Bewegungsdaten mit vorgegebenen Bewegungsdaten zu vergleichen und die Elektromotoreinheit auf der Basis dieses Vergleichs anzusteuern.
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Beispielsweise sind die vorgegebenen Daten durch Messung oder empirische Ermittlung eines Bewegungsmusters eines gesunden Tiers beziehungsweise Menschen bestimmt. Aus dem Vergleich mit diesem Bewegungsmuster können dann quasi wie bei einer Regelung entsprechende Steuersignale an die Elektromotoreinheit abgegeben werden, um ausgehend von der momentanen Position und Lage auf die gewünschte Position und Lage der Extremität zu kommen. Beispielsweise sind für ein solches Bewegungsmuster verschiedene Winkel, Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen in Abhängigkeit der Zeit gespeichert.
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Allgemein umfassen die Bewegungsdaten, sowohl die momentanen als auch die vorgegebenen, wenigstens eines der folgenden: Einen Winkel im Raum, eine Winkelgeschwindigkeit im Raum, eine Position im Raum, eine lineare Beschleunigung im Raum. Alle diese Werte zusammengenommen repräsentieren sechs mögliche Freiheitsgrade der Bewegung im Raum, umfassend sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen.
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Zur Versorgung der Elektromotoreinheit und/oder der Elektronikeinheit einschließlich der Sensorik umfasst die Anordnung vorzugsweise einen Energiespeicher, insbesondere einen wieder aufladbaren Energiespeicher.
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Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn eine Anordnung in einer der beschriebenen Ausführungsformen genutzt wird, um eine Extremität eines Tiers oder Menschen zu beeinflussen. Jedoch kann es abhängig vom Anwendungsfall sinnvoll sein, an mehreren Extremitäten eines Tiers oder Menschen jeweilige Anordnungen vorzusehen, die zur Bewegungsunterstützung zusammenwirken.
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Beispielsweise können separate Anordnungen für Oberschenkel und Unterschenkel eines Menschen beziehungsweise für verschiedene Beine des Menschen gleichzeitig genutzt werden. Insbesondere hierfür, aber auch grundsätzlich ist es daher vorteilhaft, wenn die Elektronikeinheit ein Kommunikationsmodul umfasst, das zum Datenaustausch mit einer zentralen Einheit und/oder mit einer Elektronikeinheit einer weiteren gleichartigen Anordnung eingerichtet ist. Dementsprechend kann die Anordnung beispielsweise auch vorgegebene Bewegungsdaten von einer zentralen Einheit empfangen oder momentane Bewegungsdaten an eine zentrale Einheit übergeben. Ebenso ist ein Austausch von momentanen Bewegungsdaten zwischen einzelnen Anordnungen möglich, welche für eine Ermittlung optimaler Steuerungssignale für die einzelnen Anordnungen beziehungsweise Elektromotoreinheiten dienen. Das Kommunikationsmodul kann für eine drahtlose oder eine drahtgebundene Kommunikation eingerichtet sein.
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Eine Ausführungsform eines Rehabilitationssystems zur Bewegungsrehabilitation eines Menschen gemäß dem verbesserten Konzept umfasst wenigstens eine Anordnung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele pro Bein des Menschen.
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Beispielsweise ist eine erste solche Anordnung zur Befestigung am linken Oberschenkel des Menschen eingerichtet, eine zweite Anordnung ist zur Befestigung am rechten Oberschenkel des Menschen eingerichtet, eine dritte Anordnung ist zur Befestigung am linken Unterschenkel des Menschen eingerichtet und eine vierte Anordnung ist zur Befestigung am rechten Unterschenkel des Menschen eingerichtet. Dabei sind die Elektronikeinheiten der verschiedenen Anordnungen untereinander zum Austausch von Daten, insbesondere Bewegungsdaten, gekoppelt.
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Ein solches Rehabilitationssystem eignet sich insbesondere zur Gangrehabilitation für Menschen mit einer Gangbehinderung, bei der die zu rehabilitierende Person neben den Anordnungen eine Stützhilfe wie einen Rollator oder Krücken nutzt. Dabei ist eine assistive Steuerung der Anordnungen vorgesehen. Eine solche assistive Steuerung greift wie oben beschrieben mit dem notwendigen Drehmoment ein, um korrigierend eine krankhafte Trajektorie zu einer idealisiert gesunden Trajektorie zu verändern.
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Für den Fall, dass die Person selbst nicht mehr gehfähig ist, kann das Rehabilitationssystem dahingehend erweitert werden. Beispielsweise umfasst ein solches Rehabilitationssystem ferner ein Laufband, wobei die jeweiligen Elektronikeinheiten der Anordnungen eingerichtet sind zur Ansteuerung der jeweiligen Elektromotoreinheiten zusätzlich auf der Basis von Bewegungsdaten des Laufbands. Ferner kann ein dynamisches Gewichtsentlastungssystem vorgesehen werden, bei dem die zu rehabilitierende Person soweit kräftemäßig unterstützt wird, dass ein selbständiges Gehen beziehungsweise Aufrechtgehen möglich ist.
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Ein weiteres Anwendungsfeld für Anordnungen gemäß dem verbesserten Konzept stellt ein Bewegungsunterstützungssystem für einen Menschen dar, welches eine Vergrößerung einer Bewegungsreichweite des Tiers oder des Menschen ermöglicht. Dies lässt sich auch bei gesunden Lebewesen einsetzen, die damit ihren Aktionsradius vergrößern können. Beispielsweise ist hierfür jeweils für einen Oberschenkel eine entsprechende Anordnung vorgesehen, die wiederum untereinander zum Austausch von Daten, insbesondere Bewegungsdaten, gekoppelt sind.
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Eine Anordnung gemäß dem verbesserten Konzept eignet sich insbesondere für eine Beeinflussung einer Gehbewegung eines Tieres oder eines Menschen. Beispielsweise kann in der Gehbewegung eine ideale Gangtrajektorie, beispielsweise definiert durch einen Winkelverlauf eines Hüftgelenks, eines Kniegelenks und eines Sprunggelenks, bei einer bestimmten Gehgeschwindigkeit erzeugt werden. Diese dient als Referenz für den Aufbau einer Steuerung, bei der die zu therapierende Gliedmaße beziehungsweise Extremität möglichst ideal bewegt wird, um ein möglichst natürliches Gangbild zu erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen hierbei gleiche Bezugszeichen, soweit einzelne Elemente für eine der Figuren beschrieben sind, wird deren Beschreibung in den nachfolgenden Figuren nicht zwingend wiederholt.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Bewegungsbeeinflussung,
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2 eine Schnittansicht eines Details einer Ausführungsform einer Anordnung zur Bewegungsbeeinflussung,
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3A, 3B und 3C verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines Bewegungsunterstützungssystems, und
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4A, 4B, 4C und 4D verschiedene Ansichten einer Ausführungsform eines Rehabilitationssystems.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung 100 zur unterstützenden und/oder hemmenden Beeinflussung einer Bewegung, welche insbesondere bei Menschen, grundsätzlich aber auch bei Säugetieren anderer Art verwendet werden kann. Beispielsweise ist auch eine Anwendung bei Hunden, Pferden oder anderen Huftieren möglich. Die Anordnung 100 kann als Aktuator bei einem Therapiegerät oder Trainingsgerät verwendet werden.
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Die Anordnung 100 umfasst eine länglich ausgebildete Grundstruktur 110, wobei die längliche Ausrichtung entlang einer Hauptausrichtung durch eine Achse LA gekennzeichnet ist. In einem Randbereich der Grundstruktur 110 ist eine Elektromotoreinheit 120 vorgesehen. Die Elektromotoreinheit 120 weist einen Stator 122 auf, der an der Grundstruktur 110 starr befestigt ist. Der Stator ist vorliegend ringförmig ausgebildet und weist vorzugsweise elektrische Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfelds auf, die lediglich aus Übersichtsgründen nicht dargestellt sind. Anstelle der ringförmigen Ausbildung kann auch eine kreisförmige Ausbildung des Stators beziehungsweise des Statorgehäuses vorgesehen werden. Außen auf dem Stator 122 ist ein Rotor 124 drehbar gelagert angeordnet, welcher vorzugsweise Magneten aufweist, die von den Wicklungen des Stators 122 angetrieben werden können. Zusätzlich ist der Rotor 124 mit einem Schwungkörper 126 versehen, welcher insbesondere ringförmig ausgebildet ist. Der Schwungkörper 126 ist so mit dem Rotor verbunden, dass er mit diesem um die Rotationsachse RA rotiert.
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Die Anordnung 110 umfasst ferner eine Elektronikeinheit 130, die vorliegend auf der Grundstruktur 100 befestigt ist. Die Elektronikeinheit 130 ist eingerichtet zur Ansteuerung der Elektromotoreinheit 120, wobei die Ansteuerung auf Basis von Sensorsignalen erfolgt, die von einem Satz von Inertialsensoren 135 erzeugt werden.
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Eine Schnittansicht der Elektromotoreinheit 120 ist im Detail in 2 dargestellt. Dabei ist beispielsweise zu erkennen, dass der Rotor 124 über eine Lagerung 127 auf dem Stator 122 drehbar gelagert ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Schwungkörper 126 fest, insbesondere drehfest mit dem Rotor 124 verbunden und bildet gemeinsam mit diesem eine Trägheitsmasse 128.
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Die Anordnung 100 basiert auf dem Prinzip der Ausnutzung von Trägheitsmomenten. Insbesondere wird bei der Anordnung 100 gemäß dem verbesserten Konzept durch entsprechende Ansteuerung der Wicklungen im Stator 122 der Rotor 124 in eine Drehbewegung versetzt. Durch die resultierende Rotation der Trägheitsmasse 128 entsteht somit ein Trägheitsmoment, welches dazu führt, dass wiederum im Stator 122 und der damit verbundenen Grundstruktur 110 ein Reaktionsmoment resultiert, das eine Bewegung entlang der Pfeilrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse LA bewirkt.
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Die Grundstruktur kann über entsprechende Befestigungsmittel an einer Extremität des Menschen beziehungsweise Tiers befestigt werden, beispielsweise an einem Bein oder einem Arm. Bei Ansteuerung der Elektromotoreinheit wird somit eine Kraft auf die Extremität übertragen, die je nach Drehrichtung des Rotors 124 und momentaner Bewegung der Extremität unterstützend oder hemmend für die ausgeführte Bewegung wirkt.
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Der Rotor 124 ist beispielsweise als Stahlring mit Magneten ausgeführt. Auch der Schwungkörper 126 kann als Stahlring ausgeführt sein, wobei auch andere Materialien hoher Dichte geeignet sind.
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In verschiedenen Ausgestaltungen kann der Schwungkörper 126 entweder drehfest mit dem Rotor 124 verbunden sein, um eine gemeinsame Trägheitsmasse zu bilden, oder über ein Getriebe mit dem Rotor 124 gekoppelt sein. Dadurch lässt sich eine Übersetzung zwischen Rotordrehzahl und Drehzahl des Schwungkörpers erreichen, sodass eine Anpassung des zu erzeugenden Trägheitsmoments erreicht werden kann.
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Wie aus 1 zu erkennen ist, verläuft die Rotationsachse RA des Rotors 124 um den Stator 122 senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht um die Längsachse beziehungsweise Hauptausrichtung LA der Grundstruktur 110. Dieses Winkelverhältnis bewirkt, dass eine Kraftübertragung über das Trägheitsmoment beziehungsweise Reaktionsmoment möglichst gut erfolgen kann.
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Wie zuvor angesprochen, erfolgt eine Ansteuerung der Elektromotoreinheit 120 durch die Elektronikeinheit 130. Im Betrieb der Anordnung 100 erfolgt diese Ansteuerung vorzugsweise derart, dass gewünschte Bewegungen beziehungsweise Kräfte in Abhängigkeit einer momentanen Position und Lage der verbundenen Extremität erfolgt. Dies wird im Folgenden genauer anhand von Beispielen beschrieben.
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Die 3A, 3B und 3C zeigen verschiedene Ansichten einer Anwendung der Anordnung 100 gemäß 1 als Therapiegerät oder Trainingsgerät bei einem Menschen, wobei 3A eine Ansicht von vorne, 3B eine Ansicht von rechts und 3C eine Ansicht von hinten wiedergibt.
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Eine erste Anordnung 100 ist am linken Oberschenkel des Menschen befestigt. Weiterhin sind gleichartige Anordnungen 200, 300 und 400 vorgesehen, die in Funktion und Aufbau der Anordnung 100 entsprechen, aber in ihrer Dimensionierung an die jeweilige Extremität angepasst sind. So ist am rechten Oberschenkel eine zweite Anordnung 200, am linken Unterschenkel eine dritte Anordnung 300 und am rechten Unterschenkel eine vierte Anordnung 400 vorgesehen.
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Aus den Darstellungen ist deutlich zu erkennen, dass die Elektromotoreinheit der am Oberschenkel angebrachten Anordnungen 100, 200 sich im Bereich des Hüftgelenks des Menschen befinden. Obwohl das Hüftgelenk ein Kugelgelenk ist, ist insbesondere bei einer Gehbewegung eine bevorzugte Rotationsachse des Gelenks parallel zur Querachse des Menschen beziehungsweise senkrecht zur Bewegungsrichtung anzunehmen. Die Rotationsachse RA der Anordnung 100 ist hierzu parallel beziehungsweise im Wesentlichen parallel ausgerichtet. Bei entsprechender Ansteuerung der Elektromotoreinheit beziehungsweise der Trägheitsmasse wird somit eine Bewegung des Oberschenkels nach vorne beziehungsweise hinten ausgelöst. Dies gilt analog auch für die zweite Anordnung 200 am rechten Oberschenkel.
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Nach dem gleichen Prinzip ist bei den Anordnungen 300 und 400 die Grundstruktur so am Unterschenkel befestigt, dass die Rotationsachsen der Elektromotoreinheiten ihre Rotationsachse im Wesentlichen parallel zur Bewegungsachse des Kniegelenks befinden, wobei sich die Grundstruktur entlang des Unterschenkels erstreckt. Dadurch kann eine Vorwärts- beziehungsweise Rückwärtsbewegung des Unterschenkels bewirkt werden.
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Die entsprechenden Halterungen der Grundstrukturen an den Schenkeln sind aus Übersichtsgründen nicht ausführlich dargestellt, können aber beispielsweise mit Bändern oder dergleichen ausgeführt sein.
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Durch entsprechende Ansteuerung der Anordnungen 100, 200, 300, 400 können etwa zyklische Bewegungen, wie zum Beispiel beim Gehen, erzeugt werden. Das durch die Trägheitsmassen erzeugte Drehmoment kann hierbei die Bewegung komplett erzeugen oder, etwa bei fehlender oder schwacher muskulärer Aktivierung, unterstützen. Ebenso ist es möglich, dass durch das erzeugte Drehmoment ein Widerstand erzeugt wird, um durch Training einen Muskelaufbau zu erreichen.
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Im Bereich der Rehabilitation von Patienten ist in der Regel eine hohe Aktivität des Patienten von entscheidender Bedeutung. Hierbei kann vor allem der unterstützende Modus im Betrieb der Anordnungen eine solche hohe Aktivität ermöglichen. Beispielsweise kann in der Gehbewegung eine ideale Gangtrajektorie bei einer bestimmten Gehgeschwindigkeit erzeugt werden. Dazu kann sozusagen ein Winkelverlauf im Hüftgelenk, im Kniegelenk und im Sprunggelenk vorgegeben werden, welche als Referenz für den Aufbau einer Steuerung dienen. Bei einer solchen Steuerung wird die zu therapierende Gliedmaße, also beispielsweise das Bein, möglichst ideal bewegt, um ein möglichst natürliches Gangbild zu erreichen. Diese Steuerung basiert beispielsweise auf der Aufnahme von momentanen Bewegungsdaten mittels der Inertialsensoren 135.
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Beispielsweise umfassen die Inertialsensoren 135 einen Beschleunigungssensor zur Erfassung von Beschleunigungen in drei Raumrichtungen, die insbesondere orthogonal zueinander verlaufen, und einen Drehratensensor oder gyroskopischen Sensor zur Erfassung von Winkelgeschwindigkeiten um die drei Raumrichtungen herum. Die Genauigkeit der Sensordaten kann durch den zusätzlichen Einsatz von Magnetsensoren gegebenenfalls weiter verbessert werden.
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Anhand der momentanen Bewegungsdaten und der vorgegebenen Gangtrajektorie, welche wiederum als zeitabhängige vorgegebene Bewegungsdaten verstanden werden können, können die entsprechenden Ansteuersignale für die Elektromotoreinheiten der einzelnen Anordnungen 100, 200, 300, 400 erzeugt werden. Hierbei ist es möglich, dass jede Elektronikeinheit separat die entsprechende Steuerung ausführt und die dazu notwendigen vorgegebenen Bewegungstasten kennt. Vorzugsweise können die einzelnen Anordnungen 100, 200, 300 und 400 beziehungsweise deren Elektronikeinheiten über entsprechende Kommunikationsmodule miteinander eine Datenverbindung aufbauen, um die jeweiligen Bewegungsdaten und Steuerungsdaten miteinander zu synchronisieren. Beispielsweise weisen die jeweiligen Elektronikeinheiten Prozessoren mit entsprechenden Berechnungsalgorithmen auf, welche die Bewegungsdaten auswerten und daraus die entsprechenden zu erzeugenden Momente ermitteln können, um die gewünschte Bewegung des jeweiligen Körperteils zu erreichen.
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Zur Energieversorgung der Elektromotoreinheit und/oder der Elektronikeinheit weisen die Anordnungen 100, 200, 300 und 400 einen Energiespeicher auf, der vorzugsweise wieder aufladbar ist. Ein solcher Energiespeicher ist etwa in der Elektronikeinheit integriert. Jedoch ist es auch möglich, dass ein separater Energiespeicher vorgesehen wird, der insbesondere für die Energieversorgung der Elektromotoreinheiten dient, beispielsweise um die Betriebsdauer und damit Reichweite der Anordnungen zu erhöhen.
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Die in den 3A, 3B und 3C dargestellte Konfiguration kann insbesondere zur Gangrehabilitation für Menschen mit einer Gangbehinderung vorgesehen werden, wobei zusätzlich der Einsatz einer Stützhilfe wie einem Rollator oder Krücken sowie einer assistiven Steuerung möglich ist.
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Die Konfiguration kann aber auch als Mittel zur Vergrößerung einer Reichweite verwendet werden, bei der eine an sich gehfähige Person kräftemäßig durch die Anordnungen unterstützt wird und damit selbst weniger Kraft für die Gehbewegung aufwenden muss. Dies kann insbesondere bei älteren, geschwächten Personen hilfreich sein, aber auch bei gesunden Personen mit hoher Bewegungsanforderungen eingesetzt werden.
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Neben der dargestellten Konfiguration mit vier Anordnungen kann es für die Reichweitenverlängerung auch ausreichend sein, nur jeweils eine Anordnung pro Bein vorzusehen.
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Eine weitergehende Anwendung ist in den 4A bis 4D dargestellt, wo zusätzlich zu der Konfiguration der 3A bis 3C ein Laufband 500 mit einer Lauffläche 510 sowie ein Gewichtsentlastungssystem 600 vorgesehen sind. 4A zeigt dabei eine Schrägansicht der Gesamtkonfiguration, 4B eine Ansicht von vorne, 4C eine Ansicht von rechts und 4D eine Ansicht von hinten. An dem Laufband 500 ist zusätzlich ein Bildschirm 700 vorgesehen, der auch eine zentrale Steuerungseinheit beinhalten kann.
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Eine solche Konfiguration eignet sich beispielsweise für eine Gangrehabilitation für schlecht oder nicht gehfähige Patienten, welche eine Gehbewegung ohne Unterstützung nicht liefern könnten. Dazu ist der Patient bei dieser Konfiguration über das Gewichtsentlastungssystem, welches dynamisch angesteuert werden kann, in einer aufrechten Position gehalten. Je nach Bewegungszustand des Patienten wird hierbei mehr oder weniger Kraft von den haltenden Seilen ausgeübt, um eine möglichst günstige Haltung des Patienten zu erreichen. Wie zuvor für die 3A bis 3C beschrieben, erfolgt eine Ansteuerung der Anordnungen 100 bis 400, um eine möglichst natürliche Gangbewegung zu erzeugen. Diese ist auch auf eine Geschwindigkeit der Lauffläche 510 des Laufbands 500 abgestimmt. Beispielsweise erfolgt eine zentrale Steuerung von Laufband 500 und Aktuatoren 100 bis 400 durch eine zentrale Einheit, die etwa im Bereich des Bildschirms 700 angebracht ist. Insbesondere erfolgt eine Ansteuerung der jeweiligen Elektromotoreinheiten neben den zuvor beschriebenen Bewegungsdaten zusätzlich auf der Basis von Bewegungsdaten des Laufbands.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Unterstützungslösungen auf der Basis von Exoskeletten, bei denen eine exakte Anpassung zwischen Exoskelett und Position der Gelenke erfolgen muss, ist mit den Anordnungen gemäß dem verbesserten Konzept eine individuelle mechanische Anpassung nicht notwendig, da das Drehmoment beziehungsweise Trägheitsmoment direkt und nicht abstützend auf eine andere Gliedmaße aufgebracht wird.
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Des Weiteren ist eine individuelle Kombination von beliebigen Anordnungen ähnlicher Bauart möglich, da diese je nach Zielsetzung der Unterstützung an mehreren Gliedmaßen gleichzeitig angebracht werden können.
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Obwohl die Anwendung des verbesserten Konzepts lediglich anhand des Beispiels der Unterstützung einer Gehbewegung eines Menschen dargestellt wurde, ist die Verwendung bei anderen Extremitäten wie Armen eines Menschen oder bei Beinen von Tieren ebenfalls möglich.
