DE102015016643A1

DE102015016643A1 - Controllable facet elements

Info

Publication number: DE102015016643A1
Application number: DE102015016643.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Argubi-Wollesen; Robert Weidner; Jens-Peter Wulfsberg
Original assignee: Helmut Schmidt Universitaet
Current assignee: Helmut Schmidt Universitaet
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Um eine Vermeidung von Überlastungsschäden für körperlich arbeitende Personen zu realisieren, wird ein Art Exoskelett als Vorrichtung mit steuerbaren Facettenelementen vorgeschlagen (1). Die Vorrichtung umfasst zumindest ein Facettenelement, welches zumindest mit einem Körperteil einer Person indirekt oder direkt gekoppelt ist, um Fehlbelastungen einzuschränken.In order to avoid overload damage to physically working persons, a kind of exoskeleton is proposed as a device with controllable facet elements (1). The device comprises at least one facet element, which is indirectly or directly coupled at least to a body part of a person, in order to limit false strains.

Description

Die Erfindung betrifft eine anziehbare, sich anpassbare und steuerbare Vorrichtung zur Vermeidung muskuloskeletaler Überlastungsschäden, bspw. bei Pflegekräften oder Mitarbeitern des produzierenden Gewerbes.The invention relates to an attractable, adaptable and controllable device for avoiding musculoskeletal overload damage, for example in nurses or employees of the manufacturing industry.

Stand der TechnikState of the art

Zahlreiche Anmeldungen beinhalten Exoskelette, die aus starren oder weichen Strukturen aufgebaut werden. Diese Systeme werden insbesondere zur Kraftverstärkung, und das in unterschiedlichen Anwendungskontexten wie der Raumfahrt, verwendet. Damit lassen sich unterschiedliche Körperteile, z. B. den Arm oder den kompletten Körper unterstützen.Numerous applications include exoskeletons made up of rigid or soft structures. These systems are used in particular for power amplification, and in different application contexts such as space travel. This allows different body parts, eg. B. support the arm or the entire body.

In EP 1364755 B1 sowie US 2003/0223844 A1 wird ein Exoskelett für einen Arm insbesondere für Anwendung in der Raumfahrt beschrieben. Dies ist dazu bestimmt für Bewegungen der menschlichen Armgelenke Daten mit Hilfe von Messwertgebern zu erfassen und/oder Kraftmomente mit Hilfe von in den Gelenken angeordneten Aktivierungseinheiten aufzubringen. Hiermit entsteht eine direkte, parallele Gelenkkette, zunächst für Arme des menschlichen Körpers gedacht; d. h. die menschlichen Freiheitsgrade werden möglichst exakt durch das technische System nachgebaut, in diesem Fall durch ein System mit 16 Freiheitsgraden. Diese Gelenkkette ist mit dem Brustkorb des menschlichen Körpers über eine getragene Stützvorrichtung mit starren Platten verbunden. Eine Steuerung erfolgt über flexible Bänder.In EP 1364755 B1 such as US 2003/0223844 A1 describes an exoskeleton for an arm especially for use in space travel. This is intended for movements of the human wrist joints to detect data with the aid of transducers and / or to apply force moments by means of arranged in the joints activation units. This creates a direct, parallel link chain, initially intended for the arms of the human body; ie the human degrees of freedom are reproduced as exactly as possible by the technical system, in this case by a system with 16 degrees of freedom. This articulated chain is connected to the thorax of the human body via a supported rigid plate support. Control is via flexible bands.

Das beschriebene Exoskelett für einen Arm eines menschlichen Körpers wird zur Fernsteuerung eines humanoiden Roboters für Einsätze außerhalb von Raumstationen eingesetzt. Die Steuerung erfolgt durch den Nutzer.The described exoskeleton for an arm of a human body is used for remote control of a humanoid robot for use outside space stations. The control is done by the user.

Die beschriebene Vorrichtung dient somit einerseits zur Erfassung von Bewegungsdaten eines Armes des menschlichen Körpers. Andererseits werden Rückkopplungsdaten ausgeworfen, die eine tatsächliche Bewegung der Vorrichtung bewirken – Verstärkung der Kraft des Armes des menschlichen Körpers.The described device thus serves, on the one hand, for detecting movement data of an arm of the human body. On the other hand, feedback data is ejected which causes actual movement of the device - amplifying the force of the arm of the human body.

WO 2011/127421 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung, ein konfigurierbares Exoskelett mit einer Rumpfvorrichtung, welches mit Beinstützen in Höhe des Hüftgelenkes verbunden ist, welches eine Beugung und eine Streckung um die jeweilige Hüftachse ermöglichen soll. Als Hilfsmasse zur Realisierung der Lasthandhabung ist ein Gegengewicht auf Hinterseite des Exoskeletts-Rumpfes vorgesehen. Die Hilfsmasse ist über Gurte, Seile oder dergleichen mit dem sogenannten Endeffektor, der mit Sensoren ausgestattet ist, verbunden, über den die Nutzlast an den Gurten, Seilen oder dergleichen befestigt wird. Die Sensoren eignen sich zur Messung der von der Nutzlast ausgeübten Kraft. Eine Steuerung der motorbetriebenen Mechanismen erfolgt über die Messdaten der integrierten Sensoren (Wechselwirkungssensoren) an der Mensch-Maschine-Schnittstelle. WO 2011/127421 A1 describes a similar device, a configurable exoskeleton with a trunk device which is connected to leg supports at the level of the hip joint, which is to allow a flexion and extension about the respective hip axis. As an auxiliary mass for the realization of the load handling a counterweight on the rear side of the exoskeleton trunk is provided. The auxiliary mass is connected via straps, ropes or the like with the so-called end effector, which is equipped with sensors, via which the payload is attached to the straps, ropes or the like. The sensors are suitable for measuring the force exerted by the payload. The motor-driven mechanisms are controlled via the measured data of the integrated sensors (interaction sensors) at the human-machine interface.

In WO 002014151065 A2 wird ein Exoskelett mit steifen und flexiblen Elementen beschrieben welches hauptsächlich über „twisted string” Aktuatoren zu einer Vergrößerung der nach außen gerichteten Körperkräfte, zur Erlangung höherer Reaktionskräfte als dem Träger des Systems innewohnen, führen soll. Exemplarisch werden hierbei flexible Zuggurtsysteme beispielsweise für die Achillessehne vorgestellt, die ihrerseits aber wiederrum an hartschaligen Aufnahmeträgern befestigt sind. Das System umfasst dahingehend eine Sensorik, als dass beispielsweise Gelenkwinkel über Goniometer etc. erfasst werden und die Aktuatorik des Systems über die Sensorik des Systems zumindest teilweise geschaltet werden kann. Die Aktuatorik wird über den Einsatz von elektrischer Energie, in diesem Falle Batterien, die vom Träger des Systems mitgetragen werden müssen.In WO 002014151065 A2 For example, an exoskeleton with stiff and flexible elements is described which is primarily intended to provide "twisted string" actuators for increasing the outward body forces inherent in obtaining higher reaction forces than the wearer of the system. Exemplary here flexible Zuggurtsysteme be presented for example for the Achilles tendon, which in turn, however, are attached to hard-shell recording media. To this end, the system comprises a sensor system in that, for example, joint angles are detected via goniometers, etc., and the actuator system of the system can be at least partially switched via the sensors of the system. The actuator technology is about the use of electrical energy, in this case batteries that must be carried by the wearer of the system.

Bei den bekannten starren und flexiblen Exoskeletten ist der Nutzer in den Bewegungen grundsätzlich frei, wobei die Freiheit durch die Freiheitsgrade des technischen Systems maßgeblich bestimmt wird. Ausgelegt sind sie für das gesteuerte Verstärken von Kräften für unterschiedliche Körperteile bis hin zum kompletten Körper.In the known rigid and flexible exoskeletons, the user is fundamentally free in the movements, the freedom being decisively determined by the degrees of freedom of the technical system. They are designed for the controlled strengthening of forces for different body parts up to the complete body.

Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, VorteileDESCRIPTION OF THE INVENTION: Problem, Solution, Advantages

Die Erfindung hat die Aufgabe sensible Körperteile wie den Rücken des menschlichen Körpers durch eine gezielte Kraftumleitung vor einer Überlastung zu schützen, und hat nicht wie Exoskelette das primäre Ziel die Kraft zu verstärken.The object of the invention is to protect sensitive parts of the body, such as the back of the human body, from being overloaded by a targeted force diversion and, unlike exoskeletons, it does not have the primary goal of strengthening the force.

Diese Aufgabe wird durch eine flexible, an die jeweiligen Körperabmessungen und zu erwartenden Belastungen adaptierbare und steuerbare oder programmierbare Vorrichtung, zur Kraftumleitung an zumindest einem Körperteil einer Person, realisiert. Diese Vorrichtung ist in das Kleidungsstück des Nutzers integrierbar, und muss der menschlichen Anthropometrie nicht unbedingt in Gänze nachempfunden werden, sondern kann dieser aufgrund der Gestalt der Vorrichtung auch komplett unähnlich sein.This object is realized by a flexible, adaptable to the respective body dimensions and expected loads and controllable or programmable device for force redirection on at least one body part of a person. This device can be integrated into the garment of the user, and does not necessarily have to be fully modeled on human anthropometry, but because of the shape of the device it may also be completely dissimilar.

Dabei ist im Zusammenhang der vorliegenden Erfindung unter der Vorrichtung ein technisches System mit unterschiedlichen Systemelementen wie Facettenelementen (mögliche weitere Bezeichnungen Facette und Facettenglieder), Verbindungselementen, Sensoren und Aktuatoren zu verstehen. Facettenelemente werden im Kontext dieser Anmeldung als Bausteine definiert, die entweder einzeln oder im seriellen, parallelen oder schichtweisen Verbund miteinander gekoppelt werden. Ein Facettenelement kann in diesem Kontext die Verbindungselemente zu weiteren Facettenelementen bereits in sich integrieren als auch über eine Schnittstelle an ein Verbindungselement gekoppelt werden. Die Form der Facette bzw. des Facettenglieds bzw. des Facettenelements sowie der Aufbau ist variabel und an die Erfordernisse des Einsatzzweckes anpassbar. Konkret handelt es sich bei einer Facette um ein Element mit definierter Form, z. B. Rechteck oder Viereck oder Viereck, und unterschiedlicher Dicke. Darüber hinaus wird eine Facette durch eine Dimension/Abmessung charakterisiert, die nicht zwingend nur klein oder groß ist. Die Vorrichtung dieser Erfindung ist zumindest mit einem Körperteil des Trägers direkt gekoppelt und wirkt direkt zusammen. Die Kopplung erfolgt dabei bevorzugt mechanisch, indem z. B. die Vorrichtung in die menschliche Kleidung integriert ist und diese mit mindestens einem bestimmten Teil des menschlichen Körpers direkt und anliegend verbunden ist, oder sie dem Träger angeschnallt wird. Dabei kann die Vorrichtung mindestens eine Tätigkeit des Menschen, vornehmlich Hebe- und Handhabungsaufgaben, unmittelbar unterstützen, indem sie eine Kraftumleitung um besonders stark belastete Bereiche des menschlichen Körpers realisiert. Somit dient es zur Kraftaufnahme, Kraftumleitung und Krafteinleitung – und kann als Art Stützeinrichtung gesehen werden, bspw. für den Rücken eines Menschen oder eine Extremität.In this context, in the context of the present invention, a technical system with different system elements, such as facet elements (possible further designations facet and facet elements), is provided below the device. Connecting elements, sensors and actuators to understand. Facet elements are defined in the context of this application as building blocks, which are coupled together either singly or in serial, parallel or layered composite. In this context, a facet element can already integrate the connection elements to further facet elements in itself as well as be coupled to a connection element via an interface. The shape of the facet or of the facet element or the facet element and the structure is variable and can be adapted to the requirements of the intended use. Specifically, a facet is an element of defined shape, e.g. B. rectangle or square or square, and different thickness. In addition, a facet is characterized by a dimension that is not necessarily small or large. The device of this invention is at least directly coupled to a body part of the wearer and acts directly together. The coupling is preferably carried out mechanically by z. B. the device is integrated into the human clothing and this is directly and fittingly connected to at least a certain part of the human body, or it is strapped to the wearer. In this case, the device can directly support at least one human activity, primarily lifting and handling tasks, by realizing a force diversion around particularly heavily loaded areas of the human body. Thus, it serves for power absorption, power diversion and force application - and can be seen as a type of support means, for example. For the back of a human or a limb.

Die Vorrichtung kann bei unterschiedlichen Bewegungsformen des Systemträgers unterstützen und soll Fehlbelastungen, beispielsweise des menschlichen Rückens, bei z. B. gebeugtem Heben oder Heben mit Verwringung des Oberkörpers (Torsion) von schweren Lasten vermeiden. Dennoch soll die Vorrichtung nicht die gesamte Arbeit des Trägers übernehmen oder ihn komplett entlasten. Nur für den Fall einer Überlastung mit negativen Effekten auf die Gesundheit (vorzeitiger Gelenkverschleiß, etc.) soll das System die Überlast für den Träger um den Betrag reduzieren, um wieder auf ein physiologisch verträgliches Maß der Belastung zu kommen. Ziel des Systems ist daher eine gesteuerte Reduktion von Überlast für den Träger, und nicht eine komplette Entlastung. Die physiologisch vertretbare Belastung des Trägers ist aufgrund der positiven Effekte auf des Trägers Gesundheit explizit erwünscht.The device can assist with different forms of movement of the system carrier and should be incorrect loads, such as the human back, at z. B. bent lifting or lifting with Verwringung the upper body (torsion) of heavy loads. Nevertheless, the device should not take over the entire work of the wearer or relieve him completely. Only in the event of an overload with negative effects on the health (premature joint wear, etc.), the system should reduce the overload for the wearer by the amount to get back to a physiologically acceptable level of stress. The aim of the system is therefore a controlled reduction of overload for the carrier, and not a complete discharge. The physiologically acceptable burden on the wearer is explicitly desired due to the positive effects on the wearer's health.

Prinzipiell schränkt die Vorrichtung menschliche Bewegungen nur im aktiven Zustand der Überlastung ein. Im Fall einer Überlastung würde sie eben diese durch eine parallel zur belasteten Region des Menschen angeordnete, steuerbare technische Struktur stützen und stabilisieren sowie an dieser Stelle die Kraft umleiten. Die Steuerung der Vorrichtung kann hierbei entweder manuell oder automatisiert gesteuert erfolgen. Im ersten Fall durch Aktionstasten (Zustimmtasten) des Nutzers, die entsprechend Facettenelemente Verbindungselemente oder Kraftpfade einzeln, kombiniert, oder zeitgleich im Verbund aktivieren und somit den Zustand ändern. Im zweiten Fall werden die Daten der integrierten Sensoren herangezogen, um darüber die Belastung einzelner Körperbereiche abzuleiten und entsprechend die Vorrichtung steuern. Der Aufbau der Vorrichtung soll hierbei angepasst an den Systemträger und die durchzuführende Aufgabe erfolgen.In principle, the device limits human movements only in the active state of overloading. In the case of an overload, it would support and stabilize these, through a controllable technical structure arranged parallel to the burdened region of man, and redirect the power at this point. The control of the device can be done either manually or automatically controlled. In the first case, by means of action buttons (consent buttons) of the user, which according to facet elements activate connecting elements or force paths individually, in combination, or simultaneously in the network and thus change the state. In the second case, the data of the integrated sensors are used to derive the burden of individual body areas and control the device accordingly. The structure of the device should be adapted to the system carrier and the task to be performed.

Dabei ist im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen, bekannten Exoskeletten ein besonderer Kern der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, dass die Vorrichtung nicht aktiv in die Bewegungen eingreift und dadurch die Kraft des Nutzers verstärkt, sondern diese nur bei Überlastung einschränkt und so die auftretenden Kräfte umleiten. Beispiele hierfür wären unter anderem bei manuellen Lastenhandhabungen, wie dem Herausheben eines Reifens aus einem Reifenregal. Hierbei würde das System erst dann in die Lastenhandhabungen eingreifen, wenn der Träger entweder das System aktiv startet, da er um die Überlast des Reifengewichts weiß, oder aber wenn das System so ausgestaltet ist, dass es die Überlast automatisch detektiert. In beiden Fällen würde das System nicht die Kraft des Trägers vergrößern, sondern die zu bewältigende Gewichtskraft des Gegenstandes für den Träger darüber minimieren, dass die Gewichtskraft des Gegenstandes teilweise über das System bzw. die Vorrichtung aufgenommen und über die knöcherne Struktur des Trägers in den Boden abgeleitet werden kann. In diesem Falle sind die muskulären Kräfte, die der Träger aufbringen muss um seine Gelenkstellungen beim Hebevorgang unter Last aktiv zu steuern um den Betrag der Entlastung durch die Vorrichtung minimiert, wodurch Überlastungseffekte vermieden werden. Für den Fall einer repetitiven Handlungskette immer wiederkehrender Arbeitsvorgänge, beispielsweise dem Heben von Paketen von einem Laufband in ein Regal, wie es in bspw. Logistikunternehmen der Fall ist, kann das System über die Detektion der Fallzahlen eine Reduktion der Belastung des Trägers intelligent steuern. In der Weise, dass eine Entlastung in Abhängigkeit der Handlungslänge und -dauer dynamisch angepasst wird, um Überlastungen, die nicht durch die Höhe der Einzelgewichte, jedoch durch die Länge und oder Dauer der Lastenhandhabungen geprägt sind, zu vermeiden.Here, in contrast to the known exoskeletons described above, a special feature of the present invention is the fact that the device does not actively engage in the movements and thereby amplifies the force of the user, but limits them only in the event of overloading and thus redirects the forces that occur , Examples include manual load handling such as lifting a tire out of a tire rack. In this case, the system would intervene in the load handling only when the carrier either actively starts the system because it knows about the overload of the tire weight, or when the system is designed to automatically detect the overload. In either case, the system would not increase the strength of the wearer, but would minimize the weight of the article to be handled by the wearer, such that the weight of the article is partially absorbed by the system and the bony structure of the wearer in the ground can be derived. In this case, the muscular forces which the wearer must apply to actively control his joint positions during load lifting are minimized by the amount of relief provided by the device, thereby avoiding overloading effects. In the case of a repetitive chain of action of recurrent operations, for example, the lifting of packages from a treadmill to a shelf, as is the case in logistics companies, for example, the system can intelligently control a reduction in the burden on the wearer by detecting the number of cases. In such a way that a discharge is dynamically adjusted depending on the action length and duration, in order to avoid overloads which are not characterized by the height of the individual weights, but by the length and / or duration of the load handling.

Die Vorrichtung kann je nach Gestaltung aus unterschiedlichen Elementen, in jeweils unterschiedlicher Anzahl, bestehen. Die Konfiguration, d. h. der Zusammenbau der Elemente zu einer Vorrichtung, und die Auswahl der Elemente erfolgt in Abhängigkeit zu den Anforderungen, die durch den Systemnutzer und die Aufgabe maßgeblich bestimmt werden. Die Vorrichtung kann z. B. in ein Kleidungsstück integriert werden, als Art Rucksack genutzt werden, oder anderweitig an den Körper des Menschen angebracht werden. Die Vorrichtung kann Körperteile vor Überlastung schützen, indem sie die auf die menschlichen Körperstellen lastenden Kräfte umleitet. Z. B. kann die Vorrichtung am Rücken von Pflegekräfte angebracht sein, um diesen bei dem Transfer von Patienten gegen Überlast zu schützen. Die Vorrichtung besteht aus zumindest einem Facettenelement, welches quasi die Mensch-Technik-Schnittstelle darstellt (kann auch als Protektorelement bezeichnet werden), die unterschiedliche Formen (z. B. rund und quadratisch) und unterschiedliche Beschaffenheit (z. B. weich aus Schaumstoff oder hart aus Kunststoff) besitzen kann. Die Facettenelemente können passiv, d. h. sie besitzen z. B. genau eine Form und Festigkeit, oder aktiv, d. h. z. B. die Form und Steifigkeit ist während des Einsatzes änderbar, gestaltet sein. Z. B. können aktive Facettenelemente luftdichte Kammersysteme sein, die im Inneren Elemente beinhalten, die beim evakuieren dieser Kammer durch eine erhöhte Reibung die Festigkeit der Kammern (je nach Material zumindest Zugkraft und/oder Druckkraft und/oder Torsion und/oder Biegung) erhöhen. Das Steuern der Facettenelemente wird nachfolgend in einem der nächsten Absätze näher beschrieben.Depending on the design, the device can consist of different elements, each with a different number. The configuration, that is, the assembly of the elements to a device, and the selection of the elements takes place in dependence on the requirements imposed by the System users and the task to be determined significantly. The device may, for. B. be integrated into a garment, used as a kind of backpack, or otherwise attached to the body of the person. The device can protect body parts from overload by redirecting the forces on the human body sites. For example, the device may be attached to the back of nurses to protect it from overloading patients. The device consists of at least one facet element, which is quasi the human-technology interface (can also be referred to as a protector element), the different shapes (eg round and square) and different nature (eg soft foam or hard plastic). The facet elements can be passive, ie they have z. B. exactly a shape and strength, or active, ie, for example, the shape and rigidity is changeable during use, designed. For example, active facet elements may be airtight chamber systems containing internal elements that increase the strength of the chambers (at least traction and / or compressive force and / or torsion and / or flexion) as evacuated by increased friction. The control of the facet elements will be described in more detail in one of the next paragraphs.

Insofern die Vorrichtung aus mehreren Facettenelementen besteht, die einlagig oder mehrlagig sowie seriell und/oder parallel angeordnet sein können, sind Schnittstellen zwischen eben diesen erforderlich. Entweder können die Facettenelemente direkt mit den benachbarten Schnittstellen gekoppelt werden, oder sie werden durch Verbindungselemente miteinander gekoppelt. Diese können wie die Facettenelemente passiv oder aktiv gestaltet sein. Im Fall einer aktiven Vorrichtung können entsprechende Systeme mit Sensoren ausgestattet sein, die direkt oder indirekt eingesetzt werden, um die Belastung während der manuellen Tätigkeiten bestimmen zu können, z. B. EMG-Sensoren, Wegaufnehmer, Gyroskop, Beschleunigungssensoren, Magnetfeldsensoren, Goniometer, Herzfrequenzmesser, Potentiometer oder Kraftsensoren, die die Last am Endeffektor, sprich zwischen Hand des Menschen und der zu handhabenden Artefakte aufnimmt. Das System erkennt die Körperhaltung mit Hilfe der integrierten Sensorik. Mit Hilfe dieser Elemente wird in der Steuereinheit das Gefährdungspotential ermittelt. Durch Detektion der Belastung (in Echtzeit oder nahezu Echtzeit) während z. B. der Handhabung von (mittelschweren und schweren) Lasten und der Versorgung des Nutzers/Trägers durch einen passiven oder aktiven Schutz vor passiven oder aktiven Überlastung, und dies stets in Abhängigkeit zum Belastungsfall.Insofar as the device consists of several facet elements, which may be arranged in single-layer or multi-layer as well as serially and / or in parallel, interfaces between these are required. Either the facet elements can be coupled directly to the adjacent interfaces, or they are coupled together by connectors. These can be passive or active like the facet elements. In the case of an active device, corresponding systems may be equipped with sensors that are used directly or indirectly to determine the load during manual operations, e.g. As EMG sensors, transducers, gyroscope, acceleration sensors, magnetic field sensors, goniometer, heart rate monitor, potentiometer or force sensors, which absorbs the load on the end effector, ie between the human hand and the artifacts to be handled. The system recognizes the posture with the help of integrated sensors. With the help of these elements, the risk potential is determined in the control unit. By detecting the load (in real time or near real time) during e.g. As the handling of (medium and heavy) loads and the supply of the user / carrier by a passive or active protection against passive or active overload, and this always depending on the load case.

Bei aktiven Vorrichtungen kann die Einheit aus Facettenelementen, Verbindungselementen und Facettenelementen durch eine Aktuatorik und/oder Bremssystem ausgestattet sein, um die relative Anordnung auf den Belastungsfall anzupassen. Z. B. kann ein Bremssystem eine Vergrößerung des Abstandes zwischen zwei oder mehr Facettenelementen aktiv in Abhängigkeit der Belastung bremsen und somit zu einer Kraftumleitung führen. Weitere Möglichkeiten ergeben sich bei der Integration einer Aktuatorik, die je nach Verbindungselement die Abstände in Abhängigkeit zur Belastung den Abstand zwischen Facettenelementen aktiv sowohl verkleinern, als auch vergrößern kann.In active devices, the unit of facet elements, connecting elements and facet elements can be equipped by an actuator and / or braking system to adapt the relative arrangement to the load case. For example, a brake system can actively slow down an increase in the distance between two or more facet elements depending on the load and thus lead to a force diversion. Further possibilities result from the integration of an actuator system which, depending on the connecting element, can actively reduce the distance between facet elements as well as increase them as a function of the load.

Für die Steuerung wenigstens eines aktiven Elements der Vorrichtung wie Facettenelement oder Verbindungselement gibt es verschiedene Möglichkeiten. Möglichkeit Eins sieht eine Aktionstaste (Zustimmtaste) vor, die durch den Nutzer manuell gesteuert wird. Möglichkeit Zwei sieht die Verwendung der Messdaten der Sensoren vor, auf deren Basis die Belastung berechnet wird, und diese Ergebnisse wiederum zur Steuerung genutzt werden. Beide Möglichkeiten können für jedes aktive Element einzeln oder kombiniert oder nach vorgegebener Reihenfolge oder Belastungsfall erfolgen. Eine definierte Reihenfolge bedeutet, dass eine Sequenz von Aktivierungs- oder Deaktivierungsaufgaben, zeitlich und räumlich koordiniert, angewendet wird.There are various possibilities for controlling at least one active element of the device, such as a facet element or connecting element. Option One provides an action button (consent button) that is manually controlled by the user. Possibility Two provides for the use of the measurement data from the sensors, on the basis of which the load is calculated, and these results are then used for control purposes. Both options can be carried out individually or in combination for each active element or according to a given sequence or load case. A defined order means that a sequence of activation or deactivation tasks, coordinated in time and space, is used.

Die Vorrichtung kann vor allem zur Unterstützung von Menschen eingesetzt werden, die ergonomisch ungünstige oder aber repetitive bzw. über einen längeren Zeitraum zu erfüllende Aufgaben ausführen müssen. Darüber hinaus ist der Einsatz zur Stabilisierung von zumindest Teilen elastischer oder nachgiebiger technischer Elemente oder technischer Gelenke oder die Unterstützung anderer Lebewesen mittelfristig vorgesehen.Above all, the device can be used to assist people who have to carry out tasks that are ergonomically unfavorable or repetitive or have to be performed over a longer period of time. In addition, the use for the stabilization of at least parts of elastic or flexible technical elements or technical joints or the support of other animals is provided in the medium term.

Durch die Erfindung wird somit eine Vorrichtung geschaffen, die zumindest einen Teil eines Körpers einer Person oder eines anderen Lebewesens oder eines technischen Systems (wie ein Industrieroboter) durch eine Kraftumleitung entlastet bzw. schont, und in Teilen auch stabilisiert.The invention thus provides a device which relieves or at least partially relieves or at least parts of a body of a person or of another living being or of a technical system (such as an industrial robot) by means of a force diversion and also stabilizes it in parts.

Für die Auslegung, Konstruktion und Konfiguration der Vorrichtung sind die kinematischen Gegebenheiten, d. h. insbesondere die Anatomie des relevanten Köperteils des Nutzers und die Aufgabe zu berücksichtigen. Hierbei ist vor allem an die Facettenelemente sowie die Verbindungselemente zu denken, die maßgeblich die Leistungsfähigkeit, in diesem Fall die Kraftumleitung, bestimmen. Diese Elemente können starr oder flexibel miteinander verbunden werden, so dass die Vorrichtung unterschiedlich viele Freiheitsgrade besitzen kann. Unterschiedlichste Gestaltungsmöglichkeiten sind aufgrund der modularen Architektur möglich.For the design, construction and configuration of the device, the kinematic conditions, ie in particular the anatomy of the relevant body part of the user and the task to be considered. Here, the facet elements as well as the connecting elements are to be considered, which decisively determine the performance, in this case the force redirection. These elements can be rigidly or flexibly connected to each other, so that the device can have different degrees of freedom. diverse Design options are possible due to the modular architecture.

Unterschiedliche Ausprägungen der Vorrichtung sind möglich. Eine Ausprägung sieht die Unterstützung des menschlichen Rücken vor Überlastung dar, z. B. in Form einer Weste aus Facettenelementen, allgemein ein Kleidungsstück oder Rucksack. Zentral besteht dieses aus zumindest einer Form an Facettenelementen, ggfs. aber auch aus unterschiedlich geformten Facettenelementen, die entlang der Wirbelsäule in eine eng an dem Oberkörper anliegende Weste verbaut sind. Die Facettenelemente sind z. B. mit Zugverbindungselementen miteinander gekoppelt (d. h. Verbindungselement mit Aktuator um aktiv die relative Anordnung zu verändern). Die Steuerung erfolgt mit Hilfe von Messdaten, die die integrierten Sensoren liefern, z. B. EMG-Sensoren zur Messung der Muskelaktivität oder aber über einen vorprogrammierten Algorithmus.Different forms of the device are possible. One form provides the support of the human back from overloading, z. In the form of a vest made of faceted elements, generally a garment or backpack. Centrally this consists of at least one form of faceted elements, if necessary. But also from differently shaped facet elements, which are installed along the spine in a tight fitting to the upper body vest. The facet elements are z. B. with train connection elements coupled together (i.e., connector with actuator to actively change the relative arrangement). The control is carried out with the aid of measurement data supplied by the integrated sensors, eg. B. EMG sensors for measuring muscle activity or via a preprogrammed algorithm.

Die Facettenelemente erlauben eine Flexion und Extension der Wirbelsäule in physiologischen Bahnen. Aufgrund seiner Facettenelementen-Struktur ermöglicht es darüber hinaus die volle Beweglichkeit der Wirbelsäule in Flexion und Extension sowie Rotation und Lateralflexion. Damit bewegt sich das Kernstück der Vorrichtung parallel zur Wirbelsäule im Sinne einer Parallelkinematik, kann darüber hinaus jedoch auch andersartig gestaltet werden. Besonders hervorzuheben ist die Anpassbarkeit des Systems an die physiologische Doppel-S Form der Wirbelsäule, d. h. es wird kein starres System erzeugt, sondern ein Verbund aus Facettenelementen, welches Brustkyphose und Lendenlordose in Gestalt seiner Anordnung widerspiegelt. Alle Facettenelemente (Anzahl 2-n), die durchaus unterschiedlich gestaltet sein können, sind mit vertikalen und/oder horizontal angeordneten Verbindungselementen verbunden und können zudem auch mehrlagig gestaltet sein. Unterschiedliche Arten sind hierbei möglich, die auch in einem System kombiniert werden können. Hierzu zählt zum einen eine starre Verbindung, d. h. keine aktive Veränderung der Position oder des Zustands, dennoch ist es jedoch möglich, dass die Elemente elastisch sind. Beispiele hierfür sind Drähte oder Fäden, die unterschiedliche Eigenschaften und Profile besitzen können (dick vs. dünn, elastisch vs. starr, unterschiedliche Querschnitte um gezielt Steifigkeiten in gewisse Richtungen zu verringern oder zu erhöhen, z. B. Kreisquerschnitt, Quadratisch, T-Profil, U-Profil, Anzahl 1-n um gezielt Eigenschaften zu erreichen (z. B. zwei parallele geschaltete Zugsysteme, die jedoch unabhängig voneinander agieren können, d. h. eine Lateralflexion der Wirbelsäule führt zu einer unterschiedlichen Längenveränderung der Zugsysteme)). Zum anderen ist jedoch eine aktive, d. h. im Betrieb adaptierbare, Verbindung möglich. Dies wird im Folgenden als Zugsystem bezeichnet. Das Zugsystem ist in der Lage den Abstand zwischen den Facettenelementen in Abhängigkeit der Bedürfnisse des Systemträgers (Kleidungsstücks oder Rucksack) zu steuern, so dass Flexion und Extension des Trägers unterstützt bzw. ihr entgegengewirkt werden kann. Die Sollwertvorgabe wird entsprechend der Beanspruchung vorgegeben. Die Zustandserkennung erfolgt über eine integrierte Sensorik (z. B. EMG-Sensoren, Längenmessung des Zugsystems, etc.). Die Facettenelemente selbst können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, z. B. Kunststoff. Das Material kann aufgrund der modularen Architektur und der Standardisierung individuell an die Aufgabe angepasst werden. Möglich und angedacht ist aber auch die Verwendung von flexiblen, weichen Ausgangsmaterialen, die sich bei Bedarf verhärten können. Diese können z. B. dergestalt aufgebaut sein, dass bei Nichtinanspruchnahme des Systems die weichen Facettenelementen die Bewegungen des Trägers nicht stören, sollten sie jedoch gebraucht werden, der Zustand von weich sofort oder schrittweise auf hart geändert werden kann.The facet elements allow flexion and extension of the spine in physiological pathways. In addition, due to its facet-element structure, it allows for full flexibility of the spine in flexion and extension as well as rotation and lateral flexion. Thus, the core of the device moves parallel to the spine in the sense of a parallel kinematics, but can also be designed differently. Particularly noteworthy is the adaptability of the system to the physiological double-S form of the spine, d. H. It does not produce a rigid system, but a composite of facet elements, which reflects Brustkyphose and lumbar lordosis in the form of its arrangement. All facet elements (number 2-n), which may well be designed differently, are connected to vertical and / or horizontally arranged connecting elements and can also be designed multi-layered. Different types are possible here, which can also be combined in one system. This includes on the one hand a rigid connection, d. H. no active change of position or condition, but it is still possible that the elements are elastic. Examples include wires or filaments that can have different properties and profiles (thick vs. thin, elastic vs. rigid, different cross sections to specifically reduce or increase stiffness in certain directions, eg circular cross section, square, T-profile , U-profile, number 1-n in order to achieve specific properties (eg two parallel connected traction systems, which however can act independently of each other, ie a lateral flexion of the spine leads to a different length change of the traction systems)). On the other hand, however, an active, d. H. Adaptable during operation, connection possible. This is referred to below as a train system. The traction system is able to control the distance between the facet elements depending on the requirements of the system carrier (garment or rucksack) so that flexion and extension of the wearer can be assisted or counteracted. The setpoint specification is specified according to the load. The condition is detected via an integrated sensor system (eg EMG sensors, length measurement of the tension system, etc.). The facet elements themselves may consist of different materials, eg. B. plastic. Due to the modular architecture and the standardization, the material can be individually adapted to the task. However, it is also possible and planned to use flexible, soft starting materials which can harden if necessary. These can be z. B. be constructed so that when not in use, the soft facet elements do not interfere with the movements of the wearer, they should be used, however, the state of soft can be changed immediately or gradually to hard.

Eine weitere Ausprägung sieht vor, dass die Vorrichtung untere oder obere menschliche Extremitäten unterstützt, z. B. das menschliche Knie oder den Ellenbogen. Bei dieser Ausprägung werden die Facettenelemente entlang der Extremität, zumindest in einer Reihe seriell angeordnet, ausgerichtet und miteinander gekoppelt.Another embodiment provides that the device supports lower or upper human limbs, z. For example, the human knee or elbow. In this embodiment, the facet elements along the extremity, at least arranged in a row in series, aligned and coupled together.

Im Falle eines gelenkübergreifenden Systemaufbaus ist darüber hinaus ebenfalls die Möglichkeit des Einsatzes von stoßabsorbierenden Facettenelementen vorgesehen. Dies lässt sich insbesondere für das Knie und den Ellenbogen anschaulich darstellen. So bietet ein stoßabsorbierendes Facettenelement dort Schutz, wo die empfindlichen knöchernen Bereiche auf harte Oberflächen treffen. Als Beispiel dient hier der Verweis auf den Garten- und Landschaftsbau, wo häufig im Knien gearbeitet werden muss. Das vorliegende System bietet in diesem Anwendungsfeld den Vorteil, dass einerseits die muskuläre Belastung in Abhängigkeit von Arbeitslast- und Dauer minimiert werden kann, andererseits ein mechanischer Schutz der Patella (Kniescheibe) durch ein Protektorfacettenelement, welches über die Patella verläuft, gewährleistet ist.In the case of a cross-system system structure, the possibility of using shock-absorbing facet elements is also provided. This can be illustrated in particular for the knee and the elbow. Thus, a shock-absorbing facet element provides protection where the delicate bony areas hit hard surfaces. As an example, here is the reference to gardening and landscaping, where you often have to work on your knees. The present system offers the advantage in this field of application that on the one hand the muscular load can be minimized as a function of working load and duration, on the other hand a mechanical protection of the patella (kneecap) is ensured by a protector facet element which runs over the patella.

Zusammengefasst ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer oder mehreren Schnittstellen zwischen Vorrichtung und Nutzer, mit einer oder mehreren Facettenelementen, im Fall von mehreren Facettenelementen mit einer Möglichkeit zur Verbindung durch integrierte Schnittstellen oder Verbindungselemente, im aktiven Fall mit einer Sensoreinrichtung, Aktuatorik und Steuerungseinheit, ausgestattet. Diese Erfindung ermöglicht eine ergonomischere Ausführung manueller Tätigkeiten, und stellt somit auch einen Ansatz dar, um Personen nachhaltig in ihrem Arbeitsumfeld selbst bei nachlassender körperlicher Leistungsfähigkeit einsetzen zu können. Überlastung von beanspruchten Körperteilen des Systemnutzers können dadurch verringert werden. Das System kann sowohl in im beruflichen Sektor vor Überlastungen durch Hebe- und Tragevorgänge aus ungünstigen Körperpositionen schützen, aber auch im privaten Einsatz körperliche Schädigungen durch physiologische ungünstige Körperpositionen bei Hebe- und Tragevorgängen bspw. bei der Gartenarbeit oder im Heimwerkbereich vermeiden.In summary, the device according to the invention is equipped with one or more interfaces between the device and the user, with one or more facet elements, in the case of several facet elements with a possibility for connection through integrated interfaces or connecting elements, in the active case with a sensor device, actuator and control unit. This invention enables a more ergonomic execution of manual activities, and thus also provides an approach to sustaining people in their work environment even at to be able to use declining physical performance. Overload of stressed body parts of the system user can thereby be reduced. The system can protect both in the occupational sector from overloading by lifting and carrying operations from unfavorable body positions, but also avoid in private use physical injury from physiological unfavorable body positions during lifting and carrying operations, for example, in gardening or home improvement.

Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein tragbares und in menschliche Kleidung integrierbares System zur Vermeidung von Überlastungsschäden mit Hilfe weicher Strukturen. Die modulare Struktur und die u. a. weichen Facettenelemente ermöglichen es, die Struktur situativ z. B. an (individuelle) menschliche Körper als auch anwendungsbezogen anzupassen. Die Beweglichkeit des Nutzers, also die menschlichen Bewegung, wird durch das nicht aktive System in der Regel nicht beeinflusst bzw. eingeschränkt. Allein bei Fehl- oder Überbelastung wird das System einen Beitrag zur Vermeidung eben dieser durch eine gezielte Kraftumleitung leisten. Die modulare Architektur sowie die grundsätzliche Gestaltung und Struktur ermöglichen eine Skalierung der Elemente der Vorrichtung und eine individuelle Anpassung. Durch die weiche Struktur kann der Tragekomfort gesteigert werden.The present invention is a wearable and garment-integrated system for avoiding overload damage with the aid of soft structures. The modular structure and the u. a. soft facet elements allow the structure situational z. B. to adapt to (individual) human body as well as application-related. The mobility of the user, ie the human movement, is usually not influenced or restricted by the inactive system. In the event of faulty or overloaded systems, the system will make a contribution to avoiding them by means of a targeted force diversion. The modular architecture as well as the basic design and structure allow scaling of the elements of the device and customization. The soft structure of the comfort can be increased.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail below. Show it:

1 ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, deren Zusammenwirken mit einer Person sowie zwischen den Facettenelementen grob schematisch skizziert sind, 1 a first example of a device according to the invention, whose interaction with a person and between the facet elements are roughly sketched schematically,

2 ein zweites Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, deren Zusammenwirken mit einer Person sowie zwischen den Facettenelementen grob schematisch skizziert sind, 2 a second example of a device according to the invention, whose interaction with a person and between the facet elements are roughly sketched schematically,

3 eine Skizze, die mögliche Prinzipien der Facettenelementanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 und 2 grob schematisch aufzeigt, 3 a sketch, the possible principles of the facet element arrangement of the device according to the invention 1 and 2 roughly schematically shows

4 eine vierte Skizze, die die Stellung der Facettenelemente für eine gerade Stellung und Lateralflexion grob aufzeigt, und 4 a fourth sketch, which shows the position of the facet elements for a straight position and Lateralflexion roughly, and

5 eine fünfte Skizze mit einem groben schematischen Blockschaltbild einer möglichen Steuerung einer aktiven Vorrichtung. 5 a fifth sketch with a rough schematic block diagram of a possible control of an active device.

Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Unterstützung körperlich arbeitender Menschen im privaten und beruflichen Umfeld bei ergonomisch kritischen Aufgaben wie dem Umlagern von bewegungs- oder mobilitätseingeschränkten Menschen, dem Handhaben von Lasten oder Tätigkeiten in oder über Kopfhöhe. Dies sind durchweg Tätigkeiten, die heutzutage, als auch in Zukunft, bevorzugt durch den Menschen ausgeführt werden. Der Bedarf hierfür wird z. B. aufgrund des demografischen Wandels, der gestiegenen Anforderungen im Produktionsumfeld durch komplexere und individualisierter Produkte immer größer. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dazu führen, dass diese Tätigkeiten aufgrund einer gezielten Entlastung und damit einhergehenden Reduktion von Überlastungsschäden über einen längeren Zeitraum als bisher durchgeführt werden können. Des Weiteren kann sie Tätigkeiten für Personengruppen erleichtern, die bislang für diese Belastungsgrößen nicht optimal ausgerüstet sind. Als gesellschaftlich extrem relevantes Beispiel sei hier die Laienpflege durch Angehörige genannt. So sind bspw. in der Regel bei Pflegebedarf des Ehemannes die Ehefrauen besonders körperlich belastet bzw. generell Frauen im häuslichen Pflegeeinsatz viel stärker als Männer involviert und somit trotz ihrer im Vergleich zu Männern geringeren körperlichen Ressourcen starken körperlichen Belastungen ausgesetzt. Somit hat es eine große gesellschaftliche Relevanz (nachhaltiger Einsatz der Ressource Mensch im privaten und beruflichen Umfeld). Die Lücke einer notwendigen Systemtechnik zur zielgerichteten Unterstützung kann damit minimiert werden ohne den Menschen durch ein technisches System zu ersetzen. Als Folge dessen kann die gesamte Volkswirtschaft gestärkt wird, da z. B. die Krankheitstage je Arbeitnehmer aufgrund der Vermeidung von Fehlbelastungen verringert werden können.A preferred field of use of the device according to the invention is the support of physically active people in the private and professional environment with ergonomically critical tasks such as the rearrangement of movement or mobility impaired people, the handling of loads or activities at or above head level. These are consistently activities that are carried out today, and in the future, preferably by humans. The need for this is z. As a result of demographic change, the increased demands in the production environment through more complex and individualized products ever larger. The device according to the invention can lead to these activities being able to be carried out over a longer period of time than previously due to targeted relief and concomitant reduction of overload damage. Furthermore, it can facilitate activities for groups of people who have not been optimally equipped for these load factors. As a socially extremely relevant example here is the lay care by relatives called. Thus, for example, in the care needs of the husband, the wives are particularly physically burdened or generally women in home care use much more involved than men and thus despite their physical resources in comparison to men exposed to physical stress. Thus, it has a great social relevance (sustainable use of human resources in the private and professional environment). The gap of a necessary system technology for targeted support can thus be minimized without replacing humans with a technical system. As a result, the entire economy can be strengthened because z. B. the sick leave per employee can be reduced due to the avoidance of bad workloads.

Die vorliegende Erfindung unterstützt den Anwender durch weiche, parallel zu mindestens einem menschlichen Körperteil angeordnete, auf unterschiedlicher Weise steuerbare parallel und/oder seriell angeordnete Elemente, die in Summe eine Vorrichtung darstellen. Hierzu können auch Funktionen zur Regelung und Steuerung der Facettenelementen und Verbindungselementen sowie Aktuatorik gehören.The present invention supports the user by soft, arranged parallel to at least one human body part, controllable in different ways parallel and / or serially arranged elements, which represent a total device. This may also include functions for controlling and controlling the facet elements and connecting elements as well as actuators.

Im nachfolgenden werden zwei Ausführungsbeispiele anhand zweier konkreter Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das erste Beispiel betrifft eine Pflegekraft, die bei einem Transfer von bewegungseingeschränkten Personen zu unterstützen ist. Das zweite Beispiel betrifft eine Vorrichtung für Montagetätigkeiten in oder über Kopfhöhe im produzierenden Gewerbe oder im Dienstleistungssektor.In the following two embodiments are illustrated with reference to two concrete applications of the device according to the invention. The first example concerns a caregiver who is to be assisted in a transfer of persons with reduced mobility. The second example relates to a device for assembly operations in or above Head height in the manufacturing sector or in the service sector.

Bei der Pflege handelt es sich um einen sehr sensiblen Bereich. Die Erfindung soll vor allem die Pflegekraft vor Überlastungsschäden, z. B. im Rücken, verschonen. In 1 ist ein erstes Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 dargestellt, deren Zusammenwirken mit dem Nutzer sowie zwischen den Systemelementen grob schematisch skizziert ist. Die Vorrichtung 100 ist mit dem Rücken des Nutzers 101 gekoppelt, und umfasst in diesem Ausführungsbeispiel verschiedene Elemente, die in das Kleidungsstück 102 des Nutzers 101 integriert sind, wobei hierzu Facettenelemente 103, die entlang der menschlichen Wirbelsäule, die Teil des Rückens 110 ist, auf einer Fixationsplatte 104 angeordnet sind, Verbindungselemente 105, Aktuatoren 106, EMG-Sensoren 107, Wegmesssystem 108 und Steuerungseinheit 109. Die Facettenelemente 103 können unterschiedlich gestaltet sein, z. B. feste Kunststoffplatten mit vorgegebener Form, oder Kammersysteme mit integrierten Elementen wie ein längenveränderliches Lammellenelement, das durch das Evakuieren der Kammer eine festere Struktur aufweist. Die Facettenelemente 103 sind auf Fixationsplatten aufgebracht, und darüber hinaus mit den benachbarten Facettenelementen mit Hilfe von zumindest je einem Verbindungselement 105 verbunden, die wiederum mit je mindestens einem Aktuator 106 verbunden sind, um die relativen Abstände belastungsorientiert einstellen zu können. Hierfür werden zum einen die Messdaten der auf die menschliche Haut aufgeklebten EMG-Sensoren 107 und zum anderen die Daten des Wegmesssystems 108 herangezogen, die in der Steuereinheit 109 auf die Belastung einzelner Teilbereiche umgerechnet werden, um einzelnen Teilsystemen, d. h. einzelne Facettenelement-Verbindungselement-Facettenelement-Gruppen gezielt zu steuern.Care is a very sensitive area. The invention is intended primarily the caregiver against overload damage, z. B. in the back, spare. In 1 is a first example of a device according to the invention 100 shown, whose interaction with the user and between the system elements is roughly sketched schematically. The device 100 is with the back of the user 101 coupled, and in this embodiment comprises various elements in the garment 102 of the user 101 are integrated, with this facet elements 103 that run along the human spine, which is part of the back 110 is on a fixation plate 104 are arranged, fasteners 105 , Actuators 106 , EMG sensors 107 , Position measuring system 108 and control unit 109 , The faceted elements 103 can be designed differently, eg. As solid plastic plates with a predetermined shape, or chamber systems with integrated elements such as a variable-length Lammellenelement having a firmer structure by evacuating the chamber. The faceted elements 103 are applied to fixation plates, and moreover with the adjacent facet elements by means of at least one connecting element 105 connected, in turn, each with at least one actuator 106 are connected in order to adjust the relative distances load-oriented. For this purpose, on the one hand, the measurement data of the EMG sensors glued onto the human skin 107 and on the other hand the data of the position measuring system 108 used in the control unit 109 be converted to the load of individual sub-areas to specifically control individual sub-systems, ie individual facet element connector element facet element groups.

2, in der wie auch in den folgenden Figuren bereits beschriebene Elemente wieder mit denselben Bezugszeichen versehen sind, zeigt eine weitere grobe Skizze einer zweiten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in einer anderen Konfiguration und Ausprägung. Dabei wird zumindest ein Arm (obere Extremität, bestehend aus dem Oberarm 111, dem Unterarm 112 und dem Ellenbogengelenk 113) des Nutzers 101 unterstützt, der direkt mit der Vorrichtung gekoppelt ist. Die Vorrichtung 100, die in das Kleidungsstück 102 des Nutzers 101 integriert ist, besteht in diesem Anwendungsbespiel aus Facettenelementen 103, extra Facettenelementen für das Gelenk 114, Verbindungselementen 105, Aktuatoren 106, EMG-Sensoren 107, Wegmesssystem 108 und Steuerungseinheit 109. Das Gelenkfacettenelement 114 hat eine spezielle auf das Gelenk ausgerichtete Form. Die Funktionsweise ist identisch zum ersten Beispiel. 2 , in which, as in the following figures already described elements are again provided with the same reference numerals, shows a further rough sketch of a second application of the device according to the invention 100 in a different configuration and form. At least one arm (upper limb, consisting of the upper arm 111 , the forearm 112 and the elbow joint 113 ) of the user 101 supported, which is directly coupled to the device. The device 100 in the garment 102 of the user 101 is integrated in this application sample consists of faceted elements 103 , extra facet elements for the joint 114 , Fasteners 105 , Actuators 106 , EMG sensors 107 , Position measuring system 108 and control unit 109 , The articular facet element 114 has a special shape aligned to the joint. The functionality is identical to the first example.

Doch es sind auch Vorrichtungen ohne Aktuatorik, also passiv mit fest eingestellten Abständen möglich, z. B. in Kombination mit schaltbaren Facettenelementen.But there are also devices without Aktuatorik, ie passive with fixed intervals possible, for. B. in combination with switchable facet elements.

Obgleich in den 1 und 2 nicht explizit wiedergeben, ist die dargestellte Vorrichtung 100 in der Anzahl der einzelnen Elemente variabel, in der Anordnung der Elemente, in der Wahl der Elemente, in der Größe der Elemente usw., anpassbar. Eine mögliche Veränderung ist beispielhaft, grob in 3 skizziert. Die Facettenelemente, in diesem Fall eine spezielle Form des Facettenelements 115, können auch mit mehreren Facettenelementen 103 miteinander verbunden sein, um dadurch den Grad der Lateralflexion gezielt einstellen zu können. Dies ist bspw. bei Tätigkeiten, die eine seitliche Lastenhandhabung fordern, ein Ansatz, um Überlastungsschäden zu verringern.Although in the 1 and 2 do not explicitly render, is the illustrated device 100 variable in the number of individual elements, in the arrangement of the elements, in the choice of elements, in the size of the elements, etc., adaptable. A possible change is exemplary, roughly in 3 outlined. The facet elements, in this case a special shape of the facet element 115 , also with several faceted elements 103 be connected to each other in order to adjust the degree of Lateralflexion targeted. For example, in activities requiring lateral load handling, this is an approach to reduce overload damage.

Eine weitere Veränderung ist beispielhaft, grob in 4 anhand der Anordnung der Facettenelemente skizziert. Die Facettenelemente 103 können unterschiedlich angeordnet sein, was beispielhaft mit drei bzw. neun Facettenelementen 105, die einfach mit einem Verbindungslement 105 verbunden sind, visualisiert wird. Drei Ausprägungsmöglichkeiten sind in 4 dargestellt – eine serielle Anordnung (links), eine parallele Anordnung (mitte) und eine Matrix-Anordnung, d. h. sowohl seriell als auch parallel (rechts). Darüber hinaus (nicht dargestellt) ist eine mehrlagige Anordnung möglich.Another change is exemplary, roughly in 4 outlined by the arrangement of the facet elements. The faceted elements 103 can be arranged differently, which exemplifies with three or nine facet elements 105 simply with a connection element 105 connected, visualized. Three possibilities are in 4 a serial arrangement (left), a parallel arrangement (middle) and a matrix arrangement, ie both serial and parallel (right). In addition (not shown), a multilayer arrangement is possible.

In 5 ist beispielhaft ein Möglichkeit für die Interaktion der Vorrichtungselemente skizziert. Hierbei wird davon ausgegangen, dass luftdichte Facettenelemente mit Füllelementen verwendet werden, die durch das Evakuieren versteift werden können, und im nicht evakuierten zustand flexibel genug sind, um sie an die Form des Trägers anzupassen. Der Nutzer ist mit den Facettenelementen gekoppelt. Verwendete Sensorik kann z. B. die Bewegung des Nutzers detektieren und die Muskelaktivität messtechnisch erfassen. Mit Hilfe der Sensordaten wird die Belastung berechnet. Die Belastungsfälle werden entkoppelt an die Steuerung der Facettenelemente und Verbindungssysteme übergeben. Je feiner eine Modellierung umgesetzt wird, desto genauer können auch einzelne Teilbereiche des menschlichen Körpers unterstützt werden. Obwohl die Werte entkoppelt an die Facettenelemente- und Verbindungssteuerung übergeben wird, wird zwischen diesen Einheiten kommuniziert. Die jeweilige Steuerung berechnet die Sollwerte für die Facettenelemente und Verbindungselemente. Entsprechend wird die Vakuumeinheit aktiviert oder deaktiviert bzw. die Aktuatoren verkürzen oder verlängern gezielt die Abstände mit Hilfe der Verbindungselemente, die mit den Facettenelementen gekoppelt sind.In 5 is an example of a possibility for the interaction of the device elements sketched. It is believed that airtight facet elements are used with filling elements that can be stiffened by evacuation, and are flexible enough in the non-evacuated state to conform to the shape of the wearer. The user is coupled with the facet elements. Sensors used can, for. B. detect the movement of the user and capture the muscle activity by measurement. The load is calculated with the help of the sensor data. The load cases are decoupled transferred to the control of the facet elements and connection systems. The finer a model is implemented, the more accurate it is possible to support individual subregions of the human body. Although decoupled values are passed to facet and link control, these units communicate. The respective controller calculates the setpoints for the facet elements and connection elements. Accordingly, the vacuum unit is activated or deactivated or the actuators shorten or lengthen the distances by means of the connecting elements that are coupled to the facet elements.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: Vorrichtungcontraption
101101: Systemnutzersystem users
102102: Kleidungsstück des Nutzers 101 Garment of the user 101
103103: Facettenelementfacet element
104104: Fixierplattefixing
105105: Verbindungselementconnecting element
106106: Aktuatoractuator
107107: EMG-SensorEMG sensor
108108: Wegmesssystemdisplacement measuring system
109109: Steuerungseinheitcontrol unit
110110: Rücken des Nutzers der VorrichtungBack of the user of the device
111111: Oberarm des Nutzers der VorrichtungUpper arm of the user of the device
112112: Unterarm des Nutzers der VorrichtungForearm of the user of the device
113113: Ellenbogen des Nutzers der VorrichtungElbow of the user of the device
114114: Facettenelement mit spezieller Ausführung für GelenkeFacet element with special design for joints
115115: spezielle Ausführung eines Facettenelementsspecial design of a faceted element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1364755 B1 [0003]
US 2003/0223844 A1 [0003]
WO 2011/127421 A1 [0006]
WO 002014151065 A2 [0007]

Claims

Device for supporting and relieving musculoskeletal human structures at least on a body part of a person with a structure which can be adapted to the user and task and which can be temporarily coupled to the user and switched, comprising: Faceted elements of different geometries and materials, Connecting elements of different types, sensors, Actuators and Control unit which are completely integrated in a clothing, or can be connected to this.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it has a modular architecture and can be constructed specifically from the modules according to claim 1 and can also be converted when changing the requirements.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the device of at least one facet element, which is designed for specific stiffening of at least a portion of the human body, which is modeled on the human degrees of freedom, or not, but is at least designed so that it is adapted to the anatomical characteristics of at least the area of the person to be assisted and / or to transmit the forces around body areas to be supported and / or to transmit and / or absorb the forces of loaded body areas to the device and from the device to other body areas ,

Apparatus according to claim 1 and 3, characterized in that it consists of at least one, but in particular of a plurality, selectively arranged the same and / or different facet elements, which are arranged serially and / or parallel in at least one layer to deliberately overflowed forces one and / or several identical and / or different force paths, which can be switched individually and / or separately, redirect.

Facet elements according to claim 1, 3 and 4, wherein these are configured with different shapes and different materials and have the possible interfaces to the connecting elements and / or to further serially and / or parallel arranged facet elements and / or facet elements of other layers.

Facet elements according to claim 5, which may be designed as passive or active elements, d. H. in the passive case have a fixed form and retain it and, in the active case, at least one option for adapting the form.

Device according to claims 1 to 5, characterized in that it is designed so that it at least one control option in the form of at least one switch for agreeing to at least individual control of the facet elements and connecting elements for targeted power diversion or at least one sensor, the data for loading human body areas which are processed in the controller to control facet elements and connectors accordingly.

A device according to claim 1, characterized in that the facet elements are connected to each other directly or indirectly with connecting elements to ensure the relative arrangement and make passive and / or active with interfaces and / or connecting elements with at least one property, these either is determined (eg fixed distance) and / or offers an adaptation possibility (eg length variability).

Apparatus according to claim 1, characterized in that at least one connecting element and / or facet element is equipped with an actuator to the property of the device as the distance between the facet elements and / or the shape of the facet element and / or the hardness of the facet element active preventive or Operatively adjusted to modify load cases.

Apparatus according to claim 1, characterized in that it is designed for targeted and switchable stabilization and stiffening of at least one soft or elastic technical or biomechanical structure and / or of technical or biomechanical elements.

Connecting elements according to claim 9, characterized in that the connection between at least one facet element and / or a garment and / or another facet element is formed, and this describes at least one relative arrangement between the connected elements.

Device according to claim 1 with connecting elements according to claim 9 and 11, characterized in that it includes at least one connecting element with a constant and / or flexible and passively or actively adjustable length.

Connecting elements according to claim 12, characterized in that they are connected to an actuator, the actuating forces for targeted Actuate movements allow for change in length of the connecting elements.

Device according to claim 1, characterized in that at least one possibility for the integration of sensors for directly or indirectly measuring at least one load of a region of the human body is integrated in order to use the data thus acquired to selectively, ie load-dependent, control at least one facet element and / or or a connecting element and / or a Kraftumleitpfades to realize.

Device according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least one referencing element for defining a defined position between the device to the device carrier is present and characterized in that at least one locking element for securing the device, or at least one element of the device to the at least a body part of the wearer of the device is present.