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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterstützen wenigstens eines Armes eines Benutzers, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Grundkörper zum Anordnen an einen Rumpf des Benutzers, wenigstens eine Stützeinrichtung zum Stützen des Armes, die um eine Schwenkachse relativ zu dem Grundkörper schwenkbar ist, wenigstens einen passiven Aktuator und wenigstens eine Kraftübertragungseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, eine Kraft von dem passiven Aktuator auf die Stützeinrichtung zu übertragen. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
WO 2014/093408 A2 bekannt.
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Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise für Benutzer verwendet, die mit erhobenen Armen arbeiten müssen, da sie beispielsweise Überkopf-Arbeiten ausführen müssen. Der Grundkörper, der beispielsweise in Form von Gurten und/oder Platten ausgebildet sein kann, wird am Rumpf des Benutzers angeordnet. Die Stützeinrichtung stützt in aller Regel den Oberarm des Benutzers und ist an dem Grundkörper schwenkbar angeordnet, um einer Bewegung des Schultergelenkes folgen zu können. Über die Kraftübertragungseinrichtung wird eine Kraft auf die Stützeinrichtung aufgebracht, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Dadurch wird das Arbeiten über Kopf mit ausgestreckten Armen für den Benutzer der Vorrichtung erleichtert, da er nicht aus reiner Muskelkraft die Wirkung der Schwerkraft überwinden muss. In der
WO 2014/093408 A2 und der
US 9,427,865 B2 ist als mechanischer Energiespeicher jeweils eine Feder, insbesondere eine Zugfeder vorgesehen. Diese ist mit einem Bowdenzug, der die Kraftübertragungseinrichtung bildet, verbunden. Der Bowdenzug wird über wenigstens eine Umlenkrolle geführt, so dass beim Verschwenken des Armes, die eine Bewegung der Stützeinrichtung relativ zum Grundkörper bedeutet, die Feder gedehnt und somit der mechanische Energiespeicher mit Energie aufgeladen, oder die Feder gestaucht und somit der Energiespeicher des Aktuators entladen werden kann.
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Nachteilig ist jedoch, dass trotz der auf den Arm des Benutzers ausgeübten, der Gewichtskraft entgegenwirkenden Kraft noch immer relativ große Anstrengungen für den Benutzer notwendig sind, insbesondere dann, wenn schnelle und/oder kurze Bewegungen ausgeführt werden sollen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu mildern oder gänzlich zu beheben.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich dadurch auszeichnet, dass der passive Aktuator an dem Grundkörper angeordnet ist. In den zitierten Dokumenten aus dem Stand der Technik ist die Zug- oder Druckfeder, die den Energiespeicher des Aktuators bildet, an der Stützeinrichtung und damit in der Nähe des Armes angeordnet. Dies hat verschiedene Vorteile. Insbesondere kann die Kraftübertragungseinrichtung klein und die zu übertragene Strecke kurz ausgebildet sein. Der Erfindung liegt jedoch die Erkenntnis zugrunde, dass diese Ausgestaltung dazu führt, dass insbesondere kurze und/oder schnelle Bewegungen nur mit relativ großen Anstrengungen für den Benutzer ausführbar sind. Bei diesen Bewegungen muss der Arm nicht nur entgegen der wirkenden Schwerkraft gehalten werden, sondern insbesondere schnell und kurz beschleunigt und abgebremst werden. Während die Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ihr eigenes Gewicht selbst trägt und somit die Masse und das Gewicht der Vorrichtung unerheblich zu sein scheint, ist dies bei Bewegungen, die eine Beschleunigung des Armes benötigen, nicht mehr der Fall. Da der Teil der Vorrichtung, der mit dem Arm verbunden ist und somit die vom Arm auszuführende Bewegung ebenfalls vollführt, beschleunigt und abgebremst werden muss, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, diese Masse möglichst klein auszubilden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der passive Aktuator an dem Grundkörper angeordnet ist. Dieser befindet sich in aller Regel am Rumpf des Benutzers und muss somit bei einer schnell beschleunigten oder abgebremsten Bewegung des Armes nicht mitbeschleunigt oder abgebremst werden. Die beschleunigte Masse wird daher reduziert und die Bewegungen einfacher möglich. Ein passiver Aktuator im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere kein Motor. Die benötigte Energie wird durch den Benutzer oder Träger der Vorrichtung aufgebracht. In der Regel wird die Kraft, die auf die Stützeinrichtung aufgebracht wird, der Schwerkraft entgegenwirkend aufgebracht. Beim Anheben des Armes und der mit ihm verbundenen Stützeinrichtung wird folglich Energie aus einem Energiespeicher des passiven Aktuators entzogen. Bei der entgegengesetzten Bewegung, also dem Absenken des Armes geschieht dies gegen die aufgebrachte Kraft. Es wird Energie dem Energiespeicher des passiven Aktuators zugeführt. Für einen passiven Aktuator im Sinne der vorliegenden Erfindung ist dies die einzige Energiequelle, wenn man von einer einstellbaren Vorspannung des Energiespeicher des passiven Aktuators absieht.
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Vorzugsweise verfügt der passive Aktuator über wenigstens einen Energiespeicher, bevorzugt wenigstens einen mechanischen Energiespeicher. Dieser kann beispielsweise ein Federelement, einen Druckspeicher, ein pneumatisches und/oder hydraulisches System und/oder einen elektrischen Energiespeicher aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die der passive Aktuator über ein Getriebe, das derart ausgebildet ist, dass die auf die Stützeinrichtung übertragene Kraft von einem Winkel der Stützeinrichtung relativ zu dem Grundkörper abhängt. Auf diese Weise ist es möglich, einen winkelabhängigen Kraftverlauf der durch die Vorrichtung auf den Arm übertragenen Kraft zu erreichen. Der Winkel ist dabei vorzugsweise der Winkel zwischen der Längserstreckung des Armes, vorteilhafterweise des Oberarms, und beispielsweise einer horizontalen oder vertikalen Linie. Wird als Bezugsrichtung die vertikale Richtung, also die Richtung in der die Schwerkraft wirkt, gewählt, sollte vorzugsweise die größte Kraft auf den Arm ausgeübt werden, wenn dieser einen 90°-Winkel mit dieser Bezugslinie einnimmt. Der Arm ist dann horizontal vom Körper weggestreckt. Da zum Halten dieser Position vom Benutzer die größte Kraft aufgewendet werden muss, sofern er keine Vorrichtung trägt, ist es von Vorteil, bei diesem Winkel die maximale Kraft auf die Stützeinrichtung, die den Arm stützt, aufzubringen. Verringert oder erhöht sich der Winkel ist vom Benutzer nur eine geringere Kraft aufzuwenden, so dass er auch nur einer geringeren Unterstützung bedarf.
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Winkelabhängigkeit der aufgebrachten Kraft auch in Abhängigkeit der vom Benutzer der Vorrichtung auszuführenden Tätigkeit eingestellt werden. Verbringt der Benutzer beispielsweise einen Großteil der Zeit in einer bestimmten Haltung, also in einem bestimmten Winkel der Arme relativ zur Referenzlinie, kann es von Vorteil sein, für diesen Winkel die maximale aufgebrachte Kraft vorzusehen. Dies lässt sich einfach über eine Änderung in dem Getriebe des passiven Aktuators einstellen.
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Vorzugsweise verfügt die Kraftübertragungseinrichtung über wenigstens einen Bowdenzug, wenigstens eine hydraulische und/oder pneumatische Leitung, ein Lenkgestänge oder wenigstens eine sonstige Stange und/oder eine Seilzug, der vorzugsweise über wenigstens eine Umlenkrolle geführt ist. Das Getriebe verfügt vorzugsweise über wenigstens eine drehbar gelagerte Kurvenscheibe, über deren Umfang der Bowdenzug verläuft. Die Verwendung von Kurvenscheiben als Umlenkscheiben für einen Bowdenzug ist aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. In der Seitenfläche, also dem Rand, der jeweiligen Kurvenscheibe kann zu diesem Zweck eine Nut eingelassen sein, in der der Bowdenzug geführt wird. Die Kurvenscheibe kann rotationssymmetrisch, also kreisförmig ausgebildet sein. Dies ist jedoch nicht immer von Vorteil. Um einen winkelabhängigen Verlauf der aufgebrachten Kraft zu erreichen, kann die Kurvenscheibe auch eine nicht kreisförmige Kurvenscheibe sein. So sind beispielsweise ovale oder unregelmäßig geformte Kurvenscheiben möglich, um einen individuell an die jeweiligen Bedürfnisse des Benutzers angepassten Kraftverlaufs als Funktion des Winkels der Stützeinrichtung mit der Referenzlinie einzustellen.
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Unter eine Kurvenscheibe wird im Sinne der vorliegenden Erfindung auch ein Element verstanden, das nicht über einen festen, sondern über einen einstellbaren Umfang mit einer einstellbaren Umfangskontur verfügt. Die kann beispielsweise durch ein elastisches und/oder flexibles Element erreicht werden, das die Umfangskontur der Kurvenscheibe bildet und an mehreren Lagerstellen an Elementen der Kurvenscheibe gelagert ist. Dies können beispielsweise die Enden von Stangen oder Stiften sein, über die das elastische und/oder flexible Element geführt ist. Werden die Element der Kurvenscheibe relativ zueinander verschoben, ändert sich auch die Position der Lagerstellen relativ zueinander und damit auch die Umfangskontur der Kurvenscheibe.
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Eine Lagerposition, um die die Kurvenscheibe drehbar gelagert ist, ist besonders bevorzugt einstellbar, insbesondere verschiebbar. Auf diese Weise lässt sich selbst beim montierter orthopädietechnischer Vorrichtung und eingesetztem Getriebe der Kraftverlauf der aufgebrachten Kraft in Abhängigkeit des Winkels zwischen dem Arm oder der Stützeinrichtung zum Stützen des Armes und der Referenzlinie zumindest in einen bestimmten Bereich einstellen. Dazu kann beispielsweise die Lagerposition verändert werden, indem beispielsweise die Kurvenscheibe ein Langloch aufweist, durch das ein Befestigungsbolzen oder ein anderes Befestigungselement, beispielsweise eine Schraube, hindurchgeführt wird. Da es sich um ein Langloch handelt, ist auf diese Weise besonders einfach die Lagerposition veränderbar. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch die Kurvenscheibe um die Lagerposition herum verdreht werden, um den Kraftverlauf der auf die Stützeinrichtung aufgebrachten Kraft zu verändern. Zusätzlich können Umlenkrollen vorhanden sein, die den Bowdenzug umlenken. Auch ihre Position, Größe und/oder geometrische Form kann geändert und angepasst werden, um den Kraftverlauf anzupassen.
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Vorteilhafterweise verfügt die Kraftübertragungseinrichtung über wenigstens eine Hydraulikleitung und/oder wenigstens eine Pneumatikleitung. Auch diese können als Kraftübertragungseinrichtung verwendet werden.
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Unter einem mechanischen Energiespeicher wird vorliegend insbesondere ein mechanisches Federelement verstanden. Dabei kann es sich um eine Druckfeder, eine Zugfeder oder eine andere Feder aus einem geeigneten Federmaterial, beispielsweise einem Federstahl oder Karbon handeln. Als mechanische Energiespeicher werden insbesondere auch Druckspeicher verstanden. So kann beispielsweise in einer pneumatischen Druckkammer mechanische Energie in Form des Druckes gespeichert werden. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt daran, dass keine Motoren benötigt werden oder extern Energie zugeführt werden muss. Es ist insbesondere nicht nötig, elektrische Energie beispielsweise in Form von Batterien oder Akkumulatoren oder Brennstoffe zum Antrieb eines Motors bereitzuhalten und gegebenenfalls nachzufüllen. Vielmehr hat ein mechanischer Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung den Vorteil, bei einer Schwenkbewegung der Stützeinrichtung relativ zum Grundkörper in eine erste Richtung mit Energie aufgeladen zu werden, die er bei einer Bewegung des Stützelementes relativ zum Grundkörper in die entgegengesetzte Richtung wieder abgibt. Vorteilhafterweise wird beim Absenken des Armes des Benutzers die Stützeinrichtung gegen die von der Kraftübertragungseinrichtung übertragene und vom mechanischen Energiespeicher aufgebrachte Kraft verschwenkt, so dass mechanische Energie in den mechanischen Energiespeicher gespeichert wird. Beim Anheben des Armes wird hingegen der aufgebrachten Kraft nachgegeben, so dass zumindest ein Teil der im mechanischen Energiespeicher gespeicherten mechanischen Energie abgegeben werden kann.
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Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine Vorspannung des mechanischen Energiespeichers einstellbar ist. Vorzugsweise verfügt der mechanische Energiespeicher über wenigstens ein Federelement, beispielsweise eine Druckfeder und/oder eine Zugfeder. In diesem Fall kann beispielsweise durch eine Einstelleinrichtung, beispielsweise eine Einstellschraube, die Vorspannung des mechanischen Energiespeichers einfach dadurch geändert werden, dass die Vorspannung des jeweiligen Federelementes angepasst und geändert wird. Dadurch kann zwar nicht die Winkelabhängigkeit der aufgebrachten Kraft, die auf die Stützeinrichtung aufgebracht wird, geändert werden, aber die aufgebrachte Kraft kann insgesamt vergrößert oder verkleinert werden, je nachdem ob die Vorspannung des mechanischen Energiespeichers erhöht oder verringert wird.
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Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über zwei Stützeinrichtungen zum Stützen jeweils eines Armes. Dabei hat sie vorteilhafterweise zwei passive Aktuatoren und zwei Kraftübertragungseinrichtungen, so dass jeder Arm separat gestützt und mit einer individuellen Kraft beaufschlagt werden kann. Die Kraftverläufe der auf die beiden Stützeinrichtungen aufgebrachten Kräfte können dabei für beide Arme identischen oder unterschiedlich ausgebildet sein. Letzteres ist insbesondere dann von Vorteil, wenn beispielsweise mit nur einer Hand besonders anstrengende und kraftraubende Tätigkeiten durchgeführt werden, während die zweite Hand beispielsweise nur zum Halten eines Werkzeuges oder zum Anreichen eines Gegenstandes verwendet wird. In diesem Fall könnte eine zu große aufgebrachte Kraft als unangenehm empfunden werden.
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Vorzugsweise ist der passive Aktuator derart ausgestaltet, dass die auf die Stützeinrichtung übertragene Kraft von einer Richtung abhängt, in der sich die Stützeinrichtung relativ zu dem Grundkörper bewegt. Zusätzlich hängt die Kraft vorzugsweise auch von dem bereits beschriebenen Winkel der Stützeinrichtung relativ zu dem Grundkörper ab. In aller Regel ist der Bewegungsbereich, in dem die Stützeinrichtung relativ zu dem Grundkörper bewegbar ist, begrenzt und weißt eine erste Endposition und eine zweite Endposition auf. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Energiemenge, die bei einer Bewegung von der ersten Endposition zu der zweiten Endposition aus dem Energiespeicher des passiven Aktuators entnommen wird, der Energiemenge entspricht, die bei der umgekehrten Bewegung dem Energiespeicher zugeführt wird.
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Vorzugsweise wird nur die Bewegung um eine Schwenkachse, die vorzugsweise eine Achse eines Gelenkes der Vorrichtung ist, durch die aufgebrachte Kraft unterstützt. Bewegungen um andere Schwenkachsen oder sonstige Bewegungen bleiben vorzugsweise unbeeinflusst.
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Mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
- 1 - die schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht,
- 2 - die Vorrichtung aus 1 in einer rückseitigen Ansicht,
- 3 - die Vorrichtung aus den 1 und 2 in einer dreidimensionalen Ansicht,
- 4 - die schematische Darstellung eines Teils einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 5 - eine weitere schematische Darstellung und
- 6 - eine Darstellung der Vorrichtung im getragenen Zustand.
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1 zeigt eine orthopädietechnische Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie verfügt über einen Grundkörper 2, der im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Rückenelement 4, einen Beckengurt 6 sowie einen Schultergurt 8 aufweist. Über jeweils ein Gelenk 10 ist ein Teleskoparm 12 mit dem Grundkörper 2 verbunden. Dieser ist durch das Gelenk 10 nach oben und unten schwenkbar ausgebildet. Der Teleskoparm 12 ist Teil der Stützeinrichtung, die zum Stützen des Armes vorgesehen ist. Dazu werden an die Teleskoparme 12 jeweils Stützschalen oder andere Elemente angebracht, die zumindest einen Teil eines Armes des Trägers umfassen und so eine Kraft, die auf den Teleskoparm 12 aufgebracht wird, auf den Arm übertragen.
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Ein Teil des Rückenelementes 4 ist als Federgehäuse 14 ausgebildet, in dem sich der mechanische Energiespeicher des passiven Aktuators befindet, der in 1 nicht dargestellt ist. Im oberen Teil des Rückenelementes 4 befindet sich eine Kraftübertragungseinrichtung 16, durch die eine Kraft von dem mechanischen Energiespeicher beispielsweise über einen Bowdenzug auf eine Umlenkrolle 18 übertragen werden kann, wo die linear wirkende Kraft in ein Drehmoment umgewandelt wird, das auf den Teleskoparm 12 wirkt. Der Bowdenzug ist an der dafür vorgesehenen Befestigungsstelle 20 befestigt.
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2 zeigt die Vorrichtung aus 1 in einer rückseitigen Ansicht. Man erkennt zwei Kraftübertragungseinrichtungen 16, zwei Teleskoparme 12 sowie zwei Gelenke 10, um die der Teleskoparm 12 relativ zum Grundkörper 2 schwenkbar ausgebildet ist. Die beiden Federgehäuse 14 sind nebeneinander angeordnet. In ihnen befindet sich jeweils ein mechanischer Energiespeicher. Über im unteren Bereich des Federgehäuses 14 angeordnete Einstellschrauben 22 lässt sich die Vorspannung eines mechanischen Energiespeichers, der sich innerhalb des Federgehäuses 14 befindet, einstellen.
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3 zeigt die Vorrichtung in einer dreidimensionalen Ansicht von schräg oben. Man erkennt besonders gut die Umlenkrollen 18, die eine über die Kraftübertragungseinrichtungen 16 übertragene Kraft in ein Drehmoment umwandeln, das auf jeweils einen der Teleskoparme 12 wirkt.
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4 zeigt schematisch Elemente, die sich innerhalb des Rückenelementes 4 befinden. Im unteren Bereich sind die beiden Einstellschrauben 22 dargestellt, die über Hakenelemente 24 in ein unteres Ende einer Zugfeder 26 eingreifen. Diese Zugfeder 26 bildet vorliegend den mechanischen Energiespeicher.
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Am oberen Ende der jeweiligen Zugfeder 26 befindet sich eine Öse 28, an der ein erstes Ende eines Bowdenzugs 30 befestigt ist. Dieser wird über eine Umlenkrolle 32 zu einem Getriebe 34 geführt, das aus einer ersten Kurvenscheibe 36 und einer zweiten Kurvenscheibe 38 besteht. Beide sind rotationsfest an der gleichen Welle 40 gelagert. Man erkennt, dass die zweite Kurvenscheibe 38 nicht kreisförmig, sondern im gezeigten Ausführungsbeispiel oval ausgebildet ist. Dadurch wird die bei der Rotation der zweiten Kurvenscheibe 38 aufzuwendende oder freigesetzte Kraft vom Winkel dieser zweiten Kurvenscheibe 38 abhängig. Ein zweiter, nicht dargestellter Bowdenzug führt von der ersten Kurvenscheibe 36, die die Befestigungsstelle 20 zeigt, durch ein Führungselement 42 aus dem Rückenelement 4 heraus.
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Insbesondere innerhalb des in den 1 bis 3 gezeigten und in den 4 und 5 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigten Gehäuses verfügt der zweite Bowdenzug 46 über einen eigentlichen Bowdenzugdraht, der in einer Bowdenzughülle geführt ist. Dadurch wird das die Zugkraft übertragende Element, also der Bowdenzugdraht, geschützt. In den 1 bis 3 ist das Kraftübertragungselement 16 dargestellt, das als Bowdenzug ausgebildet sein kann. In diesem Fall ist in den genannten Figuren die Bowdenzughülle sichtbar und gezeigt. Das Führungselement 42 ist vorzugsweise als Klemmelement oder Befestigungselement für die Bowdenzughülle ausgebildet.
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5 zeigt die Darstellung aus 4 in einer Rückansicht. Eine Lagerposition 44, an der die erste Kurvenscheibe und die zweite Kurvenscheibe 38 gelagert sind, lässt sich vorteilhafterweise für die zweite Kurvenscheibe 38 verändern, so dass der Winkelverlauf der durch die jeweilige Zugfeder 26 aufgebrachten oder freigesetzten Kraft verändert werden kann. In 5 ist der zweite Bowdenzug 46 dargestellt, der zu der Umlenkrolle 18 am Gelenk 10 führt.
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In 6 ist die Vorrichtung 1 im getragenen Zustand dargestellt. Der Beckengurt 6 und die Schultergurte 8 umschließen die jeweiligen Körperteile des Benutzers und der Grundkörper 2 ist am Rücken des Benutzers angeordnet. Über das Gelenk 10 ist der Teleskoparm 12 angeordnet, an dem sich eine Armschale 48 befindet. Durch diese wird der Arm gestützt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Grundkörper
- 4
- Rückenelement
- 6
- Beckengurt
- 8
- Schultergurt
- 10
- Gelenk
- 12
- Teleskoparm
- 14
- Federgehäuse
- 16
- Kraftübertragungseinrichtung
- 18
- Umlenkrolle
- 20
- Befestigungsstelle
- 22
- Einstellschraube
- 24
- Hakenelement
- 26
- Zugfeder
- 28
- Öse
- 30
- Bowdenzug
- 32
- Umlenkrolle
- 34
- Getriebe
- 36
- erste Kurvenscheibe
- 38
- zweite Kurvenscheibe
- 40
- Welle
- 42
- Führungselement
- 44
- Lagerposition
- 46
- zweiter Bowdenzug
- 48
- Armschale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/093408 A2 [0001, 0002]
- US 9427865 B2 [0002]
