-
Die Erfindung betrifft ein Exoskelett für eine Bedienperson zur lastaufnehmenden Unterstützung von Tätigkeiten mit mindestens einer Stützstruktur, die an einem Körperteil der Bedienperson, wie Beine, Arme, Rumpf oder Rücken der Bedienperson festlegbar oder festgelegt ist, und mit mindestens einer Betätigungseinheit, die mindestens ein Haltemittel, das unmittelbar oder mittelbar an der Stützstruktur und relativ zur Bedienperson ortsfest festlegbar oder festgelegt ist, die mindestens ein Betätigungselement, das mit einem Ende drehbar über einer Betätigungsanknüpfstelle am Haltemittel und mit einem entgegengesetzten Ende über eine Koppelstelle an einem eine Tätigkeit ausführenden Körperteil der Bedienperson festgelegt ist, und die mindestens ein Spannmittel umfasst, das zwischen einer Spannmittelanknüpfstelle des Haltemittels und dem Betätigungselement zumindest teilweise erstreckt angeordnet ist und das das Betätigungselement in eine Arbeitsstellung, in der wenigstens das Körperteil der Bedienperson zumindest teilweise entlastet ist, vorspannt.
-
Exoskelette sind beispielsweise bekannt im Bereich der Unterstützung von Bedienpersonen in der Industrie oder im medizinischen Bereich, um körperliche Arbeiten zu entlasten.
-
Insbesondere im Bereich der Montage, bei der schwere Lasten aufgehoben und getragen werden müssen, oder bei der über einen längeren Zeitraum für die menschliche Muskulatur ungewohnte Körperhaltungen und/oder Tätigkeiten über der Schulter durchgeführt werden müssen, haben sich Exoskelette bewährt, um die Arbeit der Bedienpersonen zu erleichtern.
-
Ein eingangs genanntes Exoskelett ist beispielsweise bekannt aus
WO2014/195373 , bei dem die Tätigkeit durch Aktivieren eines Betätigungselements durch die Bedienperson ausgeführt wird.
-
Bei einem derartigen sogenannten aktiven Exoskelett ist das Exoskelett entweder mit einer externen Energiequelle verbunden, was die Bewegungsreichweite des Bedieners einschränkt, oder an dem Exoskelett ist ein Energiereservoir, das rucksackartig von der Bedienperson getragen wird, vorgesehen, was das Gewicht des Exoskeletts erhöht. Beides führt zu einem reduzierten Tragekomfort durch die Bedienperson.
-
Weiter sind sogenannte passive Exoskelette bekannt, bei denen verbaute Unterstützungsmittel, wie Federn oder Dämpfer, eine Vorspannung in die Arbeitsstellung aufweisen. Bei derartigen passiven Exoskeletten hat es sich als nachteilig erwiesen, dass ein Bediener entgegen der passiven Unterstützungsmittel arbeiten muss, wenn er die jeweilige Arbeitsstellung verlassen möchte.
-
Eine Aufgabe eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist, eine alternative zweckmäßige Ausgestaltung des Exoskeletts vorzuschlagen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein eingangs genanntes Exoskelett gelöst, das mindestens eine Einstelleinrichtung umfasst, durch die ein Abstand zwischen der Betätigungsanknüpfstelle und der Spannmittelanknüpfstelle des Haltemittels einstellbar ist und/oder durch die die Vorspannung des Spannmittels einstellbar ist.
-
Bei dem Exoskelett kann es sich um ein so genanntes passives Exoskelett handeln. Solchenfalls erfolgt die lastaufnehmende Unterstützung durch das Exoskelett nicht durch einen zu aktivierenden Antrieb, sondern durch die physikalischen Eigenschaften der im Exoskelett verbauten Elemente.
-
Unter einer Tätigkeit der Bedienperson wird beispielsweise ein Heben, Halten und/oder Tragen von Lasten oder dergleichen verstanden.
-
Bei einem Körperteil der Bedienperson kann es sich beispielsweise um den Rücken, um Arme, Beine oder dergleichen handeln.
-
Das Haltemittel bildet zwischen Betätigungsanknüpfstelle, an der das Betätigungselement anliegt, und der Spannmittelanknüpfstelle einen Hebelarm, um den das Betätigungselement drehbar ist. Durch das Vorsehen einer Einstelleinrichtung, durch die der Abstand zwischen der Betätigungsanknüpfstelle und der Spannmittelanknüpfstelle des Haltemittels einstellbar ist, ist der Hebelarm des Systems Haltemittel, Betätigungselement und Spannmittel einstellbar. Hierdurch kann auf einfache Weise die durch das Betätigungselement auf die Bedienperson übertragbare Unterstützungskraft eingestellt werden.
-
Dadurch, dass die Vorspannung des Spannmittels einstellbar ist, kann ebenfalls auf einfache Weise die durch das Exoskeletts zur Verfügung gestellte Unterstützungskraft verstellt werden.
-
Durch jede von beiden Maßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander ist es der Bedienperson möglich, die durch das Exoskelett erfahrene Unterstützungskraft auszuschalten oder zumindest zu reduzieren, wodurch die Bedienperson wieder frei in Ihrer Bewegung ist.
-
Das Einstellen des Abstands zwischen der Betätigungsanknüpfstelle und der Spannmittelanknüpfstelle kann grundsätzlich beliebig erfolgen. Der Abstand lässt sich auf einfache Weise einstellen, wenn das Haltemittel zwischen der Betätigungsanknüpfstelle und der Spannmittelanknüpfstelle ein Gelenk umfasst, durch das ein die Betätigungsanknüpfstelle umfassender erster Abschnitt bezüglich eines die Spannmittelanknüpfstelle umfassenden zweiten Abschnitts drehbar oder verschwenkbar ist und/oder wenn der die Betätigungsanknüpfstelle umfassende erste Abschnitt bezüglich des die Spannmittelanknüpfstelle umfassenden zweiten Abschnitts teleskopierbar ist.
-
Das Einstellen des Abstands lässt sich auf einfache Weise realisieren, wenn die Einstelleinrichtung mindestens ein mechanisch, elektrisch und/oder pneumatisch betreibbares Positionierungsmittel umfasst, durch das der erste Halteabschnitt bezüglich des zweiten Halteabschnitts drehbar oder verschwenkbar, bzw. teleskopierbar ist.
-
Wenn das Positionierungsmittel mechanisch betreibbar ist, kann es beispielsweise ein Federelement umfassen. Wenn das Positionierungsmittel elektrisch betreibbar ist, kann es beispielsweise ein Formgedächtniselement umfassen. Wenn das Positionierungsmittel pneumatisch betreibbar ist, können der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Haltemittels einen gemeinsamen Hohlraum umfassen. In Abhängigkeit des durch das Positionierungsmittel einstellbaren Drucks sind die beiden Abschnitte hierdurch relativ zueinander verfahrbar.
-
Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Einstelleinrichtung mindestens eine Einstelleinheit umfasst durch die eine zwischen Haltemittel und Betätigungselement wirkende Unterstützungskraft oder Charakteristik einstellbar ist.
-
In Weiterbildung letztgenannter Ausführungsform kann das Spannmittel eine Gasdruckfeder oder einen pneumatischen Zylinder umfassen. Die Einstelleinheit umfasst solchenfalls zweckmäßigerweise einen Druckregler.
-
Alternativ oder in Ergänzung zu letztgenannter Ausführungsform erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Spannmittel eine Zug- oder Druckfeder oder einen Dämpfer umfasst und wenn die Einstelleinheit ein draht- oder streifenartiges Stellelement umfasst, das zwischen dem Spannmittel und der Spannmittelanknüpfstelle des Haltemittels erstreckt ist und dessen Erstreckung durch ein Stellmittel erweiterbar oder reduzierbar ist.
-
Solchenfalls kann die Zug- oder Druckfeder ein einfaches mechanisches Element umfassen. Das durch das Stellmittel bezüglich seiner Erstreckung erweiterbare oder reduzierbare Stellelement kann beispielsweise einen Draht oder ein Formgedächtniselement umfassen. Umfasst das Stellelement ein Formgedächtniselement, so lässt es sich auf einfache Weise durch Bestromen erweitern oder reduzieren.
-
Das Stellelement und das Spannmittel sind miteinander in Reihe angeordnet. Solchenfalls führt ein Verkürzen des Stellelements, das einerseits über die Spannmittelanknüpfstelle mit dem Haltemittel verbunden ist und andererseits unmittelbar oder mittelbar mit dem Spannmittel verbunden ist, zu einem Erhöhen der Spannung des Spannmittels. Das Spannmittel kann beispielsweise eine Feder oder einen Dämpfer umfassen. Umfasst das Spannmittel eine Feder, so führt ein Verkürzen des Stellelements zu einem Erhöhen der Vorspannung durch das Spannmittel.
-
Umgekehrt führt ein Erweitern der Erstreckung des Stellelements zu einem Reduzieren der Unterstützungskraft durch das Spannmittel.
-
Dies erweist sich insofern als vorteilhaft, wenn die Bedienperson mit ihrer Arbeit in der Arbeitsstellung fertig ist und das Körperteil in die Ruheposition zurückführen möchte. Durch Erweitern der Erstreckung des Stellelements lässt sich solchenfalls auf einfache Weise die Vorspannung des Spannmittels reduzieren.
-
Bei einer Ausführungsform des Exoskeletts erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Stellmittel einen mechanisch, elektrisch oder pneumatisch angetriebenen drehbaren Trommelkörper mit runden, elliptischen oder nockenartigen Querschnitt umfasst, auf dem das Stellelement zumindest abschnittsweise aufwickelbar ist, wobei das Stellelement mit einem Ende an der Spannmittelanknüpfstelle und mit dem anderen Ende an dem Spannmittel festgelegt ist.
-
Durch das Wählen eines unterschiedlichen Querschnitts lässt sich eine so genannte Unterstützungscharakteristik der Vorspannung durch das Spannmittel einstellen. Umfasst der Trommelkörper, auf dem das Stellelement aufwickelbar ist, einen runden Querschnitt, so führt ein Drehen des Trommelkörpers zu einem proportionalen Abnehmen oder Zunehmen der Unterstützungskraft durch das Spannmittel.
-
Umfasst der Trommelkörper einen elliptischen oder nockenartigen Querschnitt, so ist die Zunahme der Unterstützungskraft beim Drehen des Trommelkörpers nicht mehr proportional.
-
Darüber hinaus lässt sich die Unterstützungskraft weiter erhöhen, wenn die Stützstruktur und/oder das Spannmittel der Betätigungseinheit mindestens ein Federelement, wie Zug- oder Druckfeder, oder mindestens eine Rotationsfeder aufweist und wenn die Einstelleinrichtung mindestens ein zylinderförmiges erstes Sperrmittel umfasst, das innerhalb des Federelements oder der Rotationsfeder erstreckt angeordnet und pneumatisch oder hydraulisch bezüglich seiner Erstreckung veränderbar ist, das in einer ersten Funktionsstellen eine Bewegung des Federelements und/oder der Rotationsfeder freigibt und das in einer zweiten Funktionsstellung, in der die Erstreckung des ersten Sperrmittels bezüglich der ersten Funktionsstellung reduziert ist, das Federelement und/oder die Rotationsfeder gegen eine Bewegung festlegt.
-
Solchenfalls ist das Spannmittel durch das erste Sperrmittel in der zweiten Funktionsstellung gegen eine Bewegung einklemmbar.
-
Ferner lässt sich die Unterstützungskraft weiter erhöhen, wenn die Stützstruktur und/oder das Spannmittel der Betätigungseinheit mindestens ein Federelement, wie Zug- oder Druckfeder, oder mindestens eine Rotationsfeder aufweist und dass die Einstelleinrichtung mindestens ein schlauchförmiges zweites Sperrmittel umfasst, das in einer drucklosen ersten Funktionsstellung eine Bewegung des Federelements und/oder der Rotationsfeder freigibt und das in einer druckbeaufschlagten zweiten Funktionsstellung das Federelement und/oder die Rotationsfeder gegen eine Bewegung festlegt.
-
Durch Vorsehen eines zweiten schlauchförmigen Sperrmittels kann das Spannmittel gegen ein Expandieren oder ein Zusammenziehen blockiert werden.
-
Wenn das schlauchförmige Sperrmittel, beispielsweise abschnittsweise, in den Zwischenräumen des Federelements oder der Rotationsfeder angeordnet ist, kann es ein Stauchen dieses Abschnitts blockieren, wenn dieser mit Druck beaufschlagt ist.
-
Wenn das schlauchförmige Sperrmittel sich beispielsweise entlang der Achse des Federelements oder der Rotationsfeder erstreckt, kann es ein Zusammenziehen oder Drehen des Federelements blockieren, wenn es mit Druck beaufschlagt ist.
-
Hierdurch lässt sich auf einfache Weise die Federkonstante des als Federelement oder als Rotationsfeder ausgebildeten Spannmittels einstellen.
-
Sowohl das Zusammenwirken zwischen dem Federelement und dem zweiten Sperrmittel als auch das Zusammenwirken der Rotationsfeder mit dem zweiten Sperrmittel, bilden eine Art künstlichen Muskel oder eine künstliche Bandscheibe.
-
Durch das Vorsehen eines zweiten Sperrmittels, das zusammen mit einer Rotationsfeder der Stützstruktur zusammenwirkt, lässt sich eine künstliche Bandscheibe erzeugen. Hierdurch lässt sich auf einfache Weise die Steifigkeit der Stützstruktur einstellen. Ist das zweite Sperrmittel in der zweiten Funktionsstellung, ist die Stützstruktur gegen eine Rotation festgelegt. Die Stützstruktur ist dann steif.
-
Ist das zweite Sperrmittel in der ersten Funktionsstellung, ist die Stützstruktur für eine Rotation freigegeben.
-
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn das Exoskelett mindestens ein netzartiges Begrenzungsmittel umfasst, das das Spannmittel und das zweite Sperrmittel zumindest nahezu in Gänze umgibt und das ein Ausdehnen des Sperrmittels begrenzt.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn das Exoskelett mindestens ein automatisch oder manuell betätigbares Schaltmittel zum Betätigen der Einstelleinrichtung und/oder mindestens ein Sensormittel zum automatischen Betätigen des Schaltmittels umfasst.
-
Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Einstelleinrichtung durch ein manuell betätigbares Schaltmittel betätigbar ist. Dies erweist sich insbesondere dann als zweckmäßig, wenn die Bedienperson einen Arm, beziehungsweise eine Hand frei zur Verfügung hat.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, dass die Einstelleinrichtung automatisch betätigbar ist und dass das Exoskelett ein Sensormittel zum automatischen Betätigen des Schaltmittels umfasst, wenn die Bedienperson, beispielsweise keine Hand zur freien Verfügung hat. Solchenfalls kann das Sensormittel ein akustisches oder optisches Sensormittel zum Erfassen von Sprache oder Gesten umfassen.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des Exoskeletts.
-
In der Zeichnung zeigt:
- 1 Eine Seitenansicht auf ein an einer Bedienperson festgelegtes Exoskelett;
- 2 Eine schematische Seitenansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Stellmittels einer Betätigungseinheit des Exoskeletts;
- 3 Eine schematische seitliche Detailansicht auf das erste Ausführungsbeispiel gemäß 2;
- 4 Eine schematische Seitenansicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des Stellmittels der Betätigungseinheit des Exoskeletts;
- 5 Eine schematische Seitenansicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel des Stellmittels der Betätigungseinheit des Exoskeletts;
- 6 Eine perspektivische Ansicht auf ein erstes Ausführungsbeispiels einer Stützstruktur des Exoskeletts;
- 7 Eine perspektivische Ansicht auf ein zweites Ausführungsbeispiels einer Stützstruktur des Exoskeletts.
-
1 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 versehenes Exoskelett für eine Bedienperson 4. Das Exoskelett 2 unterstützt die Bedienperson 4 bei lastaufnehmenden Tätigkeiten, wie beispielsweise dem Tragen, Halten oder Heben von Gegenständen.
-
Das Exoskelett 2 umfasst hierzu eine Stützstruktur 6, die an einem Rumpf oder Rücken der Bedienperson 4 festgelegt ist. Darüber hinaus umfasst das Exoskelett 2 eine Betätigungseinheit 8. Die Betätigungseinheit 8 umfasst ein Haltemittel 10, das an der Stützstruktur 6 und relativ zum Bediener 4 ortsfest festgelegt ist. Darüber hinaus umfasst die Betätigungseinheit 8 ein Betätigungselement 12, das mit einem Ende drehbar über eine Betätigungsanknüpfstelle 14 am Haltemittel 10 festgelegt ist. Mit einem dem Haltemittel 10 entgegengesetzten Ende ist das Betätigungselement 12 über eine Koppelstelle 16 an einem eine Tätigkeit ausführenden Körperteil 18 der Bedienperson 4 festgelegt.
-
Darüber hinaus umfasst die Betätigungseinheit 8 ein Spannmittel 20, das zwischen einer Spannmittelanknüpfstelle 22 des Haltemittels 10 und dem Betätigungselement 12 teilweise erstreckt angeordnet ist (in 1 nicht ersichtlich). Das Spannmittel 20 spannt das Betätigungselement 12 in eine Arbeitsstellung vor, in der wenigstens das Körperteil 18 der Bedienperson 4 zumindest teilweise entlastet ist.
-
Darüber hinaus umfasst das Exoskelett 2 mindestens eine Einstelleinrichtung 24, durch die ein Abstand zwischen der Betätigungsanknüpfstelle 14 und der Spannmittelanknüpfstelle 22 das Haltemittel 10 einstellbar ist. Durch die Einstelleinrichtung 24 ist die Vorspannung des Spannmittels 20 einstellbar.
-
2 zeigt die Betätigungseinheit 8 in einer Grundstellung (Arm in Bildebene unten) und der Arbeitsstellung (Arm in Bildebene oben).
-
3 zeigt eine Detailansicht der Betätigungseinheit 8 gemäß 2. Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Exoskeletts 2 umfasst die Einstelleinrichtung 24, ein drahtartiges Stellelement 26, das einerseits an dem Spannmittel 20 und andererseits an der Spannmittelanknüpfungsstelle 22 des Haltemittels 10 festgelegt ist.
-
Darüber hinaus ist das Stellelement 26 auf einem als Trommelkörper 28 ausgebildeten Stellmittel 30 zumindest abschnittsweise aufgewickelt. Das als Trommelkörper 28 ausgebildete Stellmittel 30 umfasst bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einen runden Querschnitt. Das Stellmittel 30 ist um eine Achse 32 rotierbar, wobei durch Drehen des Stellmittels 30 das Stellelement 26 aufgerollt oder abgerollt wird.
-
Im Folgenden wird kurz die Wirkungsweise der in 3 ersichtlichen Einstelleinrichtung 24 erläutert:
-
Beim Betätigen des Stellmittels 30, dreht sich dieses um die Drehachse 32. Dabei wird das Stellelement 26 aufgewickelt und die Gesamterstreckung des Stellelements 26 reduziert sich. Das Spannmittel 20 wird hierdurch gespannt, wodurch sich die Vorspannung der Betätigungseinheit 8 in Richtung Arbeitsstellung erhöht.
-
Eine Bedienperson 4 kann solchenfalls durch Unterstützung des Exoskeletts 2 in der Arbeitsstellung derart arbeiten, dass die zum Arbeiten benötigten Körperteile 18 durch das Exoskelett 2 entlastet sind.
-
Ist die Bedienperson 4 mit der zu verrichtenden Tätigkeit fertig, kann das Stellmittel 30 derart gedreht werden, dass das Stellelement 26 bezüglich seiner Erstreckung erweitert wird. Durch Erweitern der Erstreckung des Stellelements 26 wird die Unterstützungskraft durch das Spannmittel 20 reduziert. Hierdurch ist es der Bedienperson 4 ermöglicht, das Körperteil 18 in eine Ruheposition zurückzuführen, ohne gegen die Unterstützungskraft des Spannmittels 20 arbeiten zu müssen.
-
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des als Trommelkörper 28 ausgebildeten Stellelements 30. Hierbei umfasst der Querschnitt des Stellmittels 30 eine Ellipsenform.
-
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Stellmittels 30, bei dem der Querschnitt des Trommelkörpers 28 nockenartig ausgebildet ist.
-
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Stützstruktur 6 des Exoskeletts 2. Die Stützstruktur 6 kann beispielsweise an einem Rücken der Bedienperson 4 angeordnet sein. Die Stützstruktur 6 umfasst eine Rotationsfeder 34, in der ein zylinderförmiges erstes Sperrmittel 38 der Einstelleinrichtung 24 angeordnet ist. Das erste Sperrmittel 38 ist bezüglich seiner Erstreckung pneumatisch oder hydraulisch veränderbar. Wird die Erstreckung des ersten Sperrmittels 38 reduziert, klemmt das erste Sperrmittel 38 die Rotationsfeder 34 ein und erhöht dadurch die Steifigkeit der Stützstruktur 6.
-
7 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Stützstruktur 6 des Exoskeletts 2. Die Stützstruktur 6 umfasst ein schlauchförmiges zweites Sperrmittel 36 der Einstelleinrichtung 24, das zwischen den Windungen einer Rotationsfeder 34 anordenbar und mit Druck beaufschlagbar ist. In einem drucklosen Zustand ist hierdurch die Rotationsfeder 34 der Stützstruktur 6 für eine Bewegung, beispielsweise eine Rotation, freigegeben. Ist das zweite Sperrmittel 36 mit Druck beaufschlagt, ist die Rotationsfeder 34 gegen ein Bewegen festgelegt.
-
Um eine Ausdehnung des zweiten Sperrmittels 36 zu begrenzen, umfasst die Einstelleinrichtung 24 ein netzartiges Begrenzungsmittel 40, das die Rotationsfeder 34 und das zweite Sperrmittel 36 umgibt.
-
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Ansprüchen sowie in der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung, können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination in der Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Exoskelett
- 4
- Bedienperson
- 6
- Stützstruktur
- 8
- Betätigungseinheit
- 10
- Haltemittel
- 12
- Betätigungselement
- 14
- Betätigungsanknüpfstelle
- 16
- Koppelstelle
- 18
- Körperteil
- 20
- Spannmittel
- 22
- Spannmittelanknüpfstelle
- 24
- Einstelleinrichtung
- 26
- Stellelement
- 28
- Trommelkörper
- 30
- Stellmittel
- 32
- Drehachse
- 34
- Rotationsfeder
- 36
- Zweites Sperrmittel
- 38
- Erstes Sperrmittel
- 40
- Begrenzungsmittel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
