DE102017103265A1

DE102017103265A1 - Stationäres Ganzkörperexoskelett als haptische Schnittstelle mit druckregelbaren Kontaktflächen und neuartigem Handexoskelett

Info

Publication number: DE102017103265A1
Application number: DE102017103265.7A
Authority: DE
Inventors: Andre HERZOG; Frank Peters
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung gehört zum technischen Gebiet der haptischen Ganzkörperschnittstelle für Anwendungen bei der Telerobotik und der virtuellen Realität (engl. Virtual Reality) und stellt eine neue Bauform für stationäre Ganzkörperexoskelette dar.

Description

Die oben genannte Erfindung gehört zum technischen Gebiet der haptischen Ganzkörperschnittstelle für Anwendungen bei der Telerobotik und der virtuellen Realität (engl. Virtual Reality) und stellt eine neue Bauform für stationäre Ganzkörperexoskelette dar.
Die Erfindung stellt eine konstruktive Lösung dar zu den beschriebenen Verfahren in den Anmeldungen DE 10 2010 023 914 A1 und PCT/ USD2014/004735 sowie eine Erfindung zur Verbesserung der Auflösung des haptischen Feedbacks von bisherigen stationären Ganzkörperexoskeletten und ein Verfahren mit konstruktiver Lösung für die automatische Nutzeraufnahme mit simultaner Exoskelettkalibrierung.
Es wird außerdem ein neuartiges Handexoskelett vorgeschlagen.
Der bekannte Stand der Technik zeigt folgende Mängel auf:
Das der Erfindung zu Grunde liegende Problem (der Mangel) ist das Nicht-Vorhandensein eines geeigneten stationären Ganzkörperexoskelettes als haptische Schnittstelle mit örtlich aufgelöstem haptischen Feedback und einem Nutzeraufnahme- und Kalibrierungsvorgang mit angemessenem Zeitaufwand (unter 2 min).
Der Focus der technologischen Entwicklungen bei VR-Simulatoren liegt auf 3D-Brillen und Motion Capture Systemen, doch es gibt einen erwiesenen Mangel an technischen Lösungen für die unbegrenzte Fortbewegung in virtuellen Welten gepaart mit Force-Feedback. Erst durch die Patentanmeldung DE 10 2010 023 914 A1 und darauf aufbauend durch die PCT-Anmeldung PCT/ USD2014/004735 wurden Simulatoren vorgestellt, welche diesen Mangel beseitigen. Die vorgestellten technischen Realisierungen sind noch unzureichend.
Mangel 1 - Regelbares haptisches Feedback mit örtlicher Auflösung:
Es ist die Aufgabe einer haptischen Schnittstelle, die virtuellen Einflüsse am virtuellen Avatar für den Nutzer real spürbar zu machen. Über den physikalischen Mensch-Maschine-Kontakt ist das erreichbar. Bisherige Exoskelette realisieren den Mensch-Maschine-Kontakt über Spanngurte, Riemen oder gepolsterte Anschlagflächen. Deren funktioneller Sinn ist die mechanische Kopplung von Nutzer und Exoskelett, aber nicht ein regelbares Druckverhältnis zwischen Nutzer und Exoskelett. Bei Spanngurten und Riemen besteht weiterhin keine Möglichkeit zur exakten Positionierung.
In der Patentanmeldung DE 10 2010 023 914 A1 wird dazu kein Vorschlag gemacht. In der PCT-Anmeldung PCT/USD2014/004735 wird ein High-Tech-Anzug vorgeschlagen, welcher mittels taktilen Pin-Arrays das haptische Feedback erzeugt und sich am Exoskelett abstützen soll. Der Erfolg dieses Vorschlages ist aber fragwürdig, denn ein flexibler Anzug gibt bei Druckeinfluss nach, was zu einer Auswölbung des Anzuges an den Stellen mit Druckeinfluss auf den Nutzer führt. Die Funktionsfähigkeit dieses Prinzips muss erst noch bewiesen werden.
Mangel 2 - Schneller Nutzeraufnahmevorgang mit simultaner Exoskelettkalibrierung
Nutzer und Exoskelett müssen vor dem regulären Betrieb miteinander mechanisch verbunden werden. Dazu ist ein Vorgang notwendig, welcher exakt definiert ist. Zusätzlich muss das Exoskelett bei der Nutzeraufnahme kalibriert werden (anpassen an die Nutzerkörpermaße), wenn die Nutzermaße nicht schon vor der Nutzeraufnahme bekannt sind oder das Exoskelett auf die Nutzermaße noch nicht eingestellt ist.
In der Patentanmeldung DE 10 2010 023 914 A1 wird ein solcher Vorgang nicht beschrieben. In der PCT-Anmeldung PCT/ USD2014/004735 wird ein solcher Vorgang nicht beschrieben.
Das Exoskelett von ReWalk benötigt zur Nutzeraufnahme mit simultaner Kalibrierung 15 min und einen Helfer (Erfahrungsbericht des ReWalk-Teams).
Mangel 3 - Exoskelettaufbau für die Verwendung als haptische Schnittstelle mit regelbarem haptischen Feedback mit örtlicher Auflösung mit schnellem Nutzeraufnahmevorgang mit simultaner Exoskelettkalibrierung:

Ein Ganzkörperexoskelett, das diese Anforderungen (Mangel 1 und 2) erfüllt, ist nicht bekannt. Die Integration von örtlich aufgelöstem regelbaren haptischen Feedback und der schnellen Nutzeraufnahme mit simultaner Exoskelettkalibrierung in ein Ganzkörperexoskelett setzt klare konstruktive Anforderungen. Kein System aus dem Stand der Technik erfüllt diese Anforderungen.

Mangel 4 - Handexoskelette für große Griffkräfte
Handexoskelette sind derzeit sehr komplizierte Konstruktionen an der Außenseite der Handflächen und für sehr große Griffkräfte ungeeignet. Es wird ein Handexoskelett benötigt, das auch entsprechend große Griffkräfte, wie zum Beispiel beim Klimmzug, aushalten kann.
In der Patentanmeldung DE 10 2010 023 914 A1 wird kein Handexoskelett beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein stationäres Ganzkörperexoskelett als haptische Schnittstelle mit druckregelbaren Kontaktflächen und neuartigem Handexoskelett zu schaffen, wobei die Nachteile und die Mängel der diesseitig beschriebenen technischen Lösung beseitigt werden, da ein direkter und zeitnaher sowie hautenger Kontakt zwischen dem Skelett und einer bedienenden Person stattfindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Anspruch 1 realisiert wird und die nachfolgende Beschreibung technisch ausgeführt ist.
Lösung zu Mangel 1 - Regelbares haptisches Feedback mit örtlicher Auflösung:
Die Lösung des Problems bzw. der Innovationsansatz der Erfindung besteht darin, über translatorisch und rotatorisch bewegliche Kontaktflächen den mechanischen Kontakt zum Nutzer auf- und abzubauen (vgl. 40). Dabei kann jede Kontaktfläche nur Druck auf den Nutzer übertragen, was bedeutet, dass der Nutzer von mehreren Kontaktflächen eingeschlossen werden muss. Jede Kontaktfläche wird translatorisch vornehmlich senkrecht zur Körperoberfläche bewegt (40: 2011, 2012, 2013). Diese Bewegung ist durch einen Antrieb realisiert, die Lage wird durch einen Positionssensor registriert und die Druckkraft zwischen Nutzerkörper und Kontaktfläche über einen Drucksensor registriert. Zusätzlich kann zwischen der Kontaktfläche und dem Antrieb eine Transmission, wie Seilzug, Bowdenzug oder Hydraulik eingebaut werden, um die Motoren an einem geeigneten Ort verlegen zu können.
Es kann so durch die Ansteuerung der Motoren ein definiertes haptisches Feedback erzeugt werden. Zusätzlich ist der Bewegungsbereich (40: 2011, 2012, 2013) groß genug, um Maßvarianzen zwischen verschiedenen Nutzern auszugleichen.
Bei voll ausgefahrenem translatorischen Freiheitsgrad verfügen die Kontaktflächen danach über einen rotatorischen Freiheitsgrad. Dieser ermöglicht ein Kippen der Kontaktfläche weg vom Körper, so dass ausreichend Raum für die Auf- und Entnahme des Nutzerkörperteils geschaffen wird (40, Schritt 01-05) .
Lösung zu Mangel 2 - Schneller Nutzeraufnahmevorgang mit simultaner Exoskelettkalibrierung
Die Lösung des Problems bzw. der Innovationsansatz der Erfindung besteht darin, einen Vorgang zu entwerfen, der als Resultat den Nutzer und das Exoskelett mechanisch verbindet und das Exoskelett kalibriert (auf die Maße des Nutzers einstellt) und somit die Betriebsbereitschaft herstellt. Dieser Vorgang kann abgewandelt werden und auch dem Auswurf des Nutzers dienen, also die mechanische Verbindung auflösen und den vorbetrieblichen Anfangszustand wiederherstellen. Der Vorgang wird als AK-Vorgang bezeichnet (Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang).
Dieser Vorgang ist eine Abfolge von exakt abgestimmten Bewegungstrajektorien der Freiheitsgrade des Exoskelettes und Antastvorgängen des Exoskelettes an den Nutzerkörper. Der Nutzer muss für einen Teilvorgang eine vorgegebene Körperhaltung mit geringem Spielraum annehmen und diese halten bis der Teilvorgang beendet ist. Danach folgt eventuell eine neue Körperhaltung für einen weiteren Teilvorgang.
Ein Teilvorgang besteht dabei aus folgenden Vorgängen:

1. Exoskelett nimmt Bereitschaftshaltung an und fährt alle teilvorgangsrelevanten M-DoF voll aus und fährt alle K-DoF ein (maximiert den eingeschlossenen Raum) und kippt an (2011 und 2012) und fährt K-DoF (2013) voll aus und fährt alle A-DoF aus (vgl. 20 - AK-Vorgang Schritt 04).
2. Nutzer nimmt vorgegebene Haltung an (vgl. 20 - AK-Vorgang Schritt 04)
3. Exoskelett verändert B-DoF um sich in Stellung zu bringen (vgl. 21 - AK-Vorgang Schritt 05)
4. Exoskelett verringert M-DoF, bis es zum mechanischen Kontakt zwischen voll ausgefahrenem K-DoF (2013) und dem Nutzerkörper kommt (vgl. 22 - AK-Vorgang Schritt 06)
5. Exoskelett schließt die Kontur durch Einklappen der K-DoF (2011, 2012) (vgl. 23 - AK-Vorgang Schritt 07)
6. Exoskelett verringert M-DoF, verringert K-DoF (2013), erhöht K-DoF (2011, 2012) um einen homogenen Druckzustand an allen beteiligten Kontaktflächen zu erhalten. (vgl. 24 - AK-Vorgang Schritt 08)

Durch diese Teilvorgangsgestaltung ähneln sich die Teilvorgänge für den Einschluss von Oberarm, Unterarm, Oberschenkel und Unterschenkel stark. Kleinere Abweichungen treten beim Einschluss von Oberkörper, Hand und Fuß auf. Das Grundprinzip bleibt aber erhalten.
Lösung zu Mangel 3 - Exoskelettaufbau für die Verwendung als haptische Schnittstelle mit regelbarem haptischen Feedback mit örtlicher Auflösung mit schnellem Nutzeraufnahmevorgang mit simultaner Exoskelettkalibrierung:

Die Anforderungen durch Lösung 1 und Lösung 2 müssen durch das Exoskelett umgesetzt werden. Es entstehen klare konstruktive Vorgaben, die umgesetzt werden müssen. So muss das Exoskelett sowohl Platz für den Nutzerkörper haben, es muss sich an die Formvarianz des Nutzerkörpers anpassen können, es muss an den richtigen Stellen offen sein um eine Auf- und Entnahme des Nutzers möglich zu machen und es muss über angemessene Bewegungsfreiheitsgrade verfügen. Aus diesem Grund wurde ein Exoskelett mit 4 verschiedenen Freiheitsgradtypen erfunden. Es gibt Bewegungsfreiheitsgrade (B-DoF), Maßadaptionsfreiheitsgrade (M-DoF), Kontaktflächenfreiheitsgrade (K-DoF) und Aufnahmefreiheitsgrade (A-DoF).

Die B-DoF ermöglichen die normale Bewegung des Nutzers zusammen mit dem Exoskelett und sind für den regulären Betrieb ausschlaggebend. Sie unterstützen den AK-Vorgang. Sie werden Körpergelenken zugeordnet und sind hauptsächlich von rotatorischer Bauart. So gibt es zum Beispiel 3 B-DoF für das Hüftgelenk, 1 B-DoF für das Kniegelenk und 2 B-DoF für das Sprunggelenk.
Die M-DoF sind für die Maßadaption verantwortlich und sorgen dafür, dass sich das Exoskelett an die Körpermaße des Nutzers anpasst (wie zum Beispiel Oberschenkellänge, Oberarmlänge, Schulterbreite, Schulterhöhe, Hüftbreite, ...(2001 bis 2010)).
Die K-DoF ermöglichen eine Anpassung an die Körperkontur und das Einstellen eines spezifischen Druckzustandes zwischen Kontaktfläche und Körperoberfläche und ein Öffnen und Schließen der Exoskelettkontur für den AK-Vorgang.
Die A-DoF wirken beim AK-Vorgang rein unterstützend und ermöglichen ein Öffnen und Schließen der Exoskelettkontur und eine geringfügige Anpassung an die Körperkontur.
B-DoF, M-DoF, K-DoF und A-DoF sind über Motoren und/oder Transmissionen angetrieben und die Gelenkstellungen werden mittels Positionssensoren überwacht. Zusätzliche Drucksensoren werden verbaut, um einen besseren Betrieb mit hochwertigeren Regelungen zu ermöglichen.
Lösung zu Mangel 4 - Handexoskelett für große Griffkräfte
Weil Handexoskelette auf der Handaußenseite komplizierte technische Gebilde sind, die nicht annähernd die Belastung beim Klimmzug aushalten, wurde ein neues Handexoskelett erfunden, welches sich an der Handinnenseite befindet. Das vorgeschlagene Handexoskelett unterstützt bisher nur Zeigefinger, Mittelfinger, Ringfinger und kleinen Finger. Der Daumen ist nicht enthalten. Die Idee liegt darin, eine im Durchmesser variable Oberfläche zu schaffen. Im minimalen Durchmesser gleicht das Handexoskelett einer Stange. Die Bauteile können dann durch den vorherrschenden Formschluss nicht weiter zusammengedrückt werden, was eine sehr große Griffkraft ermöglicht. Im voll ausgestreckten Zustand gleicht das Handexoskelett einer ebenen Fläche mit geringen Rundungen (vgl. 14).
Jedem der Finger, die natürlich jeweils aus 3 Freiheitsgraden bestehen, wird ein Exoskelettfinger mit 2 Freiheitsgraden zugeordnet. Das erste und zweite Fingergelenk (von der Spitze an gesehen) werden dabei in einem Exoskelettgelenk vereinigt, um konstruktive Komplexität abzubauen (vgl. 15). Die Fingerfreiheitsgrade zählen zu den B-DoF des Exoskelettes. Separate M-DoF und K-DoF sind in dem Handexoskelett nicht verbaut.
Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen beschrieben.
Das stationäre Ganzkörperexoskelett 2 ist ein Bestandteil eines neuartigen Virtual Reality Simulators, welcher in 01 dargestellt ist. Es ist über das Bauteil 211 fest mit dem Bauteil 14 vom Bewegungssimulator mechanisch verbunden.
Im Folgenden wird nur eine Hälfte des Exoskelettes dargestellt und beschrieben, da die andere Hälfte entsprechend baugleich gestaltet wird.
Das Ganzkörperexoskelett 2 besteht aus Teilexoskeletten. Das sind ein Hüftexoskelett 21, ein Beinexoskelett 22, ein Torsoexoskelett 23, ein Schulterexoskelett 24, ein Armexoskelett 25 und ein Handexoskelett 26.
Für die Hüftdrehung relativ zum Torso gibt es den Bewegungsfreiheitsgrad 2101, realisiert durch ein Kreisbogengelenk zwischen 211 und 212.
Das Hüftgelenk 21 verfügt über 3 Bewegungsfreiheitsgrade. Hüftbewegungsfreiheitsgrad 1 2102 ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 213 und 214. Hüftbewegungsfreiheitsgrad 2 2103 ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 214 und 215. Hüftbewegungsfreiheitsgrad 3 2104 ist realisiert durch Kreisbogengelenk zwischen 2151 und 221. Die Hüftbreite kann über den Freiheitsgrad 2001 (Schubgelenk) zwischen 212 und 213 eingestellt werden. Zwischen 2151 und 2162 liegt ein weiteres Kreisbogengelenk für die Rotation der Kontaktfläche 2163 für den Gesäßkontakt. Dieses Kreisbogengelenk ist kolinear mit 2104 und dient nur dem Ausgleich der für diese Kontaktfläche suboptimalen Orientierungsänderung während einer Hüftgelenkbewegung.
Das Exoskelettbein 22 verfügt über 4 Bewegungsfreiheitsgrade. Beinbewegungsfreiheitsgrad 1 ist der Kniefreiheitsgrad 2201 und ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 222 und 223. Beinbewegungsfreiheitsgrad 2 ist der Sprunggelenkfreiheitsgrad 1 2202 und ist realisiert durch ein Kreisbogengelenk zwischen 223 und 224. Beinbewegungsfreiheitsgrad 3 ist der Sprunggelenkfreiheitsgrad 2 2203 und ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 225 und 226. Beinbewegungsfreiheitsgrad 4 ist der Zehenflächenfreiheitsgrad 2204 und ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 227 und 2281. Das Exoskelettbein verfügt über 3 Maßadaptionsfreiheitsgrade.
Beinmaßadaptionsfreiheitsgrad 1 2004 ermöglicht die Anpassung an die Oberschenkellänge und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 221 und 222.
Beinmaßadaptionsfreiheitsgrad 2 2002 ermöglicht die Anpassung an die Unterschenkellänge und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 224 und 225. Beinmaßadaptionsfreiheitsgrad 3 2003 ermöglicht die Anpassung an die Fußlänge und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 226 und 227. Der Oberschenkel wird durch die 4 Kontaktflächen 22112, 22122, 22132 und 2222 gehalten. Der Unterschenkel wird durch die 4 Kontaktflächen 22342, 22312, 22322 und 22311 gehalten. Die Fußfläche steht auf der Kontaktfläche 2262 und die Zehen auf der Kontaktfläche 2282.
Das Torsoexoskelett 23 verfügt über 2 Bewegungsfreiheitsgrade. Torsobewegungsfreiheitsgrad 1 2301 ermöglicht die Oberkörperbeugung nach Vorne und ist realisiert durch ein Kreisbogengelenk zwischen 231 und 232. Torsobewegungsfreiheitsgrad 2 (2302) ermöglicht die Schultergürtelbewegung und ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 232 und 235. Es hat 2 Aufnahmefreiheitsgrade. Aufnahmefreiheitsgrade 1 2303 klappt die Brustkontaktfläche 2372 weg. Aufnahmefreiheitsgrade 2 2304 klappt die Bauchkontaktflächen 2344 und 2342 weg. Es hat 4 Maßadaptionsfreiheitsgrade. Torsomaßadaptionsfreiheitsgrad 1 2010 ermöglicht die Anpassung an die Oberkörperlänge und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 211 und 231. Torsomaßadaptionsfreiheitsgrad 2 2008 ermöglicht die Anpassung an den Bauchumfang und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 232 und 233. Torsomaßadaptionsfreiheitsgrad 3 2007 ermöglicht die Anpassung an die Schulterbreite und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 235 und 238. Torsomaßadaptionsfreiheitsgrad 4 2009 ermöglicht die Anpassung an die Schulterhöhe und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 235 und 236. Das Torsoexoskelett hält den Oberkörper in Position mit den 7 Kontaktflächen 2322, 2332, 2342, 2344, 2352, 2362 und 2372.
Das Schulterexoskelett 24 verfügt über 3 Bewegungsfreiheitsgrade.
Schulterbewegungsfreiheitsgrad 1 2401 ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 238 und 241. Schulterbewegungsfreiheitsgrad 2 2402 ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 241 und 242. Schulterbewegungsfreiheitsgrad 3 2403 ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 242 und 251.
Das Armexoskelett 25 verfügt über 2 Bewegungsfreiheitsgrade. Armbewegungsfreiheitsgrad 1 2501 ermöglicht die Ellenbogenbeugung und ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 252 und 253. Armbewegungsfreiheitsgrad 2 2502 ermöglicht die Unterarminnenrotation und ist realisiert durch ein Kreisbogengelenk zwischen 253 und 254. Es hat 2 Maßadaptionsfreiheitsgrade.
Armmaßadaptionsfreiheitsgrad 1 2005 ermöglicht die Anpassung an die Oberarmlänge und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 251 und 252. Armmaßadaptionsfreiheitsgrad 2 2006 ermöglicht die Anpassung an die Unterarmlänge und ist realisiert durch ein Schubgelenk zwischen 254 und 261. Der Oberarm wird von den 4 Kontaktflächen 25112, 25122, 25132 und 2522 gehalten. Der Unterarm wird von den 4 Kontaktflächen 25412, 25422, 25432 und 2532 gehalten. Das Handgelenkexoskelett 26 verfügt über einen Bewegungsfreiheitsgrad 2601, ermöglicht eine Handgelenkbewegung und ist realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 261 und 262. Es verfügt über einen Aufnahmefreiheitsgrad 2602, realisiert durch ein Drehgelenk zwischen 262 und 27.
Das Handexoskelett 27 besteht aus 4 topologisch identischen Fingerexoskeletten 271, 272, 273, 274. Jedes Fingerexoskelett besteht aus 2 Bewegungsfreiheitsgraden 27101 und 27102, welche das Greifen und Loslassen von virtuellen Gegenständen ermöglichen. Beide Bewegungsfreiheitsgrade sind durch ein Kreisbogengelenk zwischen 27111 und 27121, bzw. 27122 und 27313 realisiert. 275 und 27111 sind mechanisch fest verbunden. 27121 und 27122 sind mechanisch fest verbunden. Die Kontaktfläche 27112 ist ein Teil der Handfläche. Die Kontaktfläche 27123 ist für das untere Fingerglied. Die Kontaktfläche 27132 ist für das mittlere und obere Fingerglied. Ein Daumenexoskelett ist vorerst nicht vorgesehen, kann aber noch hinzugefügt werden.
Die Funktionsweise der Kontaktflächen ist in 40 an einem Beispiel dargestellt. Es handelt sich um die Kontaktflächen des Oberarms. Die Freiheitsgrade 2011, 2012, 2013 sind die translatorischen Freiheitsgrade und durch Schubgelenke realisiert. Durch sie ist eine Variation der eingeschlossenen Kontur möglich. In 40 ist in 5 Schritten der Auswurfvorgang dargestellt, welcher mit dem Aufnahmevorgang in umgekehrter Reihenfolge fast identisch ist. Schritt 01 ist der Anfangszustand. Alle Kontaktflächen haben mechanischen Kontakt zum Körper. In Schritt 02 werden die Kontaktflächen über die translatorischen Freiheitsgrade vom Körper weggefahren. In Schritt 03 werden die obere und untere Kontaktfläche über ein Drehgelenk angestellt, um Platz für die Entnahme zu bieten. Schritt 04 und 05 zeigen die Entnahme des Nutzerkörperteils.
Die translatorischen Freiheitsgrade der Kontaktflächen dienen der Anpassung an die Körperkontur während der einmaligen Startkalibrierung des Exoskelettes, der Anpassung an Konturänderungen des Körpers während des Betriebes (zum Beispiel durch Muskelanspannung) und der Regelung des Druckzustandes zwischen Kontaktfläche und Nutzerkörperoberfläche (haptisches Feedback).
In 17 bis 39 ist die technische Realisierung der Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang dargestellt.
Während des gesamten Aufnahme- und Kalibrierungsvorgangs sind die Bewegungsfreiheitsgrade des Exoskelettes nicht rückstellbar.
Es wird mit dem Schritt 01 (17) begonnen. Das Exoskelett nimmt eine Art Embryohaltung an. Die Haltung kann aber theoretisch beliebig gewählt werden. Der Bewegungssimulator muss das Exoskelett in der Orientierung des aufrechten Standes bereitstellen und die Gelenkte müssen gegen Bewegung gesichert sein, um eine stabile Orientierung des Exoskelettes zu gewährleisten. Die Hebebühne 113 ist in ihrer untersten Position.
In Schritt 02 (18) nimmt das Exoskelett die Starthaltung ein. Es werden alle Aufnahmefreiheitsgrade 2303, 2304 am Torso 23 geöffnet. Schultergelenke 24 und Hüftgelenk 21 nehmen eine Stellung wie in 18 an. Wichtig daran ist, dass der Nutzer frontal aufgenommen werden kann, Arm 25 und Bein 22 werden daher seitlich abstehend positioniert. Die Maßadaptionsfreiheitsgrade am Torso 2008, 2007, 2009 werden maximal ausgefahren, um Platz auch für den größten Nutzer zu schaffen. Die Kontaktflächen von Arm 25 und Bein 22 sind noch irrelevant und können geschlossen oder offen bleiben. Hier in 18 sind sie geschlossen. Der Nutzer stellt sich aufrecht mit dem Rücken zum geöffneten Exoskelett gerichtet auf die Hebebühne des Bewegungssimulators 113. Seine Armhaltung ist nach vorne gerichtet und nach oben angewinkelt.
In Schritt 03 (19) wird die Hebebühne 113 nach oben angehoben und hebt somit auch den Nutzer an. Dieser hält seine Körperhaltung bei. Die Hebebühne 113 hebt solange an, bis es zum Kontakt des Nutzernackens mit der Nackenkontaktfläche 2362 kommt, oder die Hebebühne 113 maximal ausgefahren ist. Im zweiten Fall werden die Schulterhöhe 2009 und die Rückenhöhe 2010 verringert, bis es zum Kontakt zwischen Nutzernacken und Nackenkontaktfläche 2362 kommt. Schritt 03 ist dafür da, um einen oberen Anschlagspunkt mit dem Körper herzustellen.
In Schritt 04 (20) wird der Nutzertorso eingeschlossen. Es wird der Maßadaptionsfreiheitsgrad 2008 am Torso verringert, bis es zum Körperkontakt der Kontaktfläche 2332 kommt. Dann werden die Aufnahmefreiheitsgrade 2303, 2304 am Torso bewegt, bis es zum Körperkontakt der Kontaktflächen 2372, 2342 und 2344 kommt.
Mit Abschluss von Schritt 04 ist der Nutzertorso im Exoskelett eingeschlossen.
In Schritt 05 wird, falls noch nicht erledigt, der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Schulterbreite 2007 maximal ausgefahren. Dann werden die Kontaktflächen 25112, 25122, 25422 und 25412 geöffnet, die Kontaktflächen 2522 und 2532 auf maximalen Querschnitt eingestellt und die Kontaktflächen 25132 und 25432 auf minimalen Querschnitt eingestellt. Dann werden die Schulterbewegungsfreiheitsgrade 2401, 2402, 2403 bewegt, bis die Exoskeletthaltung wie in 20 erreicht ist. Die Exoskelettarmhaltung ist der Armhaltung des Nutzers sehr ähnlich. Der Exoskelettarm hat nun dieselbe Haltung wie der Nutzerarm, ist aber daneben positioniert und hat noch keinen Körperkontakt. Die Maßadaptionsfreiheitsgrade am Arm 2005, 2006 werden maximiert, und das Handexoskelett wird durch den Aufnahmefreiheitsgrad 2602 um 180° weggedreht, so dass es nicht mehr in der Handfläche liegt.
In Schritt 06 (22) baut der Exoskelettarm den ersten Körperkontakt auf. Der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Schulterbreite 2007 wird soweit verringert, bis es zum Körperkontakt mit der Kontaktfläche 25132 kommt. Während dieser Bewegung wird der Bewegungsfreiheitsgrad 2502 bewegt, um eine Kollision von Kontaktfläche 25422 mit dem Unterarm zu verhindern.
In Schritt 07 (23) wird die Exoskelettoberarmkontur geschlossen, in dem die Kontaktflächen 25112 und 25122 eingeklappt werden.
In Schritt 08 (24) wird die Exoskelettoberarmkontur an die Nutzerarmkontur angepasst, in dem die Kontaktflächen 25112 und 25122 den Querschnitt verringern, die Kontaktfläche 25132 den Querschnitt vergrößert und Maßadaptionsfreiheitsgrad der Schulterbreite 2007 sich entsprechend anpasst. Das Ziel ist ein homogener Druckzustand an den Kontaktflächen 25112, 25122 und 25132.
Nach Schritt 08 ist der Oberarm im Exoskelett eingeschlossen und kalibriert.
In Schritt 09 (25) wird der Bewegungsfreiheitsgrad 2502 bewegt, bis die Haltung in 25 erreicht ist. Dann verringert sich der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Oberarmlänge 2005, bis es zum Körperkontakt der Kontaktfläche 25432 kommt.
In Schritt 10 (26) wird die Exoskelettunterarmkontur geschlossen, in dem die Kontaktflächen 25422 und 25412 eingeklappt werden.
In Schritt 11 (27) wird die Exoskelettunterarmkontur an die Nutzerarmkontur angepasst, in dem die Kontaktflächen 25412 und 25422 den Querschnitt verringern, die Kontaktfläche 25432 den Querschnitt vergrößert und Maßadaptionsfreiheitsgrad der Oberarmlänge 2005 sich entsprechend anpasst. Das Ziel ist ein homogener Druckzustand an den Kontaktflächen 25412, 25422 und 25432.
In Schritt 12 (28) wird der Aufnahmefreiheitsgrad 2602 um 180° wieder eingedreht und es werden die Ellenbogenkontaktflächen 2522 und 2532 bis zum Körperkontakt bewegt.
In Schritt 13 (29) wird der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Unterarmlänge 2006 so weit verringert, bis es zum Körperkontakt zwischen dem Handexoskelett und der Handinnenfläche des Nutzers kommt. Das Handexoskelett ist auf minimalen Querschnitt eingestellt.
Nach Schritt 13 sind auch der Unterarm und die Hand im Exoskelett eingeschlossen und kalibriert.
Es folgt der analoge Einschlussvorgang für den zweiten Arm mit Hand. Der dann mit beiden Armen eingeschlossene Oberkörper bietet dem Nutzer halt. Er ist nun fest mit dem Exoskelett verbunden und kann sich zusätzlich am Handexoskelett festhalten.
In Schritt 14 (30) werden die Hebebühne 113 und der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Torsohöhe 2010 in der Höhe verringert, bis die durch Approximation bestimmte Hüftgelenkhöhe des Nutzers mit dem Hüftgelenk des Exoskelettes übereinstimmt.
In Schritt 15 (31) winkelt der Nutzer ein Bein an. Das zweite Bein bleibt auf der Hebebühne stehen. Der Nutzer steht nun auf einem Bein. Der eingeschlossene Oberkörper mit Armen verhindert aber Stabilitätsprobleme.
In Schritt 16 (32) wird, falls noch nicht erledigt, der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Hüftbreite 2008 maximal ausgefahren. Dann werden die Kontaktflächen 22112, 22122, 22312 und 22322 geöffnet, die Kontaktflächen 2222 und 22342 auf maximalen Querschnitt eingestellt und die Kontaktflächen 22132 und 22332 auf minimalen Querschnitt eingestellt. Dann werden die Hüftbewegungsfreiheitsgrade 2102, 2103, 2104 bewegt, bis die Exoskeletthaltung wie in 32 erreicht ist. Die Exoskelettbeinhaltung ist der Beinhaltung des Nutzers sehr ähnlich. Das Exoskelettbein hat nun dieselbe Haltung wie das Nutzerbein, ist aber daneben positioniert und hat noch keinen Körperkontakt. Die Maßadaptionsfreiheitsgrade am Bein 2004, 2002 und 2003 werden maximiert.
In Schritt 17 (33) baut das Exoskelettbein den ersten Körperkontakt auf. Der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Hüftbreite 2008 wird soweit verringert, bis es zum Körperkontakt mit der Kontaktfläche 22132 kommt.
In Schritt 18 (34) wird die Exoskelettoberschenkelkontur geschlossen, in dem die Kontaktflächen 22112 und 22122 eingeklappt werden.
In Schritt 19 (35) wird die Exoskelettoberschenkelkontur an die Nutzeroberschenkelkontur angepasst, in dem die Kontaktflächen 22112 und 22122 den Querschnitt verringern, die Kontaktfläche 22132 den Querschnitt vergrößert und Maßadaptionsfreiheitsgrad der Hüftbreite (2008) sich entsprechend anpasst. Das Ziel ist ein homogener Druckzustand an den Kontaktflächen 22112, 22122 und 22132.
Nach Schritt 19 ist der Oberschenkel im Exoskelett eingeschlossen und kalibriert.
In Schritt 20 (36) verringert sich der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Oberschenkellänge 2004, bis es zum Körperkontakt der Kontaktfläche 22332 kommt.
In Schritt 21 (37) wird die Exoskelettunterschenkelkontur geschlossen, in dem die Kontaktflächen 22312 und 22322 eingeklappt werden.
In Schritt 22 (38) wird die Exoskelettunterschenkelkontur an die Nutzerunterschenkelkontur angepasst, in dem die Kontaktflächen 22312 und 22322 den Querschnitt verringern, die Kontaktfläche 22332 den Querschnitt vergrößert und Maßadaptionsfreiheitsgrad der Oberschenkellänge 2004 sich entsprechend anpasst. Das Ziel ist ein homogener Druckzustand an den Kontaktflächen 22312, 22322 und 22332.
In Schritt 23 (39) wird der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Unterschenkellänge 2002 so weit verringert, bis es zum Körperkontakt zwischen der Fußflächenkontaktfläche 2262 und der Nutzerfußfläche kommt. Es wird der Maßadaptionsfreiheitsgrad der Fußlänge 2003 verringert und es werden die Kniekontaktflächen 2222 und 22342 auf Körperkontakt bewegt.
Nach Schritt 23 ist ein Bein komplett eingeschlossen. Das Bein kann dann abgesetzt werden, oder man verbleibt in dieser Position. Es folgt der analoge Einschluss des anderen Beines. Wenn beiden Beine eingeschlossen sind wird die Hebebühne 113 auf minimale Höhe bewegt und der gesamte Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang ist abgeschlossen und die Bewegungsfreiheitsgrade werden allmählich freigegeben und sind nun rückstellbar.
Optional können nun noch vorgegebene Bewegungen ausgeführt werden (wie rennen, gehen, springen, ...), um eine finale minimale Anpassung der Kontur und der Maßadaptionsfreiheitsgrade durchzuführen. Das Gerät ist nun betriebsbereit.
Mögliche Erweiterungen:
Die Kontaktflächen können mit taktilen Pin-Arrays, Wärme- und Kälteerzeugern und Vibrationserzeugern ausgestattet werden.
Erzielte Vorteile der Lösung zu Mangel 1:
Mit der Erfindung der druckregelbaren Kontaktflächen lässt sich ein exakt regelbares haptisches Feedback erzeugen. Weiterhin werden vollautomatische Aufnahme und Auswurf des jeweiligen Nutzerkörperteils möglich. Es besteht auch die Fähigkeit, Nutzer unterschiedlicher Größe in das Gerät aufzunehmen. Das umständliche Anpassen mittels Spanngurten und Bändern entfällt. Eine Anpassung an die Nutzerkonturänderung während des Betriebes, zum Beispiel durch Muskelanspannung, ist möglich.
Erzielte Vorteile der Lösung zu Mangel 2:
Der Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang, welcher in jedem Exoskelett notwendig ist, ist hier in einem nahezu vollautomatischen Vorgang integriert. Die Zeitdauer des Vorgangs wird zwischen 1 bis 2 min liegen, im Gegensatz zur Dauer im Stand der Technik von min. 15 min.
Daraus ergibt sich eine deutliche Attraktivitätssteigerung, sowohl für Kunden als auch Anbieter aufgrund der reduzierten Stillstandes. Dieser Vorgang dient auch als Alleinstellungsmerkmal gegenüber von Konkurrenzprodukten.
Erzielte Vorteile der Lösung zu Mangel 3:
Es wurde ein Ganzkörperexoskelett erfunden, dass den Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang aus Lösung 2 ermöglicht. Es unterstützt die wichtigsten Bewegungsfreiheitsgrade des Menschen für eine VR-Interaktion und ist das erste vollständige Ganzkörperexoskelett, das die Patentanmeldung DE 10 2010 023 914 A1 technisch realisiert und zum Simulatorkonzept passt. Hüft- und Schultergelenk sind neuartig und bilden einen sehr guten Bewegungsbereich ab. Zusammen mit den Kontaktflächen lässt sich ein natürlicher Kraftverlauf im Nutzerkörper erzeugen, der zu der jeweiligen virtuellen Handlung passt. Bsp.: Steht der Nutzer virtuell auf den Fußflächen, so fließt auch im Simulator das Körpergewicht des Nutzers über die Fußflächen ab. Hängt der Nutzer virtuell an einer Stange, so fließt auch das Körpergewicht über das Handexoskelett ab.
Erzielte Vorteile der Lösung zu Mangel 4:
Es sind mit diesem neuartigen Handexoskelett wesentlich größere Griffkräfte möglich, da Formschluss herrscht. Weiterhin werden authentische Kraftflüsse im Nutzerkörper bei virtuellen Handlungen, wie Klimmzug, Leitern, Schwingen von Schwertern und Stäben usw., ermöglicht. Das Handexoskelett ist konform mit dem sehr schnellen Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang.
Bezugszeichenliste

111: BS-Sockelfuß
112: BS-Sockelsäule
113: BS-Hebebühne
12: BS-Ring
13: BS-Pitchgelenk
14: BS-Traverse
2: Exoskelett
2001: Maßadaption Hüfte
2002: Maßadaption Unterschenkel
2003: Maßadaption Fuß
2004: Maßadaption Oberschenkel
2005: Maßadaption Oberarm
2006: Maßadaption Unterarm
2007: Maßadaption Schulterbreite
2008: Maßadaption Seite
2009: Maßadaption Schulterhöhe
2010: Maßadaption Rückenlänge
2011: Linear-DoF Kontaktfläche 01
2012: Linear-DoF Kontaktfläche 02
2013: Linear-DoF Kontaktfläche 03
21: Ex-Hüfte
2101: Hüftgelenk0
2102: Hüftgelenk1
2103: Hüftgelenk2
2104: Hüftgelenk3
211: T_H_06
212: T_H_05
213: T_H_04
214: T_H_02
215: T_H_03
2151: T_H_03/04
2161: T_A_01
2162: KF_L_A_01
2163: KF_F_A_01
22: Ex-Bein
2201: Kniegelenk1
2202: Sprungelenk1
2203: Sprungelenk2
2204: Zehengelenk
221: T_OBein_01
22111: KF_L_OBein_01
22112: KF_F_OBein_01
22121: KF_L_OBein_02
22122: KF_F_OBein_02
22131: KF_L_OBein_03
22132: KF_F_OBein_03
222: T_OBein_02
2221: KF_L_K_01
2222: KF_F_K_01
223: T_UBein_01
22311: KF_L_UBein_01
22312: KF_F_UBein_01
22321: KF_L_UBein_02
22322: KF_F_UBein_02
22331: KF_L_UBein_03
22332: KF_F_UBein_03
22341: KF_L_K_02
22342: KF_F_K_02
224: T_UBein_03
225: T_UBein_04
226: T_F_01
2261: KF_F_L_01
2262: KF_F_F_01
227: T_F_02
2281: KF_F_L_03
2282: KF_F_F_03
23: Ex-Torso
2301: Rückengelenk
2302: Schultergürtelgelenk
2303: Hilfsgelenk1
2304: Hilfsgelenk2
231: T_R_04
232: T_R_02
2321: KF_L_R_02
2322: KF_F_R_02
233: T_R_05
2331: KF_L_B_03
2332: KF_F_B_03
234: T_B_02
2341: KF_L_B_04
2342: KF_F_B_04
2343: KF_L_B_02
2344: KF_F_B_02
235: T_R_01
2351: KF_L_R_01
2352: KF_F_R_01
236: T_S_04
2361: KF_L_S_01
2362: KF_F_S_01
237: T_B_01
2371: KF_L_B_01
2372: KF_F_B_01
238: T_S_01
24: Ex-Schulter
2401: Schultergelenk1
2402: Schultergelenk2
2403: Schultergelenk3
241: T_S_02
242: T_S_03
25: Ex-Arm
2501: Ellenbogengelenk1
2502: Ellenbogengelenk2
251: T_OArm
25111: KF_L_OArm_01
25112: KF_F_OArm_01
25121: KF_L_OArm_02
25122: KF_F_OArm_02
25131: KF_L_OArm_03
25132: KF_F_OArm_03
252: T_OArm_02
2521: KF_L_E_01
2522: KF_F_E_01
253: T_UArm_01
2531: KF_L_E_02
2532: KF_F_E_02
254: T_UArm_02
25411: KF_L_UArm_01
25412: KF_F_UArm_01
25421: KF_L_UArm_02
25422: KF_F_UArm_02
25431: KF_L_UArm_03
25432: KF_F_UArm_03
26: Ex-Hand
2601: Handgelenk
2602: Hilfsgelenk3
261: T_UArm_03
262: T_Hand_01
27: Ex-Hand (Detail)
271: Zeigefinger
27101: Fingergelenk1
27102: Fingergelenk2
27111: Handflächensegment1
27112: KF Handflächensegment1
27121: Fingersegment1-1
27122: Fingersegment1-2
27123: KF Fingersegment1
27131: Fingersegment2
27132: KF Fingersegment2
272: Mittelfinger
273: Ringfinger
274: Kleiner Finger
275: Handwurzel

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

DE 102010023914 A1 [0002, 0005, 0007, 0009, 0013, 0084]
US D2014/004735 [0002, 0005, 0009]

Claims

Stationäres Ganzkörperexoskelett als haptische Schnittstelle mit druckregelbaren Kontaktflächen und neuartigem Handexoskelett, wobei bewegliche, angetriebene und geregelte Kontaktflächen gegeben sind, um den Nutzerkörper mechanisch im Exoskelett zu fixieren, haptisches Feedback am Nutzerkörper zu erzeugen, Druckregelung durch translatorische Verschiebung zur Nutzerkörperoberfläche zu gewährleisten sowie eine rotatorische Bewegung bestimmter Kontaktflächen auszuführen, um die Exoskelettkontur zu öffnen und zu schließen, wobei ein automatischer Vorgang stattfindet und ein, mehrere oder alle Körperteile des Nutzers in das Exoskelett aufgenommen werden und gleichzeitig das Exoskelett auf die Nutzermaße hin kalibriert ist und weiterhin ein Ganzkörperexoskelett gestaltet ist, um den automatischen Aufnahme- und Kalibrierungsvorgang zu ermöglichen und welches die Kontaktflächen integriert und ein Handexoskelett für sehr hohe Griffkräfte gegeben ist, welches durch eine Konstruktion an der Handinnenfläche realisiert ist.