DE102018105549A1

DE102018105549A1 - System zur muskelkraftunterstützung

Info

Publication number: DE102018105549A1
Application number: DE102018105549.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Peter Wulfsberger; Robert Weidner; Bernward Otten; Mauritz Fethke; Jonas Klabunde
Original assignee: Exoiq GmbH
Current assignee: Exoiq GmbH
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2019-09-12
Also published as: WO2019170276A1

Abstract

Gezeigt wird ein System zur Muskelkraftunterstützung mit einem Stützelement und einem Aktor, wobei der Aktor eingerichtet ist, die Steifigkeit des Stützelements dynamisch zu ändern.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Muskelkraftunterstützung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System, welches während seiner Verwendung eine Anpassung der bereitgestellten Unterstützungskraft und Unterstützungsposition ermöglicht.
HINTERGRUND
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche technische Systeme bekannt, die es erlauben, menschliche Bewegungen (insb. in Zwangshaltungen) zu unterstützen. Die Unterstützung kann dabei bspw. darauf abzielen, die Qualität manueller Arbeitsschritte, die Arbeitsplatz-Ergonomie oder die Mobilität von Personen mit Muskel-Skelett-Erkrankungen zu verbessern. Besagte Systeme adressieren dabei entweder den ganzen Körper oder Körperbereiche, bspw. die unteren Extremitäten, die oberen Extremitäten oder den Rücken, und basieren oftmals auf exoskelettalen Ansätzen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein erfindungsgemäßes System zur Muskelkraftunterstützung umfasst ein Stützelement und einen Aktor, wobei der Aktor eingerichtet ist, die Steifigkeit des Stützelements dynamisch zu ändern.
Dabei ist unter dem Begriff „Stützelement“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Element zu verstehen, welches im Betrieb eine Stütz-, Halte- oder Kraftübertragungsfunktion hinsichtlich des menschlichen Körpers ermöglicht. Ferner ist unter dem Begriff Aktor, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, mechanische Arbeit zu verrichten.
Vorzugsweise ist das Stützelement ein passives Stützelement, ein unteres Anbindungselement des passiven Stützelements eingerichtet, an den unteren Rücken, das Becken die Beine und/oder die Füße eines Benutzers angebunden zu werden, ein oberes Anbindungselement des passiven Stützelements eingerichtet, an den oberen Rücken, den Brustbereich und/oder den Schulterbereich des Benutzers angebunden zu werden, ein unteres Ende des Aktors eingerichtet, an den unteren Rücken und/oder das Becken eines Benutzers angebunden zu werden und ein oberes Ende des Aktors eingerichtet, an dem oberen Ende des passiven Stützelements angebunden zu werden und der Aktor eingerichtet, ein oberes Ende des passiven Stützelements mit einer Kraft zu beaufschlagen.
Dabei ist unter dem Begriff „passives Stützelement“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Element zu verstehen, dessen Stützkraft aus einer Beanspruchung des Stützelements resultiert, bspw. ein elastisches Element, das bei Verformung eine Rückstellkraft aufbringt. Ferner ist unter dem Begriff „angebunden“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Kontaktieren zu verstehen, bei dem auf die Arme und/oder die Wirbelsäule wirkende Kräfte umgeleitet werden können, bspw. indem das System im Arm-/Schulter-/Brustbereich und im Hüft-/Schambeinbereich anliegt bzw. diesen (teilweise) umschließt oder umgreift.
Vorzugsweise ist der Aktor eingerichtet, das obere Ende des passiven Stützelements mit einer Zugkraft zu beaufschlagen.
Vorzugsweise umfasst das passive Stützelement ein längliches oder stabförmiges Grundelement.
Vorzugsweise ist das obere Anbindungselement des passiven Stützelements relativ zum Grundelement verschiebbar.
Vorzugsweise ist das obere Anbindungselement des passiven Stützelements in Längsrichtung des Grundelements linear verschiebbar.
Vorzugsweise ist das obere Anbindungselement des passiven Stützelements in Längsrichtung des Grundelements mittels eines Aktors linear verschiebbar.
Vorzugsweise ist der Aktor eingerichtet, die Steifigkeit des Stützelements mittels Zuführung von Luft zu ändern.
Bspw. kann das Stützelement aufblasbar sein, so dass das Stützelement durch die Zuführung von Druckluft aus einem Zustand, in dem die Stützelementhülle wenig oder nicht gespannt ist und das Stützelement dementsprechend eine vernachlässigbare oder keine Stützkraft aufbringt, in einen Zustand überführt werden kann, in dem die Stützelementhülle gespannt ist und das Stützelement eine Stützkraft aufbringt.
Vorzugsweise ist das Stützelement eingerichtet, über einen zweiten Aktor an den unteren Rücken, das Becken, die Beine und/oder die Füße eines Benutzers angebunden zu werden.
Vorzugsweise ist der zweite Aktor eingerichtet, eine Position des Stützelements relativ zu Anbindungspunkten des Systems am Körper eines Benutzers dynamisch zu ändern.
Vorzugsweise ist das Stützelement relativ zum Aktor drehbar gelagert.
Vorzugsweise ist ein oberes Anbindungselement des Stützelements eingerichtet, an den oberen Rücken, den Brustbereich und/oder den Schulterbereich des Benutzers angebunden zu werden.
Vorzugsweise wird das System in einem Verfahren verwendet, in dem es an den Körper eines Menschen angebunden wird. Wird ein Steuerbefehl empfangen, der auf eine Vergrößerung der Steifigkeit des passiven Stützelements gerichtet ist, wird in Reaktion auf den Steuerbefehl die Steifigkeit des passiven Stützelements mittels Beaufschlagens des oberen Endes des passiven Stützelements mit einer Zugkraft vergrößert oder die Steifigkeit des Stützelements mittels Befüllen des Stützelements mit Luft vergrößert.
Ferner versteht es sich, dass alle Merkmale (bevorzugter Ausführungsformen) der erfindungsgemäßen Systeme auch Merkmale (bevorzugter Ausführungsformen) erfindungsgemäßer Verfahren sein können, welche sich auf die Verwendung erfindungsgemäßer Systeme beziehen, und umgekehrt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:

1a, 1b und 1c schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Systems, gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform zeigen;
2a, 2b, und 2c schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Systems, gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform zeigen; und
3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

Dabei sind in den Zeichnungen gleiche und funktional ähnliche Elemente durch gleiche (bzw. ähnliche) Bezugszeichen gekennzeichnet. Jedoch versteht es sich, dass nicht notwendigerweise alle Elemente in allen Zeichnungen gezeigt sind und dass die gezeigten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1a zeigt ein tragbares System 10 zur Muskelkraftunterstützung. Das System 10 umfasst ein Stützelement 12 in Form eines biegsamen Stabes (bspw. eines Stabes aus Metall/Stahl), dessen unteres Ende an einem Anbindungselement 14 (bspw. einem flexiblen Gurt aus einem textilen Material) befestigt ist (sich abstützt). Das Anbindungselement 14 kann bspw. als Becken- oder Beingurt(e) ausgebildet sein, der/die bei Verwendung kraftschlüssig am Körper des Benutzers anliegt/-en. Das System 10 umfasst zudem ein weiteres Anbindungselement 16 (bspw. einem flexiblen Gurt aus einem textilen Material), welches dazu vorgesehen ist, an den Oberkörper des Benutzers angebunden zu werden.
Das weitere Anbindungselement 16 ist mittels einer Linearführung mit dem Stützelement 12 verbunden. Wie aus 1a und 1b ersichtlich, erlaubt die Linearführung eine Verschiebung der Anbindungselemente 14, 16 relativ zueinander. Obwohl das Anbindungselement 14 dazu eingerichtet ist, im Wesentlichen fest auf der Hüfte/dem Becken des Benutzers aufzusitzen, wird somit eine Längung des Rückens beim Strecken/Beugen durch das System 10 nicht behindert. Die Linearführung kann bspw. dadurch gebildet sein, dass das Anbindungselement 16 eine Öffnung aufweist, durch die das Stützelement 12 geführt ist.
Das Anbindungselement 16 kann auf dem Stützelement 12 frei gleitend gelagert sein. Alternativ kann das Anbindungselement 16 mittels eines Aktors 16a entlang der Linearführung (d. h. entlang der Längsachse des Stützelements 12) aktiv (gesteuert) verschiebbar sein. Bspw. kann der Aktor 16a, wie in 1b angedeutet, in das Anbindungselement 16 integriert sein.
Das System 10 umfasst zudem einen Aktor 18, der einen Angriffspunkt oberhalb des Anbindungselement 16 am Stützelement 12 aufweist und es ermöglicht, wie in 1c illustriert, mittels Verkürzung (der freien Länge) eines elastischen Zugmittels 20, das Anbindungselement 16 mit einer Kraft zu beaufschlagen, die der Verformung des Stützelements 12 entgegenwirkt (bzw. entgegengesetzt ist). Dadurch kann über die Steuerung des Aktors 18 die Steifigkeit des Stützelements 12 dynamisch verändert werden.
Beugt sich der Benutzer bspw. nach vorne, kann der Aktor 18 das elastisches Zugmittel 20 nachgeben, um das Beugen nicht zu behindern. Muss der Benutzer jedoch beim Aufrichten des Oberkörpers unterstützt werden, bspw. weil der Benutzer eine schwere Last in Händen hält, kann dies durch die Beaufschlagung des elastischen Zugmittels 20 mit einer Kraft (d. h. durch entsprechende Steuerung des Aktors 18) unterstützt werden.
Die Unterstützungskraft wirkt dabei immer in eine Richtung, welche in der von dem Stützelement 12 und dem elastisches Zugmittel 20 aufgespannten Ebene liegt. Bewegungen in eine Richtung, die mit der aufgespannten Ebene einen rechten Winkel einschließt, werden hingegen nicht unterstützt, so dass eine weitgehend uneingeschränkte Bewegungsfreiheit gegeben ist.
Je nach Einsatzzweck können Zugmittel 20 unterschiedlicher Elastizität verwendet werden. Bspw. kann ein Seil oder ein Federelement (bspw. eine Schraubenfeder/Stahlfeder) verwendet werden, das/die (materialbedingt bereits) eine gewünschte Elastizität aufweist. Oder das Seil kann durch in Reihe Schalten mit Federelementen (bspw. Schraubenfedern/Stahlfedern) auf eine gewünschte Elastizität abgestimmt werden.
Für die Steuerung des Systems (bzw. des Aktors 18) kann eine Kombination verschiedener Sensoren genutzt werden. Bspw. kann die Lage und Lageänderung des Oberkörpers durch eine Inertial Measurement Unit (IMU) erfasst werden. Weiterhin können Kraftsensoren in die Oberkörperanbindung und den Aktor 18 integriert sein, wodurch es möglich ist, die jeweils aktuelle Belastung und die vorliegende Unterstützungsleistung zu ermitteln.
Weiterhin kann der Aktor 18 gesteuert/geregelt werden, bspw. mittels eines geschlossenen Regelkreises aus (bspw. einem pneumatischem) Aktuator 18 und einem Druckwandler. Dadurch kann die tatsächliche Kraft, von der die benötigte Unterstützungsleistung abhängt, eingestellt werden. Das System 10 kann ferner einen Energiespeicher (bspw. eine oder mehrere Primär- oder Sekundärzellen und/oder einem oder mehrere Drucklufttanks) umfassen.
2a zeigt ein weiteres tragbares System 10 zur Muskelkraftunterstützung. Das System 10 umfasst ein Stützelement 12 in Form eines flexiblen, länglichen, luftdichten Elements (bspw. eines versteifbaren und/oder längenverstellbaren Überdruckelements). Das untere Ende des Stützelements 12 ist, wie in 2b angedeutet, (zur Ermöglichung eines seitlichen Beugens des Rumpfes) mittels eines Drehgelenks 22 an einem Anbindungselement 14 (bspw. einem flexiblen Gurt aus einem textilen Material) und/oder einem weiteren Aktor 24 befestigt.
Wie in Zusammenhang mit 1a, 1b und 1c beschrieben, kann das Anbindungselement 14 bspw. als Becken-, Bein- oder Fußgurt(e) ausgebildet sein, der/die bei Verwendung kraftschlüssig am Körper des Benutzers anliegt/- en. Das System 10 umfasst zudem ein weiteres Anbindungselement 16 (bspw. einem flexiblen Gurt aus einem textilen Material), welches dazu vorgesehen ist, an den Oberkörper des Benutzers angebunden zu werden.
Das System 10 umfasst des Weiteren einen zusätzlichen Aktor 24. Wie in 2c illustriert ist der Aktor 24 eingerichtet, das Stützelement 12 (linear, parallel zur Wirbelsäule) zu verschieben. Bspw. kann durch das Verschieben des Stützelements 12 nach oben vermieden werden, dass der Benutzer beim Strecken des Oberkörpers behindert wird. Beugt sich der Benutzer hingegen nach vorne, kann das Stützelement 12 nach unten verschoben und Druck aus dem das Stützelement 12 abgelassen werden, um das Beugen nicht zu behindern.
Muss der Benutzer jedoch beim Aufrichten des Oberkörpers unterstützt werden, bspw. weil der Benutzer eine schwere Last in Händen hält, kann dies durch Befüllen/Aufblasen des Stützelements 12 und Ansteuern des Aktors 24 unterstützt werden. Der Aktor (24) kann somit eingesetzt werden, um zum einen die Unterstützungsposition (Oberkörpervorbeuge) einzustellen und zum anderen das Aufrichten zu unterstützen. Zum Befüllen/Aufblasen des Stützelements 12 ist ein weiterer Aktor und eine Energiequelle vorgesehen (bspw. eine Pumpe oder ein betätigbares Ventil, sowie ein Druckluftbehälter; nicht gezeigt)
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt 26 des Anbindens des Systems 10 an den Körper eines Menschen. Wenn, wie in Schritt 28, ein Steuerbefehl empfangen wird, der auf eine Vergrößerung der Steifigkeit des Stützelements 12 gerichtet ist, wird in Schritt 30, in Reaktion auf den Steuerbefehl, die Steifigkeit des Stützelements 12 vergrößert, bspw. mittels Beaufschlagens des oberen Endes des Stützelements 12 mit einer Zugkraft oder durch Befüllen des Stützelements 12 mit Luft.
Bezugszeichenliste

10: System
12: Stützelement
14: Anbindungselement
16: Anbindungselement
16a: Aktor
18: Aktor
20: Zugmittel
22: Drehgelenk
24: Aktor
26: Schritt
28: Schritt
30: Schritt

Claims

System (10) zur Muskelkraftunterstützung, umfassend: ein Stützelement (12); und einen Aktor (18); wobei der Aktor (18) eingerichtet ist, die Steifigkeit des Stützelements (12) dynamisch zu ändern.
System (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 1, wobei das Stützelement (12) ein passives Stützelement (12) ist; ein unteres Anbindungselement (14) des passiven Stützelements (12) eingerichtet ist, an den unteren Rücken, das Becken, die Beine und/oder die Füße eines Benutzers angebunden zu werden; ein oberes Anbindungselement (16) des passiven Stützelements (12) eingerichtet ist, an den oberen Rücken, den Brustbereich und/oder den Schulterbereich des Benutzers angebunden zu werden; ein unteres Ende des Aktors (18) eingerichtet ist, an den unteren Rücken und/oder das Becken eines Benutzers angebunden zu werden; und ein oberes Ende des Aktors (18) eingerichtet ist, an dem oberen Ende des passiven Stützelements (12) angebunden zu werden; und der Aktor (18) eingerichtet ist, ein oberes Ende des passiven Stützelements (12) mit einer Kraft zu beaufschlagen.
System (10) nach Anspruch 2, wobei der Aktor (18) eingerichtet ist, das obere Ende des passiven Stützelements (12) mit einer Zugkraft zu beaufschlagen.
System (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das passive Stützelement (12) ein längliches oder stabförmiges Grundelement umfasst.
System (10) nach Anspruch 4, wobei das obere Anbindungselement (16) des passiven Stützelements (12) relativ zum Grundelement verschiebbar ist.
System (10) nach Anspruch 5, wobei das obere Anbindungselement (16) des passiven Stützelements (12) in Längsrichtung des Grundelements linear verschiebbar ist.
System (10) nach Anspruch 6, wobei das obere Anbindungselement (16) des passiven Stützelements (12) in Längsrichtung des Grundelements mittels eines Aktors (16a) linear verschiebbar ist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei der Aktor eingerichtet ist, die Steifigkeit des Stützelements (12) mittels Zuführung von Luft zu ändern.
System (10) nach Anspruch 8, wobei das Stützelement (12) eingerichtet ist, über einen zweiten Aktor (24) an den unteren Rücken, das Becken, die Beine und/oder die Füße eines Benutzers angebunden zu werden.
System (10) nach Anspruch 9, wobei der zweite Aktor (24) eingerichtet ist, eine Position des Stützelements (12) relativ zu Anbindungspunkten des Systems (10) am Körper eines Benutzers dynamisch zu ändern.
System (10) nach Anspruch 10, wobei das Stützelement (12) relativ zum Aktor (24) drehbar gelagert ist.
System (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei ein oberes Anbindungselement (16) des Stützelements (12) eingerichtet ist, an den oberen Rücken, den Brustbereich und/oder den Schulterbereich des Benutzers angebunden zu werden.
Verfahren zur Unterstützung der Muskelkraft, umfassend: Anbinden (26) eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 an den Körper eines Menschen; Empfangen (28) eines Steuerbefehls, der auf eine Vergrößerung der Steifigkeit des passiven Stützelements (12) gerichtet ist; und in Reaktion auf den Steuerbefehl, Vergrößern (30) der Steifigkeit des passiven Stützelements (12) mittels Beaufschlagens des oberen Endes des passiven Stützelements (12) mit einer Zugkraft.
Verfahren zur Unterstützung der Muskelkraft nach Anspruch 13, ferner umfassend: Verschieben des oberen Anbindungselements (16) des passiven Stützelements (12) relativ zum passiven Stützelement (12) mittels eines Aktors (16a).
Verfahren zur Unterstützung der Muskelkraft, umfassend: Anbinden (26) eines Systems (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 12 an den Körper eines Menschen; Empfangen (28) eines Steuerbefehls, der auf eine Vergrößerung der Steifigkeit des Stützelements (12) gerichtet ist; und in Reaktion auf den Steuerbefehl, Vergrößern (30) der Steifigkeit des Stützelements (12) mittels Befüllen des Stützelements (12) mit Luft.
Verfahren zur Unterstützung der Muskelkraft nach Anspruch 15, ferner umfassend: Ändern einer Position und/oder Ausrichtung des befüllten Stützelements (12) relativ zu einem Anbindungspunkt am Unterkörper eines Benutzers mittels eines Aktors (24).