DE102018213481A1

DE102018213481A1 - Bewegungsvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Bewegungsvorrichtung und Verfahren zum Unterstützen einer Bewegung des Nutzers unter Verwendung einer Bewegungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018213481A1
Application number: DE102018213481.2A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Ertl; Wolfgang Schmid; Nils Krämer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bewegungsvorrichtung (10) zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers. Die Bewegungsvorrichtung (10) umfasst ein erstes Koppelelement (14) und ein zweites Koppelelement (16), wobei das erste Koppelement (14) und das zweite Koppelement (16) über ein Gelenk (18) miteinander verbunden sind. Ferner weist die Bewegungsvorrichtung (10) einen Aktor (12) auf, welcher mit dem ersten Koppelelement (14) und dem zweiten Koppelelement (16) gekoppelt ist, wobei der Aktor (12) dazu eingerichtet ist, eines der beiden Koppelelemente (14; 16) mit einer Kraft zu beaufschlagen. Des Weiteren ist der Aktor (12) dazu eingerichtet ist, Energie zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente (14; 16) mit der Kraft aufzunehmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungsvorrichtung zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Bewegungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Unterstützen einer Bewegung des Nutzers unter Verwendung einer derartigen Bewegungsvorrichtung.
Die menschlichen Gelenke und die in der Bewegung aktivierten Muskelgruppen unterliegen täglich starken Belastungen und Beanspruchungen. Sowohl beim Gehen, Laufen oder Treppensteigen, als auch beim Heben, Stemmen oder Werfen, werden die Muskelgruppen beansprucht und die Gelenke belastet.
Der Mensch trainiert entsprechende Muskelgruppen für seine physische Fitness, um Ziele schneller zu erreichen, oder sein Durchhaltevermögen zu steigern.
Menschen, deren Muskelgruppen oder Gelenke durch Unfälle oder Erkrankungen geschwächt sind, sind oftmals in der Ausführung der Bewegung und/oder in ihrem Bewegungsradius eingeschränkt. Die Gelenke und Muskelgruppen, die zur Ausführung einer Bewegung beansprucht werden, können dabei nicht genügend Leistung zur Ausführung der Bewegung erbringen. Hierdurch kann es vorkommen, dass nur eine beschränkte Geschwindigkeit und/oder ein eingeschränkter Bewegungsradius erbringbar ist.
Um eine Ausführung einer Bewegung zu unterstützen, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Ausführungsformen bekannt.
So beschreiben beispielsweise die DE 20 2004 008 014 U1 und die DE 20 2009 012 627 U1 eine Schwungphasensteuervorrichtung für ein künstliches Kniegelenk mit einer Kolbenzylindereinrichtung, welche eine erste Kammer auf einer Seite eines Kolbens und eine zweite Kammer auf einer gegenüberliegenden Seite des Kolbens aufweist. Des Weiteren umfasst die Schwungphasensteuervorrichtung eine erste Drossel, welche das Austreten eines Fluids aus der ersten Kammer drosselt, und eine erste Einrichtung, welche bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in der ersten Kammer die Drossel schließt. Ferner weist die Schwungphasensteuervorrichtung eine zweite Drossel, welche das Austreten des Fluids aus der zweiten Kammer drosselt, und eine zweite Einrichtung auf, welche bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in der zweiten Kammer die zweite Drossel schließt. Durch den Betrieb der Schwungphasensteuervorrichtung werden Streckbewegungen des künstlichen Knies ausgeführt.
Anstelle aktiv einen Bewegungsablauf zu unterstützen, ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, auf einen Bewegungsapparat einwirkende Kräfte abzuschwächen, um einer Belastung entgegenzuwirken. Hierzu beschreibt beispielsweise die DE 10 2015 107 783 A1 eine Prothesen- oder Exoskelettkomponente für eine Prothese oder ein Exoskelett mit einer Stoßdämpfereinrichtung. Die Stoßdämpfereinrichtung umfasst eine über eine Steuereinrichtung steuerbare Dämpfereinrichtung. Ferner weist die Prothesen- oder Exoskelettkomponente eine Erkennungseinrichtung auf, welche eine Sensoreinheit umfasst. Die Sensoreinheit ist dazu eingerichtet, ein Signal zu empfangen. Die Erkennungseinheit ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von dem erfassten Signal eine Unwegsamkeit zu erkennen und die Dämpfereinrichtung derart anzusteuern, dass eine Dämpfungseigenschaft der Dämpfereinrichtung durch ein Signal der Erkennungseinrichtung einstellbar ist.
Derartige Vorrichtungen zum Unterstützen oder Entlasten einer Bewegung eines Nutzers sind besonders komplex aufgebaut und besonders aufwändig zu betreiben. Ferner sind derartige Vorrichtungen durch die besonders vielen mechanischen Komponenten einem besonders hohen Verschleiß ausgesetzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bewegungsvorrichtung zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Bewegungsvorrichtung und ein Verfahren zu dessen Verwendung derart zu verbessern, dass die Bewegungsvorrichtung einen besonders einfachen und kompakten Aufbau aufweist und zugleich besonders zuverlässig, insbesondere hinsichtlich einer Handhabung, zu betreiben ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Bewegungsvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Bewegungsvorrichtung und ein Verfahren zum Unterstützen einer Bewegung des Nutzers unter Verwendung einer Bewegungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Entsprechend schlägt die Erfindung eine Bewegungsvorrichtung zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers vor. Mit „Unterstützen“ ist insbesondere ein Erleichtern oder ein Stabilisieren oder ein Übernehmen einer Bewegung eines Nutzers durch die Bewegungsvorrichtung gemeint. Hierzu umfasst die Bewegungsvorrichtung ein erstes Koppelelement und ein zweites Koppelelement, wobei das erste Koppelement und das zweite Koppelement über ein Gelenk, insbesondere ein mechanisches Gelenk, miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten sind das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement gelenkig miteinander verbunden. Das Gelenk kann beispielsweise als ein Kreuzgelenk oder als ein Drehgelenk oder als ein Schraubgelenk oder als ein Drehschubgelenk oder als ein Kugelgelenk ausgebildet sein. Das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement können beispielsweise als Schiene oder als Stab ausgebildet sein. Ferner können das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement aus Stahl, insbesondere Edelstahl oder Chirurgenstahl, oder Kunststoff gebildet sein. In vorteilhafter Weise sind das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet. Bevorzugt sind die durch das Gelenk miteinander verbundenen Koppelelemente an zwei Körperteilen befestigbar oder anordenbar oder fixierbar und stellen einen Kraftschluss sicher.
Des Weiteren weist die Bewegungsvorrichtung einen Aktor auf, welcher mit dem ersten Koppelelement und dem zweiten Koppelelement gekoppelt ist. Mit anderen Worten kann der Aktor mit dem ersten Koppelelement und dem zweiten Koppelelement verbunden sein oder an dem ersten Koppelelement und dem zweiten Koppelelement fixiert sein.
Der Aktor ist dabei dazu eingerichtet, eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft zu beaufschlagen. Durch das Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft kann das mit der Kraft beaufschlagte Koppelelement bewegt, insbesondere um das Gelenk gekippt, werden. Bevorzugt bewegt sich das andere Koppelelement dabei nicht. Durch das Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente - das erste Koppelelement oder das zweite Koppelelement - mit einer Kraft, ist der Aktor bevorzugt dazu eingerichtet, einen Bewegungsabschnitt eines Bewegungsablaufs der Bewegung des Nutzers zu unterstützen und/oder zu entlasten. Beispielsweise kann die Bewegungsvorrichtung ein Anheben und/oder ein Abwinkeln eines Beins oder eines Arms unterstützen. Mit anderen Worten kann die Bewegungsvorrichtung durch eine Energieabgabe des Aktors, insbesondere an eines der beiden Koppelelemente, einen Bewegungsapparat des Nutzers in der Bewegung unterstützen und/oder entlasten. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Bewegungsablauf um ein Gehen des Nutzers handeln. Entsprechend kann ein Bewegungsabschnitt ein Anheben und/oder ein Absenken und/oder ein Anwinkeln eines Beins oder eines Fußes des Nutzers umfassen. Insbesondere kann ein Bewegungsabschnitt des Bewegungsablaufs des Nutzers unterstützt oder entlastet werden, bei welchem der Nutzer selbst eine Kraft aufbringen muss.
Dabei wird das Koppelement, welches nicht mit der Kraft beaufschlagt wird, bevorzugt nicht bewegt. Besonders bevorzugt wird in der Phase der Bewegung des Nutzers in dem Aktor gespeicherte Energie abgegeben und durch eine Hebelwirkung auf eines der beiden Koppelelemente und damit auf Muskeln und/oder Sehnen und/oder Knochen übertragen und so der Bewegungsablauf beschleunigt.
Des Weiteren ist der Aktor ferner dazu eingerichtet, Energie zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente mit der Kraft aufzunehmen und zu speichern. Die Energie kann beispielsweise in Form von Bewegungsenergie und/oder in einer anderen Energieform, insbesondere durch mechanische Energie, wie beispielsweise durch Ausüben einer Kraft, auf den Aktor übertragen und in oder durch den Aktor gespeichert werden. Bevorzugt erfolgt in einem oder mehreren Bewegungsabschnitten der Bewegungsvorrichtung eine Energieaufnahme des Aktors und in einem weiteren oder mehreren weiteren Bewegungsabschnitten erfolgt eine Energieabgabe durch den Aktor an eines der beiden Koppelemente.
Die Energieaufnahme durch den Aktor kann dabei aktiv und/oder passiv erfolgen. Zur passiven Energieaufnahme kann eines der beiden Koppelelemente bei einem weiteren Bewegungsabschnitt des Bewegungsablaufs der Bewegung des Nutzers, bei welchem insbesondere keine Kraft von dem Aktor auf eines der beiden Koppelemente ausgeübt wird, Energie dem Aktor zuführen. Mit anderen Worten kann eines der beiden Koppelelemente durch dessen Bewegung, insbesondere hervorgerufen durch den weiteren Bewegungsabschnitt des Bewegungsablaufs des Nutzers, Energie, insbesondere Bewegungsenergie, aufnehmen und diese an den Aktor abgeben, beispielsweise durch Umwandeln der Bewegungsenergie in eine Kraft auf den Aktor. Mit anderen Worten ist der Aktor zu einer Rekuperation, insbesondere zu einer Rekuperation von Bewegungsenergie, eingerichtet. Zur aktiven Energieaufnahme kann die Bewegungsvorrichtung ferner einen Energieträger aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, Energie in den Aktor einzubringen oder einzuleiten. Beispielsweise kann der Energieträger eine Pumpe, insbesondere eine Vakuum-Pumpe, aufweisen, welche insbesondere dazu eingerichtet ist, einen Unterdruck im Aktor zu erzeugen. Die Pumpe, insbesondere die Vakuum-Pumpe, hat den Vorteil, dass sie eine kostengünstige Bauweise, eine geringe Leistungsaufnahme, einen hoher Wirkungsgrad im gesamten Temperaturbereich, eine hohe Haltbarkeit, einen niedriger Öldurchsatz, ein niedriges Gewicht aufweist und besonders wenig Teile und schwingungs- und geräuscharm ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Energieträger eine Luftkartusche oder eine Gasdruckfeder aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, dem Aktor Energie, insbesondere durch Ausüben einer Kraft auf eines der beiden Koppelelemente, zuzuführen.
Durch den Aktor und die zwei Koppelelemente ist die Bewegungsvorrichtung besonders einfach aufgebaut. Ferner kann der Aktor durch die Energieaufnahme- und abgabeeigenschaften gleich mehrere Funktionen erfüllen, ohne dass eine Komplexität des Aufbaus erhöht wird. Des Weiteren kann die Bewegungsvorrichtung besonders einfach betrieben werden. Insbesondere wird durch die Bewegungsvorrichtung eine Bewegung des menschlichen Körpers in ihrer Ausführung durch den Einsatz des Aktors und der beiden Koppelelemente unterstützt und erleichtert so die Ausführung.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Aktor parallel zu einem der beiden Koppelelemente angeordnet ist. Mit anderen Worten liegt der Aktor parallel zu einem der beiden Koppelelemente oder ist parallel dazu ausgerichtet. Ist eines der beiden Koppelelemente an einem Körperteil angeordnet, so ist auch insbesondere der Aktor parallel zu diesem Körperteil angeordnet. Beispielsweise kann eines der beiden Koppelelemente an einem Unterschenkel des Nutzers und damit auch der Aktor parallel zu und über das Koppelement an dem Unterschenkel angeordnet sein. Durch die parallele Anordnung des Aktors zu einem der beiden Koppelelemente kann sichergestellt werden, dass durch eine Bewegung des anderen Koppelelements Kraft auf den Aktor ausgeübt oder Energie in den Aktor, insbesondere bei dem weiteren Bewegungsabschnitt und/oder durch eine Hebelwirkung des anderen Koppelelement, eingeleitet werden kann.
In vorteilhafter Weise ist der Aktor als eine Luftfeder ausgebildet. Bei der Luftfederung handelt es sich insbesondere um ein Federungssystem, das die Kompressibilität von Gasen, insbesondere von Luft, ausnutzt. Besonders bevorzugt ist der Aktor als eine Vakuum- oder Unterdruck-Luftfeder ausgebildet. Mit anderen Worten ein Vakuum und/oder einen Unterdruck in der Luftfeder, insbesondere in einer Kammer oder einer Feder-Druckkammer der Luftfeder, erzeugbar. Das Vakuum und/oder der Unterdruck wird durch die Vakuum-Luftfeder oder durch ein Zusammenspiel der Komponenten der Luftfeder oder die Energieaufnahme durch die Vakuum-Luftfeder, insbesondere während des weiteren Bewegungsabschnitts zur Energieaufnahme zum Speichern von Energie für den Bewegungsabschnitt, erzeugt. Die Ausbildung des Aktors als Luftfeder hat den Vorteil, dass der Aktor besonders einfach aufgebaut und einem besonders geringen Verschleiß ausgesetzt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Aktor zumindest ein Gehäuse und ein bewegliches Aktorelement aufweist. Insbesondere ist das Aktorelement verschiebbar in oder an dem Gehäuse gehalten. Mit „bewegliches Aktorelement“ ist insbesondere ein Element gemeint, welches in eine vorbestimmte Richtung verfahrbar oder verschiebbar ist. Das Aktorelement kann einen Teller und einen daran angeordneten Hebel oder eine Stange aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Aktorelement als ein Kolben ausgebildet. Bevorzugt ist das Aktorelement zumindest teilweise in dem Gehäuse des Aktors angeordnet. Besonders bevorzugt weist der Aktor ferner eine Dichtung auf, welche zwischen dem Aktorelement und dem Gehäuse oder einer Wandung des Gehäuses angeordnet ist. Ferner ist das bewegliche Aktorelement in dem Gehäuse zumindest teilweise, also vollständig oder teilweise, angeordnet und kann in eine Hochrichtung des Gehäuses in dem Gehäuse bewegt werden. Mit anderen Worten kann das bewegliche Aktorelement in dem Gehäuse in die Hochrichtung nach oben und nach unten bewegt werden, insbesondere in Richtung eines Bodens des Gehäuses oder von dem Boden des Gehäuses weg. Das Gehäuse kann als ein Zylinder ausgebildet sein oder die Form eines Zylinders aufweisen. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse einseitig offen ausgebildet. Mit anderen Worten weist das Gehäuse zumindest eine Öffnung auf. Diese Öffnung ist insbesondere durch das Aktorelement verschlossen. Des Weiteren fassen das Gehäuse und das bewegliche Aktorelement eine Kammer ein. Mit „Kammer“ ist insbesondere ein Hohlraum gemeint. Das Gehäuse und das bewegliche Aktorelement bilden insbesondere die Wandungen der Kammer. In Abhängigkeit von einer Bewegung des Aktorelements kann die Kammer vergrößert oder verkleinert werden. Insbesondere ist bei der Kammer zu gewährleisten, dass Luft in das Innere der Kammer strömen oder nachströmen kann oder dieses Nachströmen von Luft aktiv verhindert werden kann, um den Aufbau von Unterdruck zu ermöglichen, beispielsweise über ein schaltbares Ventil. Des Weiteren ist das Gehäuse mit einem ersten Koppelelement und das bewegliche Aktorelement mit dem zweiten Koppelelement gekoppelt. Mit anderen Worten ist das Gehäuse an dem ersten Koppelelement und das bewegliche Aktorelement an dem zweiten Koppelelement befestigt. Durch einen derartigen Aufbau wird die Bewegung eines der beiden Koppelelemente, insbesondere des zweiten Koppelelements, zum Unterstützen einer Bewegung und/oder zum Einleiten von Energie in den Aktor gewährleistet.
In vorteilhafter Weise weist der Aktor ein erstes Ventil, welches an dem beweglichen Aktorelement angeordnet ist, und ein zweites Ventil auf, welches an dem Gehäuse angeordnet ist. Bevorzugt ist das zweite Ventil an einer Gehäuseunterseite oder einem Gehäuseboden gegenüber dem beweglichen Aktorelement des Aktors angeordnet. Ferner ist das eine Umgebung der Bewegungsvorrichtung über das erste Ventil und das zweite Ventil fluidisch mit der Kammer des Aktors gekoppelt. Mit anderen Worten kann über das erste Ventil und das zweite Ventil ein Fluid, insbesondere Luft, aus der Umgebung der Bewegungsvorrichtung in die Kammer gelangen oder einströmen oder aus der Kammer an die Umgebung abgegeben werden oder strömen. Mit „Ventil“ ist insbesondere ein Bauteil zur Absperrung oder Steuerung des Durchflusses von Fluiden gemeint. Besonders bevorzugt sind das erste Ventil und das zweite Ventil strömungsgleich ausgelegt. Mit anderen Worten strömt das über das erste Ventil und das zweite Ventil eintretende und/oder austretende Fluid bei den Ventilen in die gleiche Richtung. Insbesondere arbeiten die Ventile nur in eine Richtung. Besonders bevorzugt kann über ein Ventil Luft aus der Umgebung in die Kammer strömen und über das andere Ventil Luft aus der Kammer an die Umgebung strömen. Beispielsweise kann über das erste Ventil Luft in die Kammer aber nicht aus der Kammer heraus an die Umgebung und über das zweite Ventil Luft aus der Kammer an die Umgebung aber nicht aus der Umgebung in die Kammer strömen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Bewegungsvorrichtung ferner eine Steuereinrichtung und eine Sensoreinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Signal der Sensoreinrichtung das erste Ventil und/oder das zweite Ventil zu steuern. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, das erste Ventil und/oder das zweite Ventil durch das Ansteuern zu öffnen und/oder zu schließen. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als eine ECU (Electronic Control Unit) ausgebildet sein. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet, zumindest einen Bewegungsabschnitt der Bewegungsabschnitte und/oder eine Art der Bewegung des Bewegungsablaufs der Bewegung des Nutzers zu erfassen und in Abhängigkeit von dem erfassten Bewegungsabschnitt und/oder einer Art der Bewegung des Bewegungsablaufs der Bewegung des Nutzers ein Signal auszugeben. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, eine Erschütterung und/oder einen Druck und/oder eine Berührung, insbesondere auf den Nutzer oder die Bewegungsvorrichtung, zu erfassen. Wird durch die Sensoreinrichtung beispielsweise eine Erschütterung erfasst, so kann die Sensoreinrichtung das Signal an die Steuereinrichtung ausgeben. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung zumindest einen Drucksensor und/oder zumindest einen Fliehkraftsensor aufweisen. Der zumindest eine Fliehkraftsensor kann dazu eingerichtet sein, eine Umkehrung der Bewegungsrichtung oder ein vorbestimmtes Muster der Bewegung zu registrieren oder zu erfassen. Bei einer Erfassung einer Umkehrung der Bewegungsrichtung und/oder einer Erfassung eines vorbestimmten Musters oder eines vorbestimmten Ablaufs einer Bewegung kann der Fliehkraftsensor ein Signal an die Steuereinrichtung zum Ansteuern der ersten Ventils und/oder des zweiten Ventils ausgeben. Beispielsweise kann ein Signal zum Schließen oder Öffnen des jeweiligen Ventils - erstes Ventil und/oder zweites Ventil - ausgelöst werden. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem erfassten Signal das Schließen des ersten Ventils und/oder des zweiten Ventils über ein solches Signal zu steuern und das Öffnen des ersten Ventils und/oder des zweiten Ventils zeitverzögert, insbesondere zu dem Schließen, und/oder in Abhängigkeit der vorherrschenden Frequenz des Bewegungsablaufes zu steuern.
Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Bewegungsvorrichtung zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers, wobei die Bewegungsvorrichtung ein erstes Koppelelement und ein zweites Koppelelement, welche über ein Gelenk, insbesondere ein mechanisches Gelenk, miteinander verbunden sind, und einen Aktor aufweist, welcher mit dem ersten Koppelelement und dem zweiten Koppelelement gekoppelt ist. In einem Verfahrensschritt wird mittels des Aktors eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft beaufschlagt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird Energie zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente mit der Kraft durch den Aktor aufgenommen und gespeichert. Dabei kann die Energie aktiv und/oder passiv aufgenommen werde. Bei der passiven Energieaufnahme wird die Energie insbesondere durch die Bewegung eines der beiden Koppelelemente in den Aktor eingeleitet. Durch die Bewegung eines der beiden Koppelemente wird die Bewegungsenergie rekuperiert und zwar insbesondere als in den Aktor eingespeiste oder zu speichernde Energie. Zur aktiven Energieaufnahme kann die Bewegungsvorrichtung ferner einen Energieträger aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, Energie in den Aktor einzubringen oder einzuleiten. Beispielsweise kann der Energieträger eine Pumpe, insbesondere eine Vakuum-Pumpe, aufweisen, welche insbesondere dazu eingerichtet ist, einen Unterdruck oder ein Vakuum im Aktor zu erzeugen. Alternativ kann der Energieträger eine Luftkartusche aufweisen, welche Energie in den Aktor einleitet, beispielsweise eine Kraft auf das bewegliche Aktorelement ausübt oder überträgt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass zum Einleiten von Energie in den Aktor eine Kraft durch eines der beiden Koppelelemente auf das bewegliche Aktorelement derart einwirkt, dass das Aktorelement von einem Boden des Gehäuses wegbewegt und ein Unterdruck in einer Kammer, welche durch das bewegliche Aktorelement und ein Gehäuse eingefasst ist, erzeugt wird. Der Unterdruck oder das Vakuum wird insbesondere dadurch erzeugt, dass zumindest eines der beiden Ventile, insbesondere das Ventil über welches Luft in die Kammer gelangen kann, geschlossen ist und die Kammer vergrößert wird. Die Kammer oder das Volumen der Kammer wird durch eine Bewegung des Aktorelements von dem Boden des Gehäuses weg vergrößert. Hierzu wird insbesondere das bewegliche Aktorelement aus einer ersten Position in eine weitere Position verschoben oder verlagert, insbesondere durch eines der beiden Koppelelemente oder durch eine Bewegung eines der beiden Koppelelemente, wobei in der weiteren Position die Kammer ein größeres Volumen aufweist, als in der ersten Position des beweglichen Aktorelements.
In vorteilhafter Weise kann zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft das Aktorelement in Richtung des Bodens des Gehäuses bewegt und dadurch eine Kraft von dem Aktorelement auf eines der beiden Koppelemente übertragen werden. Beispielsweise kann durch die vorab vergrößerte Kammer, bei welcher ein Unterdruck in der Kammer generiert wurde, durch eine Bewegung des Koppelelements in die entgegengesetzte Richtung, insbesondere in Richtung des Bodens des Gehäuses, die Bewegung durch den Unterdruck unterstützt werden. Insbesondere wird das bewegliche Aktorelement aus der weiteren Position zurück in die erste oder eine weitere Position verschoben oder verlagert, wobei in der ersten Position die Kammer ein größeres Volumen aufweist, als in der weiteren Position des beweglichen Aktorelements. Dadurch steigt der Druck in der Kammer insbesondere wieder auf einen Umgebungsdruck an.
Zusätzlich oder alternativ kann zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft Luft in die Kammer eingebracht werden, wodurch die Kammer vergrößert und das bewegliche Aktorelement bewegt und dadurch eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft beaufschlagt wird. Die Luft kann beispielsweise durch das Öffnen eines der beiden Ventile, insbesondere des Ventils über welchen ein Lufteintritt in die Kammer möglich ist, oder durch den Energieträger, wie beispielsweise die Luftkartusche, eingebracht werden. Mit anderen Worten kann zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft Luft in die Kammer über eines der beiden Ventile in die Kammer eingelassen werden, wodurch die Kammer vergrößert und das bewegliche Aktorelement bewegt und eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft beaufschlagt wird. Beim Bewegen des beweglichen Aktorelements ist insbesondere eines der beiden Ventile geschlossen und das andere Ventil, über welches Luft in die Kammer gelangen kann, geöffnet. Hierdurch strömt zum Bewegen des beweglichen Aktorelements Luft über das entsprechende Ventil in die Kammer und drückt insbesondere das bewegliche Aktorelement in die Hochrichtung des Gehäuses oder von dem Boden des Gehäuses weg und übt eine Kraft auf das entsprechende Koppelelement aus. Insbesondere wird für das aktive Einbringen von Kräften oder einer Kraft das Aktorelement, insbesondere der Kolben, aktiv, insbesondere durch den Energieträger, nach oben oder unten gedrückt. Beispielsweise kann das Aktorelement auch durch eine Gasfeder aktiv bewegt werden. Beim Bewegen des Aktorelements durch den Energieträger, wodurch die Kammer vergrößert wird, kann dann Luft über das entsprechende Ventil in die Kammer nachströmen. Bevorzugt bleibt der Druck in der Kammer auf einem vorbestimmten Druck, insbesondere Umgebungsdruck.
Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Verfahren zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers unter Verwendung der Bewegungsvorrichtung.
In vorteilhafter Weise wird bei dem Verfahren unter Verwendung der Bewegungsvorrichtung in einem Verfahrensschritt das erste Koppelelement an ein erstes Körperteil des Nutzers angeordnet oder angebracht. In einem weiteren Verfahrensschritt wird das zweite Koppelement an ein zweites Körperteil des Nutzers angeordnet oder angebracht, wobei das erste Körperteil und das zweite Körperteil über ein Gelenk, insbesondere ein menschliches Gelenk, miteinander verbunden sind. Dabei werden das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement derart angeordnet, dass ein Drehmittelpunkt des Gelenks des Nutzers auf dem Drehmittelpunkt des Gelenks, insbesondere des mechanischen Gelenks, welches das erste und das zweite Koppelelement des Nutzers miteinander koppelt, liegt. Besonders bevorzugt kann die Bewegungsvorrichtung Teil oder Bestandteil eines Exoskeletts oder einer Prothese bilden.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Bewegungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Unterstützen einer Bewegung des Nutzers unter Verwendung einer Bewegungsvorrichtung, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bewegungsvorrichtung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren hier nicht noch einmal beschrieben.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Bewegungsvorrichtung, welche ein erstes und ein zweites Koppelelement und einen mit dem ersten und dem zweiten Koppelelement gekoppelten Aktor umfasst;
2 eine schematische Darstellung eines Bewegungsablaufs eines Nutzers mit Bewegungsabschnitten mit der Zeit;
3 eine schematische Darstellung von drei Zuständen einer Beinstellung, insbesondere einer Stellung eines Fußes und eines Unterschenkels zueinander, welche bei einem Bewegungsablauf des Nutzers auftreten;
4 schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms des Bewegungsablauf eines Beins des Nutzers und der Bewegung des zweiten Koppelelements;
5 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms mit einem Druckverlauf p der Luftfeder, einer Einstellung oder Stellung des ersten Ventils und des zweiten Ventils während des Bewegungsablaufs des Nutzers mit der Zeit; und
6 eine schematische Darstellung der Betriebszustände der Bewegungsvorrichtung, insbesondere während eines Bewegungsablaufs.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Bewegungsvorrichtung 10. Die Bewegungsvorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, eine Bewegung eines Nutzers zu unterstützen. Die Bewegungsvorrichtung 10 kann beispielsweise Teil eines Exoskeletts oder einer Prothese sein. Bevorzugt ist in 1 und 6 ein passives System gezeigt.
Die Bewegungsvorrichtung 10 umfasst einen Aktor 12, ein erstes Koppelelement 14 und ein zweites Koppelelement 16. Der Aktor 12 ist als eine Luftfeder, bevorzugt eine Vakuum- oder Unterdruck-Luftfeder, ausgebildet. Das erste Koppelement 14 und das zweite Koppelement 16 sind über ein Gelenk 18 miteinander verbunden sind. Das Gelenk 18 ist dabei als ein mechanisches Gelenk ausgebildet. Das Gelenk 18 kann beispielsweise als ein Kreuzgelenk oder als ein Drehgelenk oder als ein Schraubgelenk oder als ein Drehschubgelenk oder als ein Kugelgelenk ausgebildet sein. Das erste Koppelelement 14 und das zweite Koppelelement 16 können beispielsweise als Schiene oder als Stab ausgebildet sein. Ferner können das erste Koppelelement 14 und das zweite Koppelelement 16 aus Stahl, insbesondere Edelstahl oder Chirurgenstahl, oder Kunststoff gebildet sein.
Wie 1 zu entnehmen ist, ist der Aktor 12 mit dem ersten Koppelelement 14 und dem zweiten Koppelelement 16 gekoppelt oder verbunden. Ferner ist der Aktor 12 parallel zu dem ersten Koppelelement 14 angeordnet. Der Aktor 12 weist ferner ein Gehäuse 20 und ein Aktorelement 22 auf. Das erste Koppelelement 14 ist dabei mit dem Gehäuse 20 und das zweite Koppelelement 16 mit dem Aktorelement 22 gekoppelt oder verbunden. Hierbei ist das zweite Koppelelement 16 direkt mit dem Aktorelement 22 gekoppelt oder verbunden, wohingegen das erste Koppelement 14 über ein Verbindungsstück oder ein Verbindungselement 24 mit dem ersten Koppelelement 14 gekoppelt oder verbunden ist. Der schwarze Punkt beim Übergang von dem Aktorelement 22 zu dem zweiten Koppelelement 16 verdeutlicht insbesondere, dass es sich um zwei Komponenten handelt. Das Aktorelement 22 ist insbesondere nicht einstückig mit dem zweiten Koppelelement 16 ausgebildet. Alternativ kann auch das zweite Koppelelement 16 mit dem Aktorelement 22 über ein Verbindungselement oder ein Koppelglied gekoppelt sein.
Das Gehäuse 20 ist insbesondere als Zylinder, bevorzugt als ein Hohlzylinder, ausgebildet. Das Gehäuse 20 weist ferner eine Öffnung 26 auf. Die Öffnung 26 ist dabei gegenüber eines Bodens des Gehäuses 20 angeordnet. Das Aktorelement 22 ist in einem Innenraum des Gehäuses 20 zumindest teilweise aufgenommen. Ferner ist das Aktorelement 22 beweglich ausgebildet oder in oder an dem Gehäuse 20 verschiebbar gehalten. Das Aktorelement 22 kann dabei in eine Hochrichtung z der Bewegungsvorrichtung 10 verschoben oder bewegt werden. Das Aktorelement 22 ist beispielsweise als ein Kolben ausgebildet. Der Kolben umfasst einen Teller und einen daran angeordnete Stange. Die Stange des Kolbens ist mit dem zweiten Koppelelement oder über das Verbindungselement mechanisch verbunden. Das Aktorelement 22 und das Gehäuse 20 schließen ferner eine Kammer 28 des Aktors 12 ein. Die Kammer 28 bildet dabei bevorzugt Teil des Innenraums des Gehäuses 20.
Wie bereits erläutert, kann das Aktorelement 22 in die Hochrichtung z der Bewegungsvorrichtung 10 verschoben oder bewegt werden. Wird das Aktorelement 22 beispielsweise in Richtung des Bodens des Gehäuses 20 oder von der Öffnung 26 weg in die Hochrichtung z verschoben, so wird die Kammer 28, die durch das Gehäuse 20 und das Aktorelement 22 eingeschlossen ist, verkleinert, insbesondere ein Volumen der Kammer 28 reduziert. Die Hochrichtung z stimmt insbesondere mit einer Gravitationsrichtung überein. Wird das Aktorelement 22 in Richtung der Öffnung 26 des Gehäuses 20 oder von dem Boden des Gehäuses 20 weg in die Hochrichtung z verschoben oder bewegt, so wird die Kammer 28, die durch das Gehäuse 20 und das Aktorelement 22 eingeschlossen ist, vergrößert, insbesondere ein Volumen der Kammer 28 vergrößert. Mit einer Bewegung des Aktorelements 22 wird das zweite Koppelelement 16 bewegt. Bevorzugt wird das zweite Koppelelement 16 um das Gelenk 18 oder eine Drehachse des Gelenks 18 bewegt oder gekippt. Auch mit einer Bewegung des zweiten Koppelelements 16 wird das Aktorelement 22 bewegt oder verschoben oder verlagert, insbesondere in die Hochrichtung z.
Ferner weist der Aktor 12 ein erstes Ventil V₁ (in 1 nicht gezeigt), welches an dem beweglichen Aktorelement 22 angeordnet ist. Das erste Ventil V₁ kann auch als Einlassventil bezeichnet werden. Ferner weist der Aktor 12 ein zweites Ventil V₂ (in 1 nicht gezeigt) auf, welches an dem Gehäuse 20 angeordnet ist. Das zweite Ventil V₂ kann auch als Auslassventil bezeichnet werden. Dabei ist das zweite Ventil V₂ an einer Gehäuseunterseite oder dem Boden des Gehäuses 20 gegenüber dem beweglichen Aktorelement 22 des Aktors 12 oder der Öffnung 26 angeordnet. Ferner koppeln das erste Ventil V₁ und das zweite Ventil V₂ eine Umgebung 30 der Bewegungsvorrichtung 10 fluidisch mit der Kammer 28 des Aktors 12. Mit anderen Worten kann über das erste Ventil V₁ und/oder das Ventil V₂ ein Fluid, insbesondere Luft, aus der Umgebung 30 der Bewegungsvorrichtung 10 in die Kammer 28 gelangen oder einströmen oder aus der Kammer 10 an die Umgebung 30 strömen oder abgeleitet werden. Die Ventile V₁ , V₂ arbeiten dabei nur in eine Richtung. Mit anderen Worten ist die Strömungsrichtung, in welcher das Fluid die beiden Ventile V₁ , V₂ passiert oder durchströmt, die gleiche.
Im Zusammenhang von 2 und 3 soll der Bewegungsablauf des Nutzers und die damit verbundene Bewegung des zweiten Koppelelements 16 genauer erläutert werden. In 2 ist der Bewegungsablauf eines Beins 32 des Nutzers dargestellt. Das erste Koppelelement 14 kann dabei an einem Unterschenkel 34 des Beins 32 angeordnet sein. Das zweite Koppelelement 16 kann an einer Ferse eines Fußes 36 oder an dem Fuß 36, insbesondere an einer Fußsohle, angeordnet sein. Das erste Koppelelement 14 bewegt sich während des Bewegungsablaufes nicht. Das zweite Koppelelement 16 bewegt sich während des Bewegungsablaufes oder wird während des Bewegungsablaufes bewegt. Bei dem Bewegungsablauf handelt es sich um ein Gehen oder eine Geh- oder Laufbewegung des Nutzers. Der Bewegungsablauf während der Bewegung oder des Gehens des Nutzers ist in 10 Zustände a) bis j) unterteilt. In den Zuständen a), d), g) und i) und/oder j) befinden sich der Unterschenkel 34 und der Fuß 36 im rechten Winkel zueinander. In diesem Zustand wird keine Kraftausübung auf das zweite Koppelelement 16 ausgeübt oder es erfolgt keine Kraftausübung durch das zweite Koppelelement 16. In diesem Zustand befindet sich der Unterschenkel 34 und der Fuß 36 des Nutzers und/oder das erste Koppelelement 14 und das zweite Koppelelement 16 in einem Grundzustand zueinander. Der Grundzustand ist in 3a) verdeutlicht.
Im Zustand a) von 2 setzt der Nutzer mit der Ferse auf. Von dem Zustand a) zu dem Zustand b) rollt der Nutzer mit der Ferse ab und die Zehen oder Zehenspitzen nähern sich dem Boden 38. Im Zustand b) wird durch das Absenken des Fußes in Richtung Boden 38 das zweite Koppelelement 16 angehoben, insbesondere in die Hochrichtung z oder zu dem Unterschenkel 34 hin bewegt. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3b). Von dem Zustand b) zu dem Zustand c) in 2 rollt der Nutzer mit der Ferse weiter ab und dadurch wird der Fuß 36 in Richtung Unterschenkel 34 bewegt. Im Zustand c) wird durch das Annähern der Zehen oder des Fußes 36 in Richtung des Unterschenkels 34 das zweite Koppelelement 16 abgesenkt, insbesondere in Richtung des Bodens 38 oder zu dem Unterschenkel 34 hin bewegt. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3c). Von dem Zustand c) zu dem Zustand d) wird das Bein 32 so angehoben, dass sich nur noch die Zehen auf dem Boden 38 befinden. In diesem Zustand d) befindet sich das Bein 32 wieder im Grundzustand. Die Zehen oder der Fuß 36 werden wieder von dem Unterschenkel 34 weg bewegt. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3a). Von dem Zustand d) zu dem Zustand e) in 2 wird das Bein 32 weiter nach vorne bewegt und die Zehen berühren immer noch den Boden 38. Dabei wird aber der Fuß 36 von dem Unterschenkel 34 weiter wegbewegt, wodurch das zweite Koppelement 16 angehoben oder in die Hochrichtung z bewegt wird. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3b). Von dem Zustand e) zu dem Zustand f) in 2 wird das Bein 32 weiter in Bewegungsrichtung nach vorne bewegt und der Fuß 36 weiter von dem Unterschenkel 34 wegbewegt, wodurch im Vergleich zu Zustand e) das zweite Koppelelement 16 weiter angehoben oder weiter in die Hochrichtung z bewegt wird. Von dem Zustand f) zu dem Zustand g) ist das Bein 32 weiter vom Boden 38 gelöst und der Fuß 36 nähert sich dem Unterschenkel 34 soweit an, dass sich das Bein 32 und/oder das zweite Koppelelement 16 wieder in dem Grundzustand befindet. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3a). Von dem Zustand g) zu dem Zustand h) in 2 nähert sich der Fuß 36 dem Unterschenkel 34, wodurch das zweite Koppelelement 16 in die Hochrichtung z Richtung Boden 38 bewegt wird. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3c). Von dem Zustand h) zu dem Zustand i) in 2 bewegt sich der Fuß 36 wieder weg von dem Unterschenkel 34 und das zweite Koppelelement 16 wird wieder, insbesondere in die Hochrichtung z, angehoben. Der Zustand i) des Beins 32 ist weiterhin noch vergleichbar mit dem Zustand in 3c). Von dem Zustand i) zu dem Zustand j) setzt der Nutzer mit der Ferse auf und das Bein 32 und/oder das zweite Koppelelement 16 befindet sich wieder in dem Grundzustand. Dieser Zustand ist vergleichbar mit 3a).
4 verdeutlicht in einem Ablaufdiagramm den Bewegungsablauf des Beins 32 des Nutzers und der Bewegung des zweiten Koppelelements 16. Dabei stimmen die Zustände a) bis j) in 2 mit den in dem Diagramm gezeigten Zuständen a) bis j) in 4 überein. Auf der x-Achse ist die Zeit abgebildet. Auf der y-Achse sind die Zustände in denen das zweite Koppelement 16 angehoben und abgesenkt wird abgebildet. Der Grundzustand ist durch die 0 an der y-Achse verdeutlicht. Von a) auf b) wird das zweite Koppelement 16 in die Hochrichtung z vom Boden 36 weg angehoben. Von b) auf c) wird das zweite Koppelement 16 in die Hochrichtung z Richtung Boden 38 abgesenkt. Von c) auf d) wird das zweite Koppelement 16 wieder in den Grundzustand 0 in die Hochrichtung z angehoben. Von d) auf e) wird das zweite Koppelement 16 weiter in die Hochrichtung z vom Boden 38 weg angehoben. Von e) auf f) bleibt das zweite Koppelement 16 in dem angehobenen Zustand, wie in e). Von f) auf g) wird das zweite Koppelement 16 wieder in die Hochrichtung z Richtung Boden 38 abgesenkt, bis es sich wieder im Grundzustand 0 befindet. Von g) auf h) wird das zweite Koppelement 16 weiter in die Hochrichtung z Richtung Boden 38 abgesenkt. Von h) auf i) und von i) auf j) wird das zweite Koppelement 16 weiter in die Hochrichtung z vom Boden 38 weg angehoben, bis es sich wieder im Grundzustand 0 befindet.
5 zeigt in einem Ablaufdiagramm mit der Zeit t den Druckverlauf p des Aktors 12, insbesondere der Luftfeder oder in der Kammer des Aktors 12, die Einstellung oder Stellung des ersten Ventils V₁ und des zweiten Ventils V₂ während des Bewegungsablaufs des Nutzers, wie er in 2 erläutert ist. Zustand a) in 2 und 4 liegt in Zustand 0 von 5. Zustand a) bis b) in 2 und 4 liegen in Zustand 1 von 5. Zustände b) bis e) in 2 und 4 liegen in Zustand 2 von 5. Zustand e) in 2 und 4 liegt in Zustand 3 von 5. Zustände f) bis h) in 2 und 4 liegen in Zustand 4 von 5. Zustände h) und i) in 2 und 4 liegen in Zustand 5 von 5. Zustände i) und j) in 2 und 4 liegen in Zustand 0 von 5.
In Zusammenhang von 5 und 6 sollen der Betrieb der Bewegungsvorrichtung 10 sowie die Zustände oder Einstellungen des Aktors 12 näher erläutert werden.
6 zeigt den Aktor 12 im Betrieb der Bewegungsvorrichtung 10. Dabei weist der Aktor 12 insgesamt sechs Zustände von 0 bis 5 auf. Bis auf Zustand 2 zeigen die schraffierten Flächen für V₁ und V₂ die Ventilströmungen durch die entsprechenden Ventile V₁ und V₂ . Im Zustand 0 sind das erste Ventil V₁ und zweite Ventil V₂ geöffnet. Über keines der beiden Ventile V₁ , V₂ strömt Luft in oder aus der Kammer und es erfolgt keine Bewegung des zweiten Koppelelements 16 oder des Aktorelements 22, wie in 5 ersichtlich ist. Im Zustand 0 befindet sich die Bewegungsvorrichtung 10 und/oder das Bein 32 im Grundzustand (vergleichbar mit 3a).
Im Zustand 1 ist das das erste Ventil V₁ geschlossen und das zweite Ventil V₂ geöffnet. Über das zweite Ventil V₂ strömt Luft, die sich in der Kammer 28 befindet, an die Umgebung 30. Zustand 0 und 1 von 5 stimmen mit den Zuständen a) bis b) des Bewegungsablaufes von 2 überein. Von dem Zustand a) auf b) wird das zweite Koppelelement 16 in die Hochrichtung z angehoben und damit das Aktorelement 22, wie in 6 Zustand 1 verdeutlicht, in Richtung des Bodens des Gehäuses 20 des Aktors 12 bewegt und dadurch die Kammer 28 verkleinert, wodurch die Luft aus der Kammer 28 über das zweite Ventil V₂ an die Umgebung 30 strömt. Das zweite Koppelelement 16 übt durch dessen Bewegung eine Kraft auf das Aktorelement 22 aus, wodurch das Aktorelement 22 in Richtung des Bodens des Gehäuses 20 bewegt wird und Luft aus der Kammer 28 über das zweite Ventil V₂ an die Umgebung 30 abgegeben wird. Der Druck p innerhalb der Kammer 28 bleibt dabei auf einem vorbestimmten Druck konstant.
Der Zustand 2 ist in drei Unterzustände 2.1, 2.2 und 2.3 unterteilt. Im Zustand 2 ist das erste Ventil V₁ geschlossen und das zweite Ventil geöffnet.
Da beide Ventile V₁ , V₂ in die gleiche Richtung arbeiten, kann keine Luft im Zustand 2 über das zweite Ventil V₂ aus der Kammer 28 ausströmen. Weder über das erste Ventil V₁ noch über das zweite Ventil V₂ strömt im Zustand 2 Luft in oder aus der Kammer 28. Dennoch laufen im Zustand 2 die Zustände b) bis d) von 2 ab. Von Zustand b) auf Zustand c) und/oder Zustand 2.1 auf Zustand 2.2 bewegt sich das zweite Koppelelement 16 in die Hochrichtung z und bewegt somit das Aktorelement 22 von dem Boden des Gehäuses 20 weg, wodurch die Kammer 28 vergrößert wird. Hierbei wird die Bewegungsenergie des Nutzers rekuperiert oder gespeichert oder aufgenommen.
Von Zustand b) auf Zustand c) und/oder von Zustand 2.1 auf Zustand 2.2 steigt der Druck p in der Kammer 28 nimmt ein Unterdruck in der Kammer 28, insbesondere auf einen Maximalwert, zu oder sinkt der Druck auf einen vorbestimmten Unterdruck. Von Zustand 2.1 auf Zustand 2.2 steigt oder sinkt der Druck p auf einen maximalen Unterdruck, was durch die Änderung der Schraffur in 5 verdeutlicht ist. Durch die Bewegung des Aktorelements 22 wird ein Vakuum oder ein Unterdruck in der Kammer 28 gebildet. Dadurch kann Energie in den Aktor 12 eingespeist oder darin gespeichert werden. Von Zustand 2.2 auf Zustand 2.3 und/oder Zustand c) auf Zustand d) wird das zweite Koppelelement 16 durch den Bewegungsablauf angehoben, was durch den Aktor 12 unterstützt wird. Dabei übt das Aktorelement 22 eine Kraft in die Hochrichtung z Richtung Boden 38 auf das zweite Koppelelement 16 aus, wodurch der Nutzer bei der Bewegung unterstützt wird. Dies geschieht insbesondere automatisch durch den vorab erzeugten Unterdruck in der Kammer 28. Dadurch wird die in dem Aktor 12 gespeicherte Energie wieder freigegeben, also an das zweite Koppelelement 16 abgegeben. Dadurch nimmt auch der Druck p innerhalb des Aktorelements 22 von dem maximalen Unterdruck wieder auf einen vorbestimmten Wert zu. Die Kammer 28 wird wieder verkleinert. Der Druck p in der Kammer 28 nimmt vom Zustand 2.2 auf 2.3 wieder zu. Der maximale Unterdruck nähert sich bevorzugt wieder dem Normaldruck der Umgebung. Das Auslassventil wird bevorzugt nie gesperrt. Von Zustand 2.2 auf Zustand 2.3 nähert sich der Druck p wieder dem Normaldruck der Umgebung, was durch die Änderung der Schraffur in 5 verdeutlicht ist.
Im Zustand 3 ist das zweite Ventil V₂ geöffnet und das erste Ventil V₁ weiterhin geschlossen. Im Zustand 3 und von dem Zustand d) auf e) wird das zweite Koppelement 16 in die Hochrichtung z vom Boden 38 weg bewegt. Durch die Bewegung des zweiten Koppelements 16 wird das Aktorelement 22 weiter in Richtung des Bodens des Gehäuses 20 bewegt. Dabei strömt die in der Kammer 28 befindliche Luft an die Umgebung 30 und die Kammer 28 wird wieder verkleinert. Auch wenn das erste Ventil V₁ offen wäre, würde nur Luft über das zweite Ventil V₂ austreten, da das Kammervolumen über die Bewegung des Fußes verkleinert wird. Hierbei bildet sich insbesondere ein zeitlicher Spielraum für eine Ansteuerung, insbesondere des ersten Ventils V₁ und/oder des zweiten Ventils V₂ .
Im Zustand 4 ist das erste Ventil V₁ geöffnet. Im Zustand 4 kann Luft von der Umgebung 30 über das erste Ventil V₁ in die Kammer strömen. Da beide Ventile V₁ , V₂ in die gleiche Richtung arbeiten, kann keine Luft im Zustand 4 über das zweite Ventil V₂ in die Kammer 28 gelangen. Vom Zustand f) bis h) im Zustand 4 des Aktors 12 wird das zweite Koppelement 16 in die Hochrichtung z in Richtung Boden 38 bewegt. Dadurch wird das Aktorelement 22 von dem Boden des Gehäuses 20 weg bewegt. Durch den Lufteinritt in die Kammer 28 über das erste Ventil V₁ wird dieser Bewegungsablauf (Zustände f) bis h)) durch den Aktor 12 unterstützt. Da das erste Ventil V₁ im Zustand 4 und 5 geöffnet ist, ist für den Nutzer insbesondere ein relativ gegenkraftfreies Bewegen des Fußes in diesen Zuständen möglich. Eine aktive Unterstützung erfährt der Nutzer aber im dargestellten passiven System nicht. Durch die aktive Bewegung seines Beines, also des Unterschenkels relativ zu dem Fuß, als Bewegung des Sprunggelenkes, wird das Aktorelement 22, insbesondere der Kolben, verschoben. Das sorgt dafür, dass sich die Kammer 28 vergrößert und/oder verkleinert. Da das erste Ventil V₁ erlaubt ein Einströmen und das zweite Ventil V₂ ein Ausströmen von Luft, entspricht der Druck in der Kammer 28 dem Umgebungsdruck oder dem Druck der Umgebung.
Hierdurch kann die in die Kammer 28 eintretende Luft einen Druck oder eine Kraft auf das Aktorelement 22 ausüben und das Aktorelement 22 wird von dem Boden des Gehäuses 20 wegbewegt und die Kammer 28 wieder vergrößert (Zustand 4). Hierbei kann ebenfalls ein Energieeintrag in das Aktorelement 22 erfolgen. Beispielweise kann bei einem aktiven System Luft über eine Luftkartusche als Energieträger in die Kammer 28 eingeleitet werden und dadurch die Bewegung des Aktorelements 22 unterstützt oder eingeleitet oder angestoßen werden.
Im Zustand 5 ist das zweite Ventil V₂ geöffnet. Dabei strömt Luft aus der Kammer 28 über das zweite Ventil V₂ an die Umgebung 30. Da beide Ventile V₁ , V₂ in die gleiche Richtung arbeiten, kann keine Luft im Zustand 5 über das erste Ventil V₁ aus der Kammer 28 an die Umgebung 30 abgegeben werden. Vom Zustand h) auf i) im Zustand 5 des Aktors 12 wird das zweite Koppelement 16 in die Hochrichtung z Richtung vom Boden 38 weg bewegt. Dadurch wird das Aktorelement 22 zu dem Boden des Gehäuses 20 hin bewegt und die Kammer 28 verkleinert. Der Druck p innerhalb der Kammer 28 bleibt durch die über das zweite Ventil V₂ austretende Luft konstant. Im Zustand 0 sind beide Ventile geöffnet. Im Zustand 0 befindet sich das Bein 32 oder das zweite Koppelelement 12 wieder im Grundzustand. Dabei erfolgt keine Kraftausübung auf oder durch das zweite Koppelelement 16 oder das Aktorelement 22. Dadurch bewegt sich weder das zweite Koppelement 16 noch das Aktorelement 22. Der Druck in der Kammer 28 ist weiterhin konstant auf dem vorbestimmten Druck, insbesondere dem Umgebungsdruck. Die Steuerung des ersten Ventils V₁ und des zweiten Ventils V₂ erfolgt dabei durch eine Steuereinrichtung.
Insbesondere im passiven System kommt es tatsächlich in keinem Zustand, außer dem Zustand 2 in 5 oder 6 zu irgendeiner Kraftausübung. Das Ventil V₂ ist grundsätzlich immer in eine Richtung geöffnet und in die andere Richtung gesperrt. Das Ventil V₂ ist bevorzugt nicht schalt- oder steuerbar. Besonders bevorzugt steuert die Steuereinrichtung das Ventil V₁ , insbesondere ausschließlich, in Zustand 2.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Vakuum-Luftfeder, insbesondere aktive oder passive Luftfeder, für ein Exoskelett zur Entlastung des Bewegungsapparats bereitgestellt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine passive und/oder aktive Vakuum-Luftfeder, die Kraft über eine Hebelwirkung auf den Körper überträgt, und so den natürlichen Ablauf einer Bewegung in einem Bewegungszyklus unterstützt, bereitgestellt. Dabei sind zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Schienen an zwei Körperteilen befestigt und stellen den Kraftschluss sicher. Das mechanische Gelenk der Schienen liegt mit dem Drehmittelpunkt auf dem Drehmittelpunkt des menschlichen Gelenks. Durch die Energieaufnahme und/oder Abgabe, insbesondere durch gespeicherte Energie in der Vakuum-Luftfeder, wird der Bewegungsapparat in der Bewegung unterstützt und entlastet.
Innerhalb einer Phase im Bewegungsablauf wird die Vakuum-Luftfeder geladen, insbesondere durch rekuperierte Bewegungsenergie, und/oder Energie durch einen zusätzlichen Energieträger in das System gespielt, beispielsweise durch einen aktiven Energieträger. Ein aktiver Energieträger wird direkt an das pneumatische System der Vakuum-Luftfeder angeschlossen und Energie hinzugefügt. In der darauffolgenden Phase der Bewegung wird die gespeicherte Energie in der Vakuum-Luftfeder abgegeben, und durch eine Hebelwirkung auf die Schienen und damit Muskeln, Sehnen und Knochen übertragen, wodurch der Bewegungsablauf beschleunigt wird.
Die parallel zu einer der Schienen liegende Vakuum-Luftfeder wird entweder durch eine Phase in der Bewegung, insbesondere durch Rekuperation, oder durch eine zusätzliche Energiezufuhr, insbesondere mit Hilfe eines aktiven Systems, gespannt. Die aktive Zufuhr kann durch eine mit Druckluft befüllte Kartusche herbeigeführt werden und einen kurzzeitigen Boost ermöglichen.
In der nächsten Phase der Bewegung wird die in der Vakuum-Luftfeder gespeicherte Energie wieder abgeben und unterstützt somit den Bewegungsapparat im Ablauf. Die Übertrag funktioniert über eine Hebelwirkung. Die Vakuum-Luftfeder drückt auf eine der beiden Schienen und die Schienen ändern dadurch den Winkel zueinander. Die an der Vakuum-Luftfeder angebrachten Schienen sind mit den anliegenden Muskeln, Sehnen und Knochen verbunden und bilden so den Kraftschluss mit diesen Körperteilen. Über die Schienen wird die Bewegungsenergie eingespeist oder die eingespeiste Energie in den Bewegungsapparat eingeleitet und somit die auszuführende Bewegung unterstützt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004008014 U1 [0006]
DE 202009012627 U1 [0006]
DE 102015107783 A1 [0007]

Claims

Bewegungsvorrichtung (10) zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers umfassend: - ein erstes Koppelelement (14) und ein zweites Koppelelement (16), wobei das erste Koppelement (14) und das zweite Koppelement (16) über ein Gelenk (18) miteinander verbunden sind, und - einen Aktor (12), welcher mit dem ersten Koppelelement (14) und dem zweiten Koppelelement (16) gekoppelt ist, wobei - der Aktor (12) dazu eingerichtet ist, eines der beiden Koppelelemente (14; 16) mit einer Kraft zu beaufschlagen, wobei - der Aktor (12) ferner dazu eingerichtet ist, Energie zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente (14; 16) mit der Kraft aufzunehmen und zu speichern.
Bewegungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (12) parallel zu einem der beiden Koppelelemente (14; 16) angeordnet ist.
Bewegungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (12) als eine Luftfeder, insbesondere als eine Vakuum- oder Unterdruck-Luftfeder, ausgebildet ist.
Bewegungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (12) zumindest ein Gehäuse (20) und ein bewegliches Aktorelement (22) aufweist, wobei das Gehäuse (20) mit einem ersten Koppelelement (14) und das bewegliche Aktorelement (22) mit dem zweiten Koppelelement (16) gekoppelt ist, wobei das Gehäuse (20) und das bewegliche Aktorelement (22) eine Kammer (28) einfassen.
Bewegungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (12) ein erstes Ventil (V₁), welches an dem beweglichen Aktorelement (22) angeordnet ist, und ein zweites Ventil (V₂) aufweist, welches an dem Gehäuse (20) angeordnet ist, wobei das erste Ventil (V₁) und das zweite Ventil (V₂) eine Umgebung (30) der Bewegungsvorrichtung (30) fluidisch mit der Kammer (28) des Aktors (12) koppeln.
Bewegungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (10) ferner eine Steuereinrichtung und eine Sensoreinrichtung umfasst, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Signal der Sensoreinrichtung das erste Ventil (V₁) und/oder das zweite Ventil (V₂) zu steuern.
Bewegungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsvorrichtung (10) ferner einen Energieträger aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, Energie, insbesondere aktiv, in den Aktor (12) einzuleiten.
Verfahren zum Betreiben einer Bewegungsvorrichtung (10) zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers, wobei die Bewegungsvorrichtung (10) ein erstes Koppelelement (14) und ein zweites Koppelelement (16), welche über ein Gelenk (18) miteinander verbunden sind, und einen Aktor (12) aufweist, welcher mit dem ersten Koppelelement (14) und dem zweiten Koppelelement (16) gekoppelt ist, umfassend die Schritte: - Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente (14; 16) mit einer Kraft mittels des Aktors (12), und -Aufnehmen und Speichern von Energie zum Beaufschlagen eines der beiden Koppelelemente (14; 16) mit der Kraft durch den Aktor (12).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einleiten von Energie in den Aktor (12) eine Kraft durch eines der beiden Koppelelemente (14; 16) auf das bewegliche Aktorelement (22) derart einwirkt, dass das Aktorelement (22) von einem Boden des Gehäuses 20 wegbewegt und ein Unterdruck in einer Kammer 28, welche durch das bewegliche Aktorelement (22) und ein Gehäuse (20) eingefasst ist, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beaufschlagen eines der der beiden Koppelelemente (14; 16) mit einer Kraft das Aktorelement (22) in Richtung des Bodens des Gehäuses 20 bewegt und dadurch eine Kraft von dem Aktorelement (22) auf eines der beiden Koppelemente (14; 16) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Beaufschlagen eines der der beiden Koppelelemente (14; 16) mit einer Kraft Luft in die Kammer eingebracht wird, wodurch die Kammer vergrößert und das bewegliche Aktorelement (22) bewegt wird und eines der beiden Koppelelemente mit einer Kraft beaufschlagt wird.
Verfahren zum Unterstützen einer Bewegung eines Nutzers unter Verwendung der Bewegungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch die Schritte: -Anordnen des ersten Koppelelements (14) an ein erstes Körperteil des Nutzers; -Anordnen des zweiten Koppelements (16) an ein zweites Körperteil des Nutzers, wobei das erste Körperteil und das zweite Körperteil über ein Gelenk des Nutzers miteinander verbunden sind, wobei - das erste Koppelelement (14) und das zweite Koppelelement (16) derart angeordnet werden, dass ein Drehmittelpunkt des Gelenks des Nutzers auf dem Drehmittelpunkt des Gelenks (18), welches das erste Koppelelement (14) und das zweite Koppelelement (16) des Nutzers miteinander koppelt, liegt.