DE102020116536A1 - Prosthetic device with a prosthetic hand and method for operating a prosthetic device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Protheseneinrichtung (10) mit einer Prothesenhand (20) mit einem Grundkörper (21) und zumindest einem beweglich daran gelagerten, motorisch verstellbaren Finger (22), mit zumindest einem der Prothesenhand (20) zugeordneten Prothesenhandsensor (25), wobei der Prothesenhandsensor (25) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Beschleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren, IMU, Drucksensoren, Magnetometer, optische Sensoren, Infrarotsensoren und/oder eine Kombination davon umfasst, sowie zumindest einem Biosignalsensor (35) zur Erfassung von zumindest einem Biosignal, wobei die Sensoren (25, 35) mit einer Steuerungseinrichtung (30) gekoppelt sind, wobei die Protheseneinrichtung (10) zumindest eine Schnittstelle (40) zu einer Maschine (50) aufweist und in der Steuerungseinrichtung (30) unterschiedliche Betriebsmodi (60) abgelegt sind, die über Signale der Sensoren (25, 35) auswählbar sind, wobei in zumindest einem Betriebsmodus (60) die Protheseneinrichtung (10) als Eingabegerät für die Maschine (50) agiert.The invention relates to a prosthetic device (10) with a prosthetic hand (20) with a base body (21) and at least one motor-adjustable finger (22) movably mounted thereon, with at least one prosthetic hand sensor (25) assigned to the prosthetic hand (20), wherein the Prosthetic hand sensor (25) is selected from a group comprising acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, pressure sensors, magnetometers, optical sensors, infrared sensors and / or a combination thereof, as well as at least one biosignal sensor (35) for detecting at least one biosignal, the Sensors (25, 35) are coupled to a control device (30), the prosthesis device (10) having at least one interface (40) to a machine (50) and different operating modes (60) being stored in the control device (30) can be selected via signals from the sensors (25, 35), with the prosthesis device (10) al s input device for the machine (50) is acting.
Description
Die Erfindung betrifft eine Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand mit einem Grundkörper und zumindest einem beweglich daran gelagerten, motorisch verstellbaren Finger, mit zumindest einem der Prothesenhand zugeordneten Prothesenhandsensor, wobei der Prothesenhandsensor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Beschleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren, IMU, Drucksensoren, Magnetometer und/oder eine Kombination davon umfasst, sowie zumindest einem Muskelsignalsensor zur Erfassung von zumindest einem Biosignal, wobei die Sensoren mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Protheseneinrichtung.The invention relates to a prosthetic device with a prosthetic hand with a base body and at least one motor-adjustable finger movably mounted thereon, with at least one prosthetic hand sensor assigned to the prosthetic hand, the prosthetic hand sensor being selected from a group consisting of acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, pressure sensors, magnetometers and / or a combination thereof, as well as at least one muscle signal sensor for detecting at least one biosignal, wherein the sensors are coupled to a control device. The invention also relates to a method for operating such a prosthetic device.
Protheseneinrichtungen ersetzen nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gliedmaßen oder Gliedmaßenteile und sollen nach Möglichkeit die Funktion der nicht vorhandenen Gliedmaße zumindest teilweise ersetzen. Neben rein mechanisch aufgebauten Protheseneinrichtungen existieren mechatronische Protheseneinrichtungen, bei denen auf der Grundlage von Sensorwerten Aktuatoren aktiviert und/oder deaktiviert werden oder motorische Antriebe aktiviert und/oder deaktiviert werden. Bei Protheseneinrichtungen der unteren Extremität werden beispielsweise auf Grundlage von Zustands- oder Lageinformationen und/oder Bewegungsinformationen, die über Sensoren ermittelt werden, Ventile verstellt, um hydraulische Widerstände zu verändern, oder Magnetfelder verändert, um magnetorheologische Effekte zu erzielen oder Kraftspeicher freigegeben, um Bewegungen zu unterstützen oder abzubremsen. Aktive Prothesen verfügen über einen Energiespeicher und Elektromotoren, die auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert und/oder deaktiviert werden, um so eine Verlagerung von Prothesenkomponenten zueinander zu bewirken oder zu unterbinden.Prosthetic devices replace limbs or limb parts that are no longer present or no longer present and, if possible, should at least partially replace the function of the limb that is not present. In addition to purely mechanically constructed prosthesis devices, there are mechatronic prosthesis devices in which actuators are activated and / or deactivated or motor drives are activated and / or deactivated on the basis of sensor values. In prosthetic devices of the lower extremity, for example, on the basis of status or position information and / or movement information that is determined by sensors, valves are adjusted to change hydraulic resistances, or magnetic fields are changed to achieve magnetorheological effects or energy storage devices are released to induce movements support or slow down. Active prostheses have an energy store and electric motors that are activated and / or deactivated on the basis of sensor data in order to effect or prevent displacement of prosthesis components in relation to one another.
Bei Protheseneinrichtungen der oberen Extremitäten sind unterschiedliche Arten von Prothesenhänden oder Greifeinrichtungen bekannt. Rein mechanische Greifer werden über mechanische Zugmittel aktiviert und deaktiviert. Darüber hinaus gibt es Prothesenhände, die auf der Basis myoelektrischer Impulse unterschiedliche Greifbewegungen ausführen können. Dazu sind die Prothesenhände mit zumindest einem, in der Regel mehreren beweglich an einem Chassis gelagerten Finger versehen und mit zumindest einem motorischen Antrieb gekoppelt. Wird ein myoelektrisches Signal über Elektroden erfasst, beispielsweise aufgrund einer Kokontraktion antagonistischer Muskeln, wird in einer Steuerungseinrichtung ein Aktivierungssignal für einen Motor erzeugt, der bis zu einem Maximalanschlag, bis zum Wegfall des Signals oder bis zur Unterbrechung durch ein anderes myoelektrisches Signal eine entsprechende Verlagerung des Prothesenfingers bewirkt. Ein solches Signal kann beispielsweise auch in einer Fingerbewegung der Prothesenhand resultieren, um ein Bestätigungssignal per Computermaus zu erzeugen. Problematisch ist jedoch, dass die Bedienung einer Computermaus sehr komplex ist, die Bedienung der rechten Maustaste häufig Schwierigkeiten verursacht und die Flexibilität im Prothesenhandgelenk häufig nicht gegeben ist, sodass eine genaue Positionierung des Mauszeigers nicht möglich ist.In the case of prosthetic devices for the upper extremities, different types of prosthetic hands or gripping devices are known. Purely mechanical grippers are activated and deactivated using mechanical traction means. In addition, there are prosthetic hands that can perform different grasping movements on the basis of myoelectric impulses. For this purpose, the prosthetic hands are provided with at least one, usually several fingers, which are movably mounted on a chassis and are coupled to at least one motor drive. If a myoelectric signal is detected via electrodes, for example due to a cocontraction of antagonistic muscles, an activation signal for a motor is generated in a control device which, up to a maximum stop, until the signal disappears or until it is interrupted by another myoelectric signal, a corresponding displacement of the Prosthetic finger causes. Such a signal can also result, for example, in a finger movement of the prosthetic hand in order to generate a confirmation signal by means of a computer mouse. The problem, however, is that the operation of a computer mouse is very complex, the operation of the right mouse button often causes difficulties and the prosthetic wrist is often not flexible, so that the mouse pointer cannot be precisely positioned.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Protheseneinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand bereitzustellen, mit der vereinfacht eine Bedienung von Maschinen, insbesondere von Maschinen mit einer grafischen Benutzeroberfläche möglich ist.The object of the present invention is to provide a prosthesis device and a method for operating a prosthesis device with a prosthetic hand, with which the operation of machines, in particular machines with a graphical user interface, is possible in a simplified manner.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Protheseneinrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.According to the invention, this object is achieved by a prosthesis device with the features of the main claim and a method with the features of the independent claim. Advantageous configurations and developments of the invention are disclosed in the subclaims, the description and the figures.
Die Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand mit einem Grundkörper und zumindest einem beweglich daran gelagerten, motorisch verstellbaren Finger, mit zumindest einem der Prothesenhand zugeordneten Prothesenhandsensor, wobei der Prothesenhandsensor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Beschleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren, IMU, Drucksensoren, Magnetometer und/oder eine Kombination davon umfasst, sowie zumindest einem Biosignalsensor, insbesondere Muskelsignalsensor zur Erfassung von zumindest einem Biosignal des Prothesennutzers, wobei die Sensoren mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt sind, wobei die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Finger auf der Grundlage von Sensorsignalen eingerichtet ist, sieht vor, dass die Protheseneinrichtung zumindest eine Schnittstelle zu einer Maschine aufweist und in der Steuerungseinrichtung unterschiedliche Betriebsmodi abgelegt sind, die über Signale der Sensoren auswählbar sind, wobei in zumindest einem Betriebsmodus die Protheseneinheit als Eingabegerät für die Maschine agiert. Protheseneinrichtungen einer oberen Extremität mit einer Prothesenhand werden beispielsweise über Muskelsignalsensoren zur Erfassung von Muskelsignalen gesteuert. Diese Sensoren können implantierte Sensoren wie Nervenmanschetten oder Oberflächensensoren wie Ableitelektroden zur Erfassung myoelektrischer Signale sein. Andere Sensoren können ebenfalls eingesetzt werden, um Biosignale, Muskelaktivitäten oder andere willkürliche Veränderungen eines Muskels zu erfassen. Drucksensoren sind ebenfalls geeignet, um Muskelkontraktionen und damit einhergehende Veränderungen in der Form oder der Elastizität des Muskels oder anderer Körperfunktionen zu erfassen. Die Biosignalsensoren erfassen willkürliche Veränderungen der Körpers des Prothesennutzers, z.B. Bewegungen von Gliedmaßen, Verlagerungen, Anspannungen und deren Auswirkungen, beispielsweise auch Augenbewegungen und dergleichen mehr. Wird nachfolgend von Muskelsignalsensoren gesprochen, werden darunter alle Biosignalsensoren verstanden, mit denen willkürliche Signale des Prothesennutzers empfangen werden können. Neben den Biosignalsensoren und insbesondere Muskelsignalsensoren weisen motorisch betriebene Prothesenhände zumindest einen Prothesenhandsensor auf, um der Steuerungseinrichtung, mit der der Prothesenhandsensor gekoppelt ist, eine Rückkopplung zu geben. Der Prothesenhandsensor oder mehrere davon sind beispielsweise als Beschleunigungssensor, gyroskopischer Sensor, Inertialmesseinheit (inertial measurement unit-IMU), Drucksensor, Magnetometer und/oder eine Kombination davon ausgebildet. In der Steuerungseinrichtung, die sowohl mit den Prothesenhandsensoren als auch mit den Biosignalsensoren gekoppelt ist, sind Steuerungsprogramme und mehrere Betriebsmodi abgelegt, sodass die Protheseneinrichtung an unterschiedliche Einsatzzwecke einfach angepasst werden kann. Auf der Grundlage von Sensorsignalen, die Verlagerungssignale der Protheseneinrichtung erzeugen, wird in der Steuerungseinrichtung entschieden, ob und wie lange ein Aktuator oder Antrieb in welcher Art und Weise betrieben wird. Je nach Betriebsmodus können gleiche Sensorsignale unterschiedliche Auswirkungen und/oder Reaktionen hervorrufen. Die Betriebsmodi sind über Sensorsignale auswählbar, beispielsweise über Biosignale, Muskelsignale oder durch ein bestimmtes Signalmuster der Prothesenhandsensoren oder des Prothesenhandsensors. Wird beispielsweise eine bestimmte Bewegung, eine bestimmte Beschleunigung der Prothesenhand durch den Prothesenhandnutzer, ein bestimmter Druck an einer bestimmten Stelle über einen bestimmten Zeitraum und/oder in einer bestimmten Raumlage durch den Sensor oder die Sensoren erfasst, kann eine Umschaltung in einen anderen Betriebsmodus erfolgen. Einer der mehreren Betriebsmodi ist ein Betriebsmodus, in der die Protheseneinheit als ein Eingabegerät für eine Maschine agiert, wobei die Maschine über eine Schnittstelle mit der Protheseneinrichtung verbunden ist. Durch den Betriebsmodus mit der Protheseneinheit als Eingabegerät für die Maschine ist es möglich, die Maschine, beispielsweise einen Computer, eine Materialbearbeitungsmaschine, eine komplexe Anlage mit Eingabeelementen, ein Smartphone, ein Tablet, Einrichtungen in einem Haus oder dergleichen zu bedienen. Über die insbesondere integrierte Schnittstelle ist es möglich, ohne eine mechanische Betätigung des Prothesenfingers, der beispielsweise auch ein Hakenelement eines aufgrund von Muskelsignalen aktuierbaren Greifers sein kann, eine Maschine zu bedienen. Die Protheseneinheit dient dann als Eingabegerät für die Maschine und kann die Sensorsignale, also sowohl die Signale der Prothesenhandsensoren als auch der Bio- oder Muskelsignalsensoren, zur Erzeugung entsprechender Eingabesignale für die Maschine unmittelbar nutzen. Auch ist es möglich, dass in dem jeweiligen Betriebsmodus unterschiedliche Sensoren für die Erzeugung von Steuerungssignalen für die Maschine ausgewählt oder zugeordnet sind. Es können unterschiedliche Eingabemodi für unterschiedliche Maschinen innerhalb der Steuerungseinrichtung abgelegt sein. Beispielsweise kann ein Eingabemodus für ein Computer andere Sensorsignale zulassen als ein Eingabemodus für eine CNC-Maschine, eine Anlagesteuerung einer Arbeitsmaschine oder dergleichen.The prosthetic device with a prosthetic hand with a base body and at least one movably mounted, motor-adjustable finger, with at least one prosthetic hand sensor assigned to the prosthetic hand, the prosthetic hand sensor being selected from a group comprising acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, pressure sensors, magnetometers and / or comprises a combination thereof, as well as at least one biosignal sensor, in particular muscle signal sensor for detecting at least one biosignal of the prosthesis user, wherein the sensors are coupled to a control device, wherein the control device is set up to control the movement of the fingers on the basis of sensor signals, provides that the prosthesis device has at least one interface to a machine and different operating modes are stored in the control device, which can be selected via signals from the sensors, wherein in at least one operating mode us the prosthesis unit acts as an input device for the machine. Prosthetic devices of an upper extremity with a prosthetic hand are controlled, for example, via muscle signal sensors for detecting muscle signals. These sensors can be implanted sensors such as nerve cuffs or surface sensors such as lead electrodes for recording myoelectric signals. Other sensors can also be used to record biosignals, muscle activity or other arbitrary Record changes in a muscle. Pressure sensors are also suitable for recording muscle contractions and the associated changes in the shape or elasticity of the muscle or other body functions. The biosignal sensors detect arbitrary changes in the body of the prosthesis user, for example movements of limbs, displacements, tension and their effects, for example eye movements and the like. If muscle signal sensors are referred to below, this is understood to mean all biosignal sensors with which arbitrary signals from the prosthesis user can be received. In addition to the biosignal sensors and in particular muscle signal sensors, motor-operated prosthetic hands have at least one prosthetic hand sensor in order to provide feedback to the control device to which the prosthetic hand sensor is coupled. The prosthetic hand sensor or several thereof are designed, for example, as an acceleration sensor, gyroscopic sensor, inertial measurement unit (IMU), pressure sensor, magnetometer and / or a combination thereof. Control programs and several operating modes are stored in the control device, which is coupled to both the prosthetic hand sensors and the biosignal sensors, so that the prosthetic device can be easily adapted to different purposes. On the basis of sensor signals that generate displacement signals of the prosthesis device, a decision is made in the control device as to whether and for how long an actuator or drive is operated in which way. Depending on the operating mode, the same sensor signals can cause different effects and / or reactions. The operating modes can be selected using sensor signals, for example using bio signals, muscle signals or a specific signal pattern from the prosthetic hand sensors or the prosthetic hand sensor. If, for example, a certain movement, a certain acceleration of the prosthetic hand by the prosthetic hand user, a certain pressure at a certain point over a certain period of time and / or in a certain spatial position is detected by the sensor or the sensors, a switch to another operating mode can take place. One of the plurality of operating modes is an operating mode in which the prosthetic unit acts as an input device for a machine, the machine being connected to the prosthetic device via an interface. The operating mode with the prosthesis unit as an input device for the machine makes it possible to operate the machine, for example a computer, a material processing machine, a complex system with input elements, a smartphone, a tablet, devices in a house or the like. The especially integrated interface makes it possible to operate a machine without mechanical actuation of the prosthetic finger, which can also be, for example, a hook element of a gripper that can be actuated on the basis of muscle signals. The prosthesis unit then serves as an input device for the machine and can directly use the sensor signals, i.e. both the signals from the prosthetic hand sensors and the bio or muscle signal sensors, to generate corresponding input signals for the machine. It is also possible for different sensors for the generation of control signals for the machine to be selected or assigned in the respective operating mode. Different input modes for different machines can be stored within the control device. For example, an input mode for a computer can permit different sensor signals than an input mode for a CNC machine, a system control of a work machine or the like.
Die Schnittstelle ist vorteilhafterweise als eine drahtlose Schnittstelle mit einem Sender ausgebildet, der geeignet ist, um Signale an die entsprechende Empfangseinrichtung an oder in der Maschine zu senden. Alternativ kann eine kabelgebundene Schnittstelle ausgebildet sein, sodass eine direkte mechanische Verbindung zur Übermittlung entsprechender Signale, beispielsweise elektrischer oder optischer Signale vorhanden ist. Dazu ist an der Protheseneinrichtung eine entsprechende Buchse oder eine Steckeraufnahme angeordnet.The interface is advantageously designed as a wireless interface with a transmitter which is suitable for sending signals to the corresponding receiving device on or in the machine. Alternatively, a wired interface can be formed so that there is a direct mechanical connection for the transmission of corresponding signals, for example electrical or optical signals. For this purpose, a corresponding socket or plug receptacle is arranged on the prosthesis device.
Zumindest ein Beschleunigungssensor kann mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt sein, dessen Sensorsignale über die Zeit integriert werden, damit die Position eines Eingabemarkierers oder eines Mauszeigers relativ zu einer Startposition ermittelt wird. Alternativ zu der Ermittlung der Position des Eingabemarkierers relativ zu einer Startposition kann die Position auch absolut berechnet und ermittelt werden. Die Signale des Beschleunigungssensors werden dann der Berechnung zugrundegelegt und ggf. mit anderen Sensorsignalen verarbeitet. In der Ausgestaltung des Eingabemarkierers als Mauszeiger kann dieser auch ein Cursor einer Bedieneinheit einer Maschine oder Anlage sein, die mit den Steuerungssignalen der Protheseneinrichtung betrieben wird.At least one acceleration sensor can be coupled to the control device, the sensor signals of which are integrated over time so that the position of an input marker or a mouse pointer is determined relative to a start position. As an alternative to determining the position of the input marker relative to a start position, the position can also be calculated and determined absolutely. The signals from the acceleration sensor are then used as a basis for the calculation and, if necessary, processed with other sensor signals. In the embodiment of the input marker as a mouse pointer, it can also be a cursor of an operating unit of a machine or system that is operated with the control signals of the prosthesis device.
Zumindest eine Inertialmesseinheit oder IMU und/oder eine Kombination aus Beschleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren und/oder Magnetometer kann mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt sein, wobei aus den Sensorsignalen, insbesondere der IMU, die Raumorientierung der Protheseneinrichtung errechnet werden. Aus Raumlageänderungen der Protheseneinrichtung und/oder den Sensorwerten bzw. Verlagerungswerte werden Positionswerte, insbesondere Winkelwerte zur Veränderung der Position des Eingabemarkierers errechnet. Dadurch ist es möglich, durch Änderungen der Raumlage der Prothesenrichtung den Eingabemarkierer oder Mauszeiger oder eine andere Indikatoreinrichtung hinsichtlich ihrer Position zu verändern und damit gegebenenfalls Steuerungsbefehle auszulösen. Es kann eine direkte dreidimensionale Umsetzung der erfassten Raumkoordinaten eines Bezugspunktes oder eines Referenzpunktes der Protheseneinrichtung mit dem Eingabemarkierer erfolgen. Beispielsweise kann ein bestimmter Punkt einer Prothesenhand oder der Protheseneinrichtung als Referenzpunkt festgelegt werden, dessen Bewegung im Raum durch die IMU erfasst und als 3D-Information für eine virtuelle Indikatoreinrichtung umgesetzt wird.At least one inertial measuring unit or IMU and / or a combination of acceleration sensors, gyroscopic sensors and / or magnetometers can be coupled to the control device, the spatial orientation of the prosthesis device being calculated from the sensor signals, in particular the IMU. Changes in the spatial position of the prosthesis device and / or the sensor values or displacement values become position values, in particular angle values for changing the position of the input marker calculated. This makes it possible to change the position of the input marker or mouse pointer or another indicator device by changing the spatial position of the prosthesis direction and thus to trigger control commands if necessary. A direct three-dimensional conversion of the recorded spatial coordinates of a reference point or a reference point of the prosthesis device can take place with the input marker. For example, a certain point of a prosthetic hand or the prosthetic device can be defined as a reference point, the movement of which in space is recorded by the IMU and converted as 3D information for a virtual indicator device.
Insbesondere können die Sensoren zur Erfassung von Biosignalen oder Muskelsignalen zur Erfassung von Muskelkontraktionen ausgebildet sein und dafür eingerichtet sein, die Betriebsmodi umzuschalten. Da Muskelkontraktionen sehr schnell ausgeführt werden können, kann eine Betriebsmodusumschaltung sehr schnell und sehr einfach auf der Grundlage der Erfassung von Muskelkontraktionen oder auch Kokontraktionen erfolgen. Muskelkontraktionen können leicht und zuverlässig erfasst werden und sind daher gut geeignet, um als Schaltsignale zwischen unterschiedlichen Zuständen eingesetzt zu werden. Muskelkontraktionen sind weniger gut geeignet, um über die Amplitude und die Dauer von Signalen oder Signalmustern eine Veränderung in einem Zustand zu bewirken, beispielsweise eine proportionale Erhöhung der Geschwindigkeit durch eine andauernde Erhöhung der Kontraktionsintensität zu bewirken. Dies erfordert einen hohen Aufmerksamkeitsgrad und in der Regel eine aufwendige Schulung. Hingegen können Bewegungen von Protheseneinrichtungen durch die verbliebene Gliedmaße sehr präzise ausgeführt werden, sodass deren Erfassung über Sensoren besonders gut geeignet ist, um Veränderungen an dem Eingabemarkierer, dem Mauszeiger oder dergleichen auszuführen. Beispiele für unterschiedliche Betriebsmodi sind der Greifmodus, der Auswahlmodus, der Mausmodus, der Verstellmodus an einem Haushaltsgerät, der Eingabemodus an einer Fertigungsanlage und dergleichen mehr.In particular, the sensors can be designed for the detection of biosignals or muscle signals for the detection of muscle contractions and can be set up to switch the operating modes. Since muscle contractions can be carried out very quickly, an operating mode switchover can take place very quickly and very easily on the basis of the detection of muscle contractions or also cocontractions. Muscle contractions can be recorded easily and reliably and are therefore well suited to be used as switching signals between different states. Muscle contractions are less suitable for bringing about a change in a state via the amplitude and duration of signals or signal patterns, for example to bring about a proportional increase in speed by continuously increasing the contraction intensity. This requires a high level of attention and usually extensive training. On the other hand, movements of prosthetic devices can be carried out very precisely by the remaining limbs, so that their detection via sensors is particularly well suited for making changes to the input marker, the mouse pointer or the like. Examples of different operating modes are the gripping mode, the selection mode, the mouse mode, the adjustment mode on a household appliance, the input mode on a production plant and the like.
Funktionen des Eingabemarkierers oder der Maus sind daher bevorzugt Signale der Sensoren zur Erfassung von Bewegungen oder Veränderungen an der Protheseneinrichtung zugeordnet, insbesondere die Signale von Gyroskopen, IMU, Magnetometer, Drucksensoren und/oder Beschleunigungssensoren. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass alternativ oder ergänzend Funktionen des Eingabemarkierers mit Sensorsignalen von Biosignalen oder Muskeln, insbesondere von Muskelkontraktionen ausgestattet und aktivierbar sind. Beispielsweise können Bestätigungen, wie das Doppelklicken oder ein Rechtsklick an der Maus, durch ein entsprechendes Muskelkontraktionssignal oder ein Signalmuster ausgeführt werden.Functions of the input marker or the mouse are therefore preferably assigned to signals from the sensors for detecting movements or changes in the prosthesis device, in particular the signals from gyroscopes, IMU, magnetometers, pressure sensors and / or acceleration sensors. In principle, it is also possible that, as an alternative or in addition, functions of the input marker are equipped and can be activated with sensor signals from bio-signals or muscles, in particular from muscle contractions. For example, confirmations such as double-clicking or right-clicking on the mouse can be carried out by a corresponding muscle contraction signal or a signal pattern.
Die Protheseneinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass ein Modus zum Bewegen eines Mauszeigers auf einer grafischen Benutzeroberfläche oder ein Modus zum Bewegen eines Eingabemarkierers, ein Modus zur Veränderung einer Einstellgröße, ein Modus einer Auswahlfunktion und/oder ein Modus einer Aktivierungsfunktion einer Anwendung in der Steuerungseinrichtung hinterlegt ist bzw. sind. Ist beispielsweise der Betriebsmodus einer Computermaus vorgesehen, wird den Sensorsignalen eine entsprechende Zuordnung zum Bewegen eines Mauszeigers auf einer grafischen Benutzeroberfläche, insbesondere eines Computers, eines Tablets oder dergleichen zugeordnet. Sofern keine grafische Benutzeroberfläche vorhanden ist, kann ein Eingabemarkierer entsprechend bewegt werden, um die Maschine oder das Gerät oder die Anlage zu bedienen. Ein grafisches Interface ist also nicht notwendig. Es ebenfalls auch eine Steuerung über ein akustisches oder haptisches Feedback von der Maschine und/oder der Prothese möglich. Der Modus kann auch die Veränderung einer Einstellgröße beinhalten, beispielsweise die Veränderung einer Lautstärke, einer Geschwindigkeit, einer Durchflussgröße, eines Widerstandes oder dergleichen. Statt einen Schieberegler oder einen Drehregler zu bedienen, der ein elektrisches Signal erzeugt, werden über die Sensorsignale direkt Steuersignale zur Veränderung der jeweiligen Größe der Maschine übermittelt. Ebenso kann eine Auswahlfunktion in dem Modus hinterlegt sein oder ein Auswahlmodus als Betriebsmodus festgelegt sein, sodass eine Auswahl bestätigt oder getroffen wird. Eine Aktivierungsfunktion kann über ein Sensorsignal oder eine Kombination von Sensorsignalen in der Steuerungseinrichtung hinterlegt werden, beispielsweise um ein Tastenkürzel zu aktiveren, eine Einfügefunktion zu aktiveren, eine Bestätigung zu aktivieren oder andere Funktionen einzuschalten oder auszuschalten, wenn beispielsweise mit der nicht versorgten Hand mit einer Maus oder einem Eingabegerät gearbeitet wird. Grundsätzlich kann auch eine dreidimensionale Verstellung des Eingabemarkierers auf der Grundlage der Verlagerungssignale erfolgen, um so einfach in einem Hologramm, einem 3D-Zeichenprogramm oder einer VR-Umgebung zu agieren.The prosthesis device, as has been described above, provides that a mode for moving a mouse pointer on a graphical user interface or a mode for moving an input marker, a mode for changing a setting variable, a mode of a selection function and / or a mode of an activation function an application is or are stored in the control device. If, for example, the operating mode of a computer mouse is provided, the sensor signals are assigned a corresponding assignment for moving a mouse pointer on a graphical user interface, in particular a computer, a tablet or the like. If there is no graphical user interface, an input marker can be moved accordingly in order to operate the machine or the device or the system. A graphical interface is therefore not necessary. Control via acoustic or haptic feedback from the machine and / or the prosthesis is also possible. The mode can also include changing a setting variable, for example changing a volume, a speed, a flow variable, a resistance or the like. Instead of operating a slide control or a rotary control that generates an electrical signal, the sensor signals are used to transmit control signals directly to change the size of the machine. Likewise, a selection function can be stored in the mode or a selection mode can be defined as the operating mode, so that a selection is confirmed or made. An activation function can be stored in the control device via a sensor signal or a combination of sensor signals, for example to activate a shortcut key, to activate an insert function, to activate a confirmation or to switch other functions on or off, for example if the hand is not supplied with a mouse or an input device is being used. In principle, the input marker can also be adjusted three-dimensionally on the basis of the displacement signals in order to act easily in a hologram, a 3D drawing program or a VR environment.
Das Verfahren zum Betreiben einer Protheseneinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, bei der über Sensorsignale unterschiedliche Betriebsmodi ausgewählt werden, sieht vor, dass als Betriebsmodus ein Eingabemodus zum Übermitteln und Bewegen eines Eingabemarkierers für eine Maschine durch zumindest ein Sensorsignal ausgewählt wird. Innerhalb des Eingabemodus wird der Eingabemarkierer bewegt, wobei der Eingabemarkierer beispielsweise als ein Mauszeiger ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, dass der Eingabemarkierer auf einer grafischen Benutzeroberfläche angezeigt wird. Alternativ kann der Eingabemarkierer im Rahmen einer 3D-Simulierung, einem Bildschirm auf einem Hologramm oder einer ähnlichen Darstellung angezeigt werden.The method for operating a prosthesis device, as has been described above, in which different operating modes are selected via sensor signals, provides that an input mode for transmitting and moving an input marker for a machine by at least one sensor signal is selected as the operating mode. The input marker is moved within the input mode, the input marker being designed as a mouse pointer, for example can. It is also possible for the input marker to be displayed on a graphical user interface. Alternatively, the input marker can be displayed in the context of a 3D simulation, a screen on a hologram or a similar representation.
Die Auswahl des Eingabemodus kann über eine Mustererkennung eine Biosignals, einer Muskelkontraktion und/oder zumindest eine Muskelkokontraktion und/oder durch eine Erkennung eines Bewegungsmusters der Protheseneinrichtung erfolgen. Alternativ oder ergänzend können andere Prothesenhandsensorsignale zur Aktivierung des gewünschten Betriebsmodus vorgesehen sein.The input mode can be selected via a pattern recognition of a bio-signal, a muscle contraction and / or at least one muscle cocontraction and / or by recognizing a movement pattern of the prosthesis device. As an alternative or in addition, other prosthetic hand sensor signals can be provided for activating the desired operating mode.
Beschleunigungssignale der Protheseneinrichtung können der Steuerungseinrichtung übermittelt und über die Zeit integriert werden, wobei die Relativbewegung der Protheseneinrichtung auf eine Ebene projiziert wird und daraus ein Befehl für die Bewegung des Eingabemarkierers oder des Mauszeigers ermittelt wird. Alternativ oder ergänzend können aus Sensorsignalen einer IMU die Raumorientierung der Protheseneinrichtung errechnet und aus Raumlageänderungen der Protheseneinrichtung Befehle zur Veränderung der Position des Eingabemarkierers errechnet werden.Acceleration signals of the prosthesis device can be transmitted to the control device and integrated over time, the relative movement of the prosthesis device being projected onto a plane and a command for the movement of the input marker or the mouse pointer being determined therefrom. Alternatively or in addition, the spatial orientation of the prosthetic device can be calculated from sensor signals from an IMU and commands for changing the position of the input marker can be calculated from changes in the spatial position of the prosthetic device.
Über Signale der Sensoren zur Erfassung von Bio- oder Muskelsignalen, insbesondere Muskelkontraktionen, und/oder Signalen von Gyroskopen, IMU, Magnetometer, Drucksensoren und/oder Beschleunigungssensoren oder anderer Prothesenhandsensoren können Funktionen des Eingabemarkierers aktiviert werden, beispielsweise eine Bestätigungsfunktion ausgeführt werden, ein Schalter aktiviert oder deaktiviert werden oder dergleichen.Functions of the input marker can be activated via signals from the sensors for detecting bio or muscle signals, in particular muscle contractions, and / or signals from gyroscopes, IMU, magnetometers, pressure sensors and / or acceleration sensors or other prosthetic hand sensors, for example a confirmation function can be carried out, a switch activated or disabled or the like.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Eingabemodus die Antriebe der Prothesenhand gesperrt sind, sodass es nicht zu einer Überlagerung von Aktivitäten zur Steuerung des Eingabemarkierers mit Aktivitäten der Prothesenhand kommt, beispielsweise eine ungewollte Flexion des Prothesenfingers oder der Prothesenhand in dem Handgelenk, wenn nur eine Veränderung der Position des Eingabemarkierers gewünscht ist.A further development of the invention provides that the drives of the prosthetic hand are blocked in the input mode, so that activities for controlling the input marker are not overlaid with activities of the prosthetic hand, for example unwanted flexion of the prosthetic finger or the prosthetic hand in the wrist, if only a change in the position of the input marker is required.
Steuerungssignale für den Eingabemarkierer können in einer Weiterbildung nur in dem Eingabemodus über die Schnittstelle an die Maschine bzw. eine Benutzeroberfläche übermittelt werden.In one development, control signals for the input marker can only be transmitted in the input mode via the interface to the machine or a user interface.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Unterbrechungsmodus über ein Signalmuster aktiviert wird, in dem weder die Antriebe noch der Eingabemarkierer bewegt werden. Der Unterbrechungsmodus dient einerseits als Notfallsignal, um alle Aktivitäten der Protheseneinrichtung zu unterbrechen, sollte es zu Überschneidungen oder zu ungewollten Komplikationen kommen. Anderseits kann der Unterbrechungsmodus das Steuersignal für den Eingabemarkierer zurücksetzen. Soll beispielsweise der Eingabemarkierer in Gestalt eines Mauszeigers nach rechts bewegt werden, jedoch kann der Nutzer die Maus nicht weiter nach rechts bewegen, wird beispielsweise die Protheseneinrichtung angehoben, sodass sie kein Signal mehr liefert. Anschließend wird sie nach links bewegt und abgelegt, so dass nach dem Ablegen die Maus und der Mauszeiger weiter nach rechts bewegt werden können. Der Mauszeiger hat sich jedoch davor nicht nach links bewegt. Durch das Anheben wurde der Unterbrechungsmodus aktiviert und das Steuersignal unterbrochen und zurückgesetzt.A further development of the invention provides that an interruption mode is activated via a signal pattern in which neither the drives nor the input marker are moved. On the one hand, the interruption mode serves as an emergency signal in order to interrupt all activities of the prosthetic device in the event of overlaps or undesired complications. On the other hand, the interrupt mode can reset the control signal for the input marker. If, for example, the input marker in the form of a mouse pointer is to be moved to the right, but the user cannot move the mouse any further to the right, the prosthetic device, for example, is raised so that it no longer delivers a signal. Then it is moved to the left and deposited so that the mouse and the mouse pointer can be moved further to the right after it has been deposited. However, the mouse pointer did not move to the left before that. Lifting it activated the interrupt mode and interrupted and reset the control signal.
Die Sensordaten können zum Bewegen eines Mauszeigers auf einer grafischen Benutzeroberfläche, zur Veränderung einer Einstellgröße, zum Auswählen und/oder zum Aktivieren einer Anwendung außerhalb der Protheseneinrichtung verwendet werden. Neben einer Anwendung in der zunehmend automatisierten Arbeitswelt zur Bedienung komplexer Geräte über elektronische Medien kann auch insbesondere eine private Anwendung z.B. bei der Bedienung von Smart-Homes erfolgen. Privathäuser werden zunehmend mit Aktuatoren und Sensoren ausgestattet und sind über mobile Endgeräte aus der Ferne steuerbar. Jalousien können geöffnet oder geschlossen, Heizungsanlagen ein- oder ausgeschaltet, Licht kann eingeschaltet oder gedimmt und eine Vielzahl vernetzter Haushaltsgeräten kann in dem entsprechenden Modus bedient werden.The sensor data can be used to move a mouse pointer on a graphical user interface, to change a setting variable, to select and / or to activate an application outside of the prosthesis device. In addition to an application in the increasingly automated world of work for operating complex devices via electronic media, a private application, e.g. for operating smart homes, can also be used. Private houses are increasingly being equipped with actuators and sensors and can be controlled remotely using mobile devices. Blinds can be opened or closed, heating systems can be switched on or off, lights can be switched on or dimmed and a large number of networked household appliances can be operated in the appropriate mode.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 - eine schematische Darstellung einer Protheseneinrichtung; -
2 - eine Protheseneinrichtung gemäß1 mit unterschiedlichen Schnittstellen; -
3 - unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten; sowie -
4 - Varianten der3 .
-
1 - a schematic representation of a prosthetic device; -
2 - a prosthetic device according to1 with different interfaces; -
3 - different application possibilities; such as -
4th - Variants of the3 .
In der
Innerhalb des Prothesenschaftes
Ebenfalls ist der Protheseneinrichtung
Sowohl die Bio- oder Muskelsignalsensoren
Die von dem Muskelsignalsensor
Innerhalb der Steuerungseinrichtung
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Betriebsmodi
Befindet sich die Protheseneinrichtung
Vorteilhafterweise wird während des Zustandes, in dem die Protheseneinrichtung
In der
Eine Variante der Erfindung ist in der
In der
Eine Steuerung einer grafischen Oberfläche kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Beschleunigungssensor als Prothesenhandsensor
Dieser Beschleunigungssensor wird dann durch eine Bewegung der gesamten Protheseneinrichtung
Neben einem Modus zum Bewegen eines Mauszeigers einer grafischen Benutzeroberfläche oder zum Bewegen eines Eingabemarkierers kann ein Modus zur Veränderung einer Einstellgröße, ein Modus für eine Auswahlfunktion und/oder ein Modus für eine Aktivierungsfunktion in der Steuerungseinrichtung als Anwendung der Protheseneinrichtung als Eingabegerät hinterlegt sein.In addition to a mode for moving a mouse pointer of a graphical user interface or for moving an input marker, a mode for changing a setting, a mode for a selection function and / or a mode for an activation function can be stored in the control device as an application of the prosthesis device as an input device.
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