-
Die Erfindung betrifft eine Körperanbindung zur Ankopplung eines Exoskeletts an einen menschlichen Körper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Exoskelett nach Anspruch 11.
-
Exoskelette können dazu dienen, Belastungen auf einen Nutzer, z.B. beim Anheben von schweren Gegenständen, entweder direkt in den Boden zu übertragen oder zumindest durch ausgewählte Körperbereiche zu leiten und auf diese Weise das Gelenk- und Muskelsystem des Nutzers zu entlasten. Hierbei sind Auslegungen bekannt, bei welchen das Exoskelett im Wesentlichen die gesamte kinematische Kette für den Hebevorgang nachbildet. Es sind aber auch Exoskelette bekannt, welche lediglich einzelne Körperbereiche unterstützen sollen.
-
Exoskelette weisen üblicherweise eine oder mehrere Körperanbindungen auf, über welche das Exoskelett an den Körper eines Nutzers ankoppelbar ist und über welche Kräfte zwischen Exoskelett und Körper übertragen werden können. Derartige Körperanbindungen sind herkömmlicherweise in Form von Gurten und/oder Schalen ausgebildet, mittels welchen das Exoskelett mit ausgewählten Körperbereichen verbunden ist. Die bekannten Körperanbindungen sind jedoch in der Regel nur bedingt an die spezifischen anatomischen Gegebenheiten eines Nutzers (z.B. an die individuelle Form eines Arms oder Beins, etc.) anpassbar, was sich negativ auf eine Kraftübertragung zwischen Exoskelett und Körperbereich auswirken kann. Zudem ist bei den bekannten Körperanbindungen ein Tragekomfort für den Nutzer regelmäßig gering. Insbesondere bei Ausgestaltungen der Körperanbindung als Hartschale kann es bei regelmäßigem Gebrauch zu Druckstellen kommen.
-
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, die Anbindung eines Exoskeletts an einen menschlichen Körper zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Körperanbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Körperanbindung dient zur Ankopplung eines Exoskeletts an einen menschlichen Körper, im Sinne einer Verbindungsvorrichtung zur Anbindung eines Exoskeletts an einen menschlichen Körper. Die Körperanbindung ist insofern insbesondere dazu ausgebildet, das Exoskelett an einem Körperbereich der Person festzulegen und somit das Exoskelett an dem Körper der Person zu haltern. Insbesondere ist die Körperanbindung derart ausgebildet, dass über die Körperanbindung Kräfte zwischen Körper und Exoskelett übertragbar sind. Der Begriff Exoskelett ist vorliegend allgemein im Sinne eines am Körper getragenen Assistenzsystems zu verstehen, welches insbesondere mechanisch auf den Körper einwirkt und dazu ausgebildet ist, Funktionen des Skelett- und Bewegungssystems bei körperlicher Arbeit zu unterstützen. Insbesondere ist der Begriff Exoskelett im Sinne einer Hilfsvorrichtung zur Unterstützung einer Person beim Handhaben von Gegenständen zu verstehen.
-
Die Körperanbindung umfasst einen Körperanbindungsabschnitt zur lösbaren Verbindung mit einem Körperbereich einer Person, bspw. einem Arm, einem Knie, einem Fuß, einem Knöchel, einem Ellenbogen, einem Oberschenkel, der Brust, dem Rücken, etc.
-
Die Körperanbindung umfasst außerdem einen Verbindungsabschnitt zur, insbesondere lösbaren, Verbindung des Körperanbindungsabschnitts mit dem Exoskelett.
-
Der Körperanbindungsabschnitt und/oder der Verbindungsabschnitt weisen ein verfestigbares Anpassungskissen auf. Insbesondere sind der Körperanbindungsabschnitt und/oder der Verbindungsabschnitt durch ein verfestigbares Anpassungskissen bereitgestellt. Hinsichtlich der Formgebung soll der Begriff des Anpassungskissens nicht auf eine Kissenform eingeschränkt verstanden werden, sondern grundsätzlich solche strukturellen Ausgestaltungen erfassen, welche eine mehr oder weniger formschlüssige Anbindung an den menschlichen Körper und/oder an das Exoskelett ermöglichen. Insofern umfasst der Begriff des Anpassungskissens auch Ausgestaltungen in der Art einer Manschette oder auch schlauchartige Ausgestaltungen, ohne dass der Begriff hierauf eingeschränkt ist.
-
Das verfestigbare Anpassungskissen ist derart ausgebildet, dass es eine Einrichtkonfiguration und eine Befestigungskonfiguration einnehmen kann. In der Einrichtkonfiguration ist das Anpassungskissen flexibel formbar, sodass es an eine Geometrie eines entsprechenden Gegenverbindungsabschnitts - bspw. eines zugeordneten Körperbereichs oder eines Gegenverbindungsabschnitt des Exoskeletts - individuell anpassbar ist. In der Befestigungskonfiguration weist das Anpassungskissen eine im Vergleich zur Einrichtkonfiguration erhöhte Steifigkeit auf, sodass das Anpassungskissen in seiner, insbesondere an den Gegenverbindungsabschnitt angepassten, Form fixierbar und somit an dem Gegenverbindungsabschnitt festlegbar ist.
-
Das Anpassungskissen ist derart ausgebildet, dass es durch Einwirkung eines äußeren Stimulus aus der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration überführbar ist. Mit anderen Worten ist das Anpassungskissen durch Einwirkung eines äußeren Stimulus verfestigbar (z.B. durch Beaufschlagung eines Innenraums des Anpassungskissens mit Unterdruck, siehe unten). Das Anpassungskissen ist reversibel aus der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration überführbar. Insofern ist das Anpassungskissen insbesondere derart ausgebildet, dass es wiederholbar aus der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration und zurück überführbar ist. Eine Rücküberführung aus der Befestigungskonfiguration in die Einrichtkonfiguration kann entweder durch Wegfall des äußeren Stimulus erfolgen oder durch Einwirken eines weiteren Stimulus.
-
Es ist möglich, dass nur der Körperanbindungsabschnitt ein solches Anpassungskissen aufweist. Es ist auch möglich, dass zusätzlich oder alternativ der Verbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Exoskelett ein solches Anpassungskissen aufweist.
-
Eine Ausgestaltung des Körperanbindungsabschnitts mit einem solchen Anpassungskissen ermöglicht es, den Körperanbindungsabschnitt auf einfache Weise an die durch die Körperanatomie gegebene Form eines Körperbereichs eines Nutzers anzupassen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das sich zunächst in der Einrichtkonfiguration befindliche Anpassungskissen um den betreffenden Körperbereich gelegt werden und dann, bspw. durch Andrücken an den Körperbereich, an die Körperform individuell angepasst werden. Das Anpassungskissen kann aber auch bereits für seine jeweilige Anpassungssituation vorgeformt sein. Durch Einwirken eines äußeren Stimulus kann dann das angeformte Anpassungskissen verfestigt werden, sodass dieses in seiner an den Körperbereich angepassten Form fixiert und somit an dem Körperbereich, insbesondere formschlüssig, festgelegt wird. Insofern kann durch Einwirken des äußeren Stimulus der Körperanbindungsabschnitt mit dem zugeordneten Körperbereich verbunden werden. Ein Exoskelett kann somit von einer Bedienperson schnell und komfortabel angelegt werden. Darüber hinaus kann mit einem solchen Anpassungskissen ein Tragekomfort der Körperanbindung entscheidend verbessert werden. Insbesondere können durch die genaue Passform Relativbewegungen zwischen Körperanbindungsabschnitt und Nutzer reduziert werden, was eine sichere Kraftübertragung zwischen Körper und Exoskelett begünstigt. Zu diesem Zweck kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Anpassungskissen bereits an eine Grundform des zugeordneten Körperbereichs (z.B. Knie, Oberschenkel, etc.) vorgeformt ist, z.B. in der Art einer Bandage oder Manschette.
-
Eine Ausgestaltung des Verbindungsabschnitts mit einem solchen Anpassungskissen ermöglicht es, auf einfache Weise auch unterschiedlich ausgestaltete Exoskelette mit derselben Körperanbindung an einen Körper anzukoppeln, da sich das Anpassungskissen in der Einrichtkonfiguration an nahezu beliebig geformte Gegenverbindungsabschnitte eines Exoskeletts anschmiegen kann. Der Verbindungsabschnitt muss insofern nicht zwingend an eine konkrete Ausgestaltung des Exoskeletts angepasst sein bzw. umgekehrt. Eine derart ausgestaltete Körperanbindung ist somit universell einsetzbar und ermöglicht es zudem, das Exoskelett schnell und komfortabel wechseln zu können, bspw. in Abhängigkeit eines zu handhabenden Gegenstands.
-
Der Begriff „Stimulus“ im Sinne der Anmeldung ist grundsätzlich breit zu verstehen, als ein Einwirken auf das Anpassungskissen, welches eine Überführung aus der Einrichtkonfiguration in die Versteifungskonfiguration bewirkt (bspw. physikalische, elektrische oder chemische Einwirkung). Besonders bevorzugt ist es, wenn der äußere Stimulus Unterdruck ist, das Anpassungskissen also durch Beaufschlagung mit Unterdruck aus der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration überführbar ist. Hierbei ist es möglich, dass das Anpassungskissen durch eine externe Unterdruckversorgungseinrichtung mit Unterdruck beaufschlagbar ist. Es ist auch möglich, dass die Körperanbindung eine integrierte Unterdruckerzeugungseinrichtung aufweist, bspw. in Form einer, insbesondere manuell oder motorisch betreibbaren, Unterdruckpumpe.
-
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Anpassungskissen eine luftdichte, flexible Hülle umfassen, welche einen Aufnahmeraum abgrenzt. Insbesondere umschließt die flexible Hülle den Aufnahmeraum zumindest teilweise. Die flexible Hülle bildet insofern insbesondere einen luftdichten Beutel. Der Aufnahmeraum ist vorzugsweise zumindest teilweise mit einer Füllmasse, insbesondere mit einer granularen Füllmasse (Granulat), gefüllt. Insbesondere ist der Aufnahmeraum über einen Unterdruckanschluss evakuierbar, wobei bei Beaufschlagung des Aufnahmeraums mit Unterdruck die flexible Hülle kompaktiert (d.h. zusammengezogen) wird. Bei dem Unterdruckanschluss kann es sich beispielsweise um ein in der Hülle angeordnetes Ventil handeln. Beim Beaufschlagen des Aufnahmeraums mit Unterdruck zieht sich die Hülle nach innen zusammen, wodurch der Aufnahmeraum verkleinert und somit die zunächst formbare Füllmasse kompaktiert und verfestigt wird.
-
Insbesondere umfasst die granulare Füllmasse eine Vielzahl von partikulären Körpern (Partikeln), insbesondere besteht die Füllmasse nur aus den partikulären Körpern. Vorzugsweise ist die granulare Füllmasse derart ausgebildet ist, dass sie beim Kompaktieren der flexiblen Hülle im Zuge des Beaufschlagens des Aufnahmeraums mit Unterdruck durch granulare Verfestigung („granular jamming“) von einem makroskopisch granular fließfähigen Zustand (Einrichtkonfiguration) in einen kompaktierten und makroskopisch feststoffähnlichen Zustand (Befestigungskonfiguration) reversibel überführbar ist.
-
Unter granularer Verfestigung („granular jamming“) wird ein physikalisches Phänomen verstanden, bei dem ein aus partikulären Körpern bestehendes Material bei einer kritischen Partikeldichte bzw. Packungsanteil der partikulären Körper von einem makroskopisch flüssigkeitsähnlichen Zustand in einen makroskopisch feststoffähnlichen Zustand übergehen kann (pseudo-Phasenübergang).
-
Ist der Aufnahmeraum belüftet, befindet sich die Füllmasse im nicht-gestauten Zustand, die partikulären Körper sind also relativ zueinander beweglich (Einrichtkonfiguration). In diesem Zustand kann das Anpassungskissen auf einfach Weise deformiert und somit an eine Geometrie eines Gegenverbindungsabschnitts, bspw. an die Anatomie eines zugeordneten Körperbereichs, angepasst werden. Beim Evakuieren des Aufnahmeraums zieht sich die Hülle zusammen, wodurch ein Volumen des Aufnahmeraums verkleinert wird und somit die Packungsdichte der partikulären Körper der Füllmasse erhöht wird. Bei einer kritischen Packungsdichte kommt es dann zu einer Verfestigung durch granulare Verfestigung („jamming“), sodass das Anpassungskissen in seiner an den Gegenverbindungsabschnitt angepassten Form fixiert und somit an dem Gegenverbindungsabschnitt, insbesondere formschlüssig, festgelegt wird. Durch Belüften des Aufnahmeraums kann die granulare Füllmasse wieder aus dem kompaktierten Zustand in den fließfähigen Zustand rücküberführt werden. Dieser Vorgang kann durch Beaufschlagen mit Überdruck beschleunigt werden.
-
Die partikulären Körper können unterschiedlich ausgebildet sein, insbesondere unterschiedliche Größe und/oder Form und/oder Material aufweisen. Dabei ist es denkbar, dass das Anpassungskissen mit partikulären Körpern gleicher Ausgestaltung gefüllt ist. Es ist aber auch möglich, dass die granulare Füllmasse Mischungen von partikulären Körpern unterschiedlicher Ausgestaltung umfasst, was eine individuelle Konfiguration des Anpassungskissens ermöglicht. Die Körper können beispielsweise kugelförmig oder als Vielflächner, insbesondere würfelförmig, ausgebildet sein. Insbesondere können die Körper aus Vollmaterial gebildet sein. Es ist auch möglich, dass die Körper als Hohlkörper ausgebildet sind.
-
Die partikularen Körper können grundsätzlich aus irgendeiner Art von Festkörpermaterial hergestellt sein, beispielsweise aus Glas oder Naturmaterialien (z.B. Sand, Getreidekörner, Holzpellets, etc.). Vorzugsweise sind die partikulären Körper jedoch aus Kunststoff (z.B. aus einem Duromer oder Elastomer) hergestellt.
-
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die partikulären Körper selbst elastisch verformbar sind. Dann kann sich das Anpassungskissen noch besser an die Geometrie eines entsprechenden Gegenverbindungsabschnitts anpassen. Außerdem ist es möglich, dass die Hülle zusätzlich zu der granularen Füllmasse mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.
-
Die flexible Hülle kann insbesondere in Form einer Folie ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Hülle aus Latex, Vinyl, Nitril, oder Polyethylen hergestellt sein. Für eine besonders gute Passform kann es außerdem vorteilhaft sein, wenn die Hülle bereits im Hinblick auf eine Geometrie des Körperbereichs vorgeformt ist, bspw. in der Art einer Bandage oder Manschette.
-
Vorzugsweise ist der Aufnahmeraum in wenigstens zwei Kammern unterteilt. Hierdurch kann das Risiko einer unerwünschten Clusterbildung der partikulären Körper der Füllmasse reduziert werden, sodass auch nach mehreren Ankopplungszyklen - also nach mehrmaligem Überführen des Anpassungskissens aus der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration und zurück - die Fließfähigkeit der Füllmasse und somit eine Anpassbarkeit des Anpassungskissen gewährleistet werden kann. Zudem kann durch die örtliche Bindung der Füllmasse in den Kammern eine dauerhaft gleichmäßige Verteilung der Füllmasse innerhalb des Anpassungskissens begünstigt werden.
-
Eine unerwünschte Clusterbildung kann zusätzlich oder alternativ auch dadurch reduziert werden, dass eine Mehrzahl von Stegen vorgesehen ist, welche den Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise durchsetzen. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, wenn die Stege von einer dem Aufnahmeraum zugewandten Innenseite der Hülle abragen.
-
Um besonders große Kräfte zwischen Exoskelett und Körper übertragen zu können, kann es ferner vorteilhaft sein, wenn die flexible Hülle zumindest abschnittsweise durch Versteifungselemente verstärkt ist. Insbesondere sind die Versteifungselemente aus einem Material mit wesentlich höherer Steifigkeit als die Hülle ausgebildet. Die Versteifungselemente können insbesondere in Form von flächigen Streifen ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Versteifungselemente durch Profilschienen bereitgestellt sind, bspw. in der Art eines U-, I-, oder L-Profils. Insbesondere können die Versteifungselemente mit der Hülle form- und/oder stoffschlüssig verbunden sein.
-
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung können sowohl der Körperanbindungsabschnitt als auch der Verbindungsabschnitt durch das verfestigbare Anpassungskissen bereitgestellt sein. Dann umfasst das Anpassungskissen insbesondere zumindest einen dem Körperanbindungsabschnitt zugeordneten Aufnahmeraum und einen weiteren, dem Verbindungsabschnitt zugeordneten Aufnahmeraum. Hierbei ist es möglich, dass die jeweiligen Aufnahmeräume durch einen gemeinsamen Aufnahmeraum gebildet sind, die Aufnahmeräume also räumlich miteinander verbunden sind. Dann können der Körperanbindungsabschnitt und der Verbindungsabschnitt beim Evakuieren dieses gemeinsamen Aufnahmeraums gemeinsam aus der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration überführt werden. Insofern kann eine Verbindung des Körperanbindungsabschnitts mit dem ihm zugeordneten Körperbereich und eine Verbindung des Verbindungsabschnitts mit einem ihm zugeordneten Gegenabschnitt des Exoskeletts gleichzeitig hergestellt werden.
-
Bevorzugt ist es jedoch, wenn der dem Körperanbindungsabschnitt zugeordnete Aufnahmeraum und der dem Verbindungsabschnitt zugeordnete Aufnahmeraum unabhängig voneinander evakuierbar sind und somit der Körperanbindungsabschnitt und der Verbindungsabschnitt unabhängig voneinander von der Einrichtkonfiguration in die Befestigungskonfiguration überführbar sind. Hierdurch wird eine hohe Flexibilität erzielt. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Körperanbindung zunächst nur über den Körperanbindungsabschnitt mit dem Körper verbunden wird und erst danach das Exoskelett über den Verbindungsabschnitt angebunden wird. Dies ermöglicht ein in der Handhabung einfaches und schnelles Anlegen eines Exoskeletts. Insbesondere ist ein einfacher Wechsel des Exoskeletts - z.B. in Abhängigkeit einer Hebeaufgabe - möglich, ohne dass hierfür die Körperanbindung vom Körper getrennt werden muss. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass der dem Körperanbindungsabschnitt zugeordnete Aufnahmeraum und der dem Verbindungsabschnitt zugeordnete Aufnahmeraum gegeneinander abgedichtet sind. Beispielsweise kann ein Ventil vorgesehen sein, mittels dessen ein jeweiliger zu evakuierender Aufnahmeraum auswählbar ist. Es ist auch denkbar, dass die beiden Aufnahmeräume voneinander räumlich getrennt in dem Anpassungskissen angeordnet sind. Dann kann das Anpassungskissen insbesondere zwei separate Unterdruckanschlüsse aufweisen.
-
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Körperanbindung eine Sensoreinrichtung zur Detektion von zwischen Körperanbindungsabschnitt und zugeordnetem Körperbereich übertragenen Kräften umfasst. Dies ermöglicht eine in situ Überwachung der Beanspruchung der angebundenen Körperbereiche, bspw. im Zuge eines präventiven Arbeitsschutzes. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet, einen Anpressdruck des Körperbereichs auf den Körperanbindungsabschnitt zu detektieren. Die Sensoreinrichtung kann vorzugsweise mit einer Auswerteeinheit zur Aufnahme und Verarbeitung der erhobenen Messdaten verbunden sein. Optional kann eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Lastzustands vorgesehen sein, was eine direkte Rückmeldung hinsichtlich des Belastungszustands ermöglicht, insbesondere ob eine vorgegebene, bspw. in der Auswerteeinheit hinterlegte, Grenzbelastung überschritten wird.
-
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Sensoreinrichtung eine Sensormatte zur Detektion von Kräften umfassen. Beispielsweise kann die Sensormatte als kapazitiver oder piezoresistiver Sensor ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensormatte in die Hülle eines Anpassungskissens des Körperanbindungsabschnitts integriert ist oder zumindest abschnittsweise die Hülle des Anpassungskissens bildet. Insbesondere kann die Sensormatte in ihrer Form deckungsgleich zum Körperanbindungsabschnitt sein. Vorzugsweise ist die Sensormatte in einem dem Körperbereich zugewandten Abschnitt der Hülle des Anpassungskissens des Körperanbindungsabschnitts angeordnet. Insbesondere kann die Sensormatte bei bestimmungsgemäßem Anlegen der Körperanbindung in direktem Kontakt mit dem Körperbereich stehen.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch durch ein Exoskelett gelöst, welches eine Stützstruktur sowie wenigstens eine vorstehend beschriebene Körperanbindung zur Anbindung an einen menschlichen Körper umfasst. Die vorstehend im Zusammenhang mit der Körperanbindung als solche erläuterten Merkmale und Vorteile können zur Ausgestaltung der Körperanbindung dienen.
-
Die Stützstruktur des Exoskeletts ist insbesondere dazu ausgebildet, Last aufzunehmen und in bestimmte Körperbereiche einer Person umzuleiten. Das Exoskelett kann insofern insbesondere im Sinne einer von einer Person tragbaren Vorrichtung zur Unterstützung beim Anheben und Halten von Gegenständen („tragbare Hebehilfe“) ausgebildet sein. Die Stützstruktur ist vorzugsweise mit dem Verbindungsabschnitt der wenigstens einen Körperanbindung verbunden oder verbindbar. Insbesondere kann die Stützstruktur eine oder mehrere Stützen umfassen, beispielsweise in Form von teleskopierbaren Gestängen. Optional können die Stützen miteinander gelenkig verbunden sein. Es ist auch denkbar, dass eine Bewegung der Stützen aktorisch unterstützt ist, bspw. motorisch.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 vereinfachte schematische Darstellung einer Person mit einem Exoskelett, wobei das Exoskelett über entsprechende Körperanbindungen an ausgewählten Körperbereichen der Person angekoppelt ist;
- 2 schematische Darstellung einer Körperanbindung gemäß 1 in einer Ausgestaltung zur Ankopplung des Exoskeletts an einen Ellenbogen;
- 3 schematische Darstellung eines Anpassungskissens einer Körperanbindung in einer teilweisen Schnittansicht mit einer optionalen Anzeigeeinheit zur Anzeige von Betriebsinformationen;
- 4 schematische Darstellungen von partikulären Körpern einer granularen Füllmasse in verschiedenen Ausgestaltungen; und
- 5 schematische Darstellung einer Körperanbindung in einer weiteren Ausgestaltung zur Ankopplung eines Exoskeletts an einen Ellenbogen.
-
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
Die 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine Person 6 mit einem angebundenen Exoskelett 8 zur Unterstützung der Person 6 beim Handhaben von Gegenständen. Wie nachfolgend noch im Detail erläutert, ist das Exoskelett 8 über eine Mehrzahl von Körperanbindungen 10 mit dem Körper 12 der Person 6 verbunden und dort gehaltert. Bei der in 1 dargestellten Ausgestaltung sind beispielhaft Körperanbindungen 10 zur Ankopplung des Exoskeletts 8 an die Oberarme, die Unterarme, die Hüfte, die Oberschenkel, die Knie sowie die Fußknöchel der Person 6 vorgesehen.
-
Das Exoskelett 8 umfasst eine Stützstruktur 14, welche dazu ausgebildet ist, eine Tragkraft, insbesondere die Gewichtskraft eines von der Person 6 gehaltenen Gegenstands, aufzunehmen und in ausgewählte Körperbereiche, bspw. einen Oberarm 16, der Person 6 abzuleiten. Die Stützstruktur 14 umfasst in dem dargestellten Beispiel eine Mehrzahl von Stützen 18, welche beispielsweise in Form von teleskopierbaren Gestängen ausgebildet sein können. Die Stützen 18 sind beispielhaft gelenkig mit entsprechenden Gegenverbindungsabschnitten 20 verbunden, über welche die Stützstruktur 14 mit der jeweiligen Körperanbindung 10 verbindbar ist (nachfolgend noch im Detail erläutert). Optional können die Stützen 18 auch untereinander über Gelenke 22 verbunden sein.
-
Die Körperanbindungen 10 umfassen jeweils einen Körperanbindungsabschnitt 24 zur Verbindung mit einem Körperbereich 16 der Person 6. Die Körperanbindungen 10 umfassen außerdem jeweils einen Verbindungsabschnitt 26 zur Verbindung des Körperanbindungsabschnitts 24 mit dem Exoskelett 8, insbesondere mit einem o.g. Gegenverbindungsabschnitt 20 der Stützstruktur 14 des Exoskeletts 8.
-
2 zeigt eine Ausgestaltung einer solchen Körperanbindung 10, wobei der Körperanbindungsabschnitt 24 beispielhaft in der Art einer Bandage an eine Geometrie des betreffenden Körperbereichs, hier eines Ellenbogens 30, vorgeformt ist. Bei der in 2 dargestellten Ausgestaltung umfasst die Körperanbindung 10 zwei Verbindungsabschnitte 26.
-
In den dargestellten Beispielen sind sowohl der Körperanbindungsabschnitt 24 als auch der Verbindungsabschnitt 26 durch ein verfestigbares Anpassungskissen 28 bereitgestellt. Wie nachfolgend noch im Detail erläutert, ist das Anpassungskissen 28 derart ausgebildet, dass es ausgehend von einer Einrichtkonfiguration, in welcher das Anpassungskissen 28 flexibel formbar ist, durch Einwirken eines äußeren Stimulus in eine Befestigungskonfiguration überführbar ist, in welcher das Anpassungskissen 28 eine im Vergleich zu der Einrichtkonfiguration erhöhte Steifigkeit aufweist.
-
Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen ist es auch möglich, dass nur der Körperanbindungsabschnitt 24 durch ein solches Anpassungskissen 28 bereitgestellt ist. Dann kann der Verbindungsabschnitt 26 insbesondere eine andere Verbindungseinrichtung zur Verbindung des Körperanbindungsabschnitts 24 mit dem Exoskelett 8 aufweisen, bspw. in Form einer Schraubverbindung.
-
Die 3 zeigt eine Ausgestaltung eines Anpassungskissens 28 in einer schematischen Schnittdarstellung, anhand dessen der grundsätzliche Aufbau sowie die Funktion des Anpassungskissens 28 erläutert werden soll. Das Anpassungskissen 28 gemäß 3 ist beispielhaft in der Art eines Schlauchbeutels ausgebildet, welcher eine zentrale Öffnung 32, bspw. zur Aufnahme eines Körperbereichs 16, 30 der Person 6, begrenzt.
-
Das Anpassungskissen 28 umfasst eine luftdichte, flexible Hülle 34, welche einen Aufnahmeraum 36 begrenzt. Der Aufnahmeraum 36 ist mit einer granularen Füllmasse 38 gefüllt, welche eine Vielzahl von partikulären Körpern 40 umfasst. In der 3 sind die partikulären Körper 40 beispielhaft kugelförmig und mit gleicher Größe dargestellt. Die Körper 40 können jedoch auch unterschiedlich ausgebildet sein, insbesondere unterschiedliche Größe und/oder Form und/oder Material aufweisen. Wie in 4 schematisch dargestellt, können die Körper 40 beispielsweise kugelförmig oder als Vielflächner, insbesondere würfelförmig, ausgebildet sein. Insbesondere können die Körper 40 aus Vollmaterial (vgl. 4, linke Spalte) gebildet sein oder als Hohlkörper (vgl. 4, rechte Spalte) ausgebildet sein. Die partikularen Körper 40 können beispielhaft aus Kunststoff oder einem anderen Festkörpermaterial hergestellt sein.
-
Der Aufnahmeraum 36 ist über wenigstens einen Unterdruckanschluss 42 mit Unterdruck beaufschlagbar. Ist der Aufnahmeraum 36 belüftet, also nicht evakuiert, sind die partikulären Körper 40 relativ zueinander beweglich, sodass die granulare Füllmasse 38 makroskopisch gesehen ein fließfähiges Verhalten aufweist. In diesem Zustand (Einrichtkonfiguration) kann die Hülle 34 auf einfache Weise an die Anatomie eines zugeordneten Körperbereichs 16, 30 (im Falle des Körperanbindungsabschnitts 24) bzw. an die Geometrie eines Gegenverbindungsabschnitts 20 des Exoskeletts 8 (im Falle des Verbindungsabschnitts 26), angepasst werden. Wird nun der Aufnahmeraum 36 mit Unterdruck (= Stimulus) beaufschlagt, zieht sich die Hülle 34 zusammen, wodurch ein Volumen des Aufnahmeraums 36 verkleinert wird und somit die Packungsdichte der partikulären Körper 40 erhöht wird. Bei einer kritischen Packungsdichte kommt es dann zu einer Verfestigung durch granulare Verfestigung („granular jamming“), sodass das Anpassungskissen 28 in seiner an den Körperbereich 16, 30 bzw. an den Gegenverbindungsabschnitt 20 des Exoskeletts 8 angepassten Form fixiert und dabei an dem Körperbereich 16, 30 bzw. dem Gegenverbindungsabschnitt 20 festgelegt wird. Durch Evakuieren des Aufnahmeraums 36 kann insofern der Körperanbindungsabschnitt 24 mit dem zugeordneten Körperbereich 16, 30 bzw. der Verbindungsabschnitt 26 mit dem entsprechenden Gegenverbindungsabschnitt 20 des Exoskeletts 8 verbunden werden.
-
Zum Lösen der Verbindung zwischen Körperanbindungsabschnitt 24 und Körperbereich 16, 30 bzw. zwischen Verbindungsabschnitt 26 und Gegenverbindungsabschnitt 20 kann der jeweilige Aufnahmeraum 36 des Anpassungskissens 28 wieder belüftet werden, wodurch die granulare Füllmasse 38 aus dem kompaktierten Zustand in den fließfähigen Zustand rücküberführt wird. Zu diesem Zweck ist der Unterdruckanschluss 42 beispielhaft und bevorzugt als Ventil ausgebildet.
-
Bei der Körperanbindung 10 gemäß 2 ist dem Körperanbindungsabschnitt 24 ein erster Aufnahmeraum 36-1 zugeordnet und dem jeweiligen Verbindungsabschnitt 26 ist ein zweiter Aufnahmeraum 36-2 zugeordnet, wobei die beiden Aufnahmeräume 36-1, 36-2 beispielhaft mit partikulären Körpern 40 unterschiedlicher Ausgestaltung gefüllt sind. Die beiden Aufnahmeräume 36-1, 36-2 sind vorzugsweise gegeneinander abgedichtet und somit unabhängig voneinander mit Unterdruck beaufschlagbar. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass der Körperanbindungsabschnitt 24 und der Verbindungsabschnitt 26 jeweils durch ein eigenständiges Anpassungskissen 28 bereitgestellt sind, wobei die beiden Anpassungskissen 28 miteinander verbunden sind, z.B. durch Verkleben. Es ist auch möglich, dass der Körperanbindungsabschnitt 24 und der Verbindungsabschnitt 26 durch ein gemeinsames Anpassungskissen 28 bereitgestellt sind, in welchem der dem Körperanbindungsabschnitt 24 zugeordnete Aufnahmeraum 36-1 und der dem Verbindungsabschnitt 26 zugeordnete Aufnahmeraum 36-2 voneinander räumlich getrennt angeordnet sind.
-
Optional kann in dem Aufnahmeraum 36 außerdem eine Mehrzahl von Stegen 44 vorgesehen sein, welche beispielhaft und bevorzugt von einer dem Aufnahmeraum 36 zugewandten Innenseite der Hülle 34 abragen und den Aufnahmeraum 36 zumindest abschnittsweise durchsetzen (vgl. 3). Die Stege 44 können dabei helfen, eine unerwünschte Clusterbildung der partikulären Körper 40 zu verhindern.
-
Darüber hinaus kann die Hülle 34 zumindest abschnittsweise durch optionale Versteifungselemente 46 verstärkt sein (vgl. 3). Beispielhaft sind die Versteifungselemente 46 in Form von flächigen Streifen ausgebildet, welche mit der Hülle 34 verbunden sind. Bei nicht dargestellten Ausgestaltungen können die Versteigungselemente 46 auch in Form von Profilschienen ausgebildet sein, bspw. in der Art eines U-, I-, oder L-Profils.
-
Bei dem in 3 dargestellten Beispiel umfasst die Körperanbindung 10 außerdem eine optionale Sensoreinrichtung 48, welche dazu ausgebildet ist, zwischen Körperanbindungsabschnitt 24 und zugeordnetem Körperbereich 16, 30 übertragene Kräfte zu detektieren. Die Sensoreinrichtung 48 umfasst eine Sensormatte 50, welche im dargestellten Beispiel in dem der Öffnung 32 zugewandten Abschnitt der Hülle 34 integriert ist. Insbesondere liegt die Sensormatte 50 dann, wenn die Körperanbindung 10 bestimmungsgemäß angelegt ist, an dem entsprechenden Körperbereich 12 an. Die Sensormatte 50 ist beispielsweise als kapazitiver oder piezoresistiver Sensor ausgebildet.
-
Die Sensormatte 50 ist vorzugsweise mit einer Auswerteeinheit 52 zur Aufnahme und Verarbeitung der von der Sensoreinrichtung 48 erhobenen Messdaten verbunden. Optional kann ferner eine Anzeigeeinrichtung 54 zur Anzeige eines Lastzustands vorgesehen sein. Bei dem in 3 dargestellten Beispiel ist die Anzeigeeinrichtung 54 in Form einer Ampel ausgebildet, welche in Abhängigkeit eines Messwertes der Sensoreinrichtung 48 den Betriebszustand „rot“ (Grenzbelastung überschritten), „orange“ (Belastung nahe Grenzbelastung) oder „grün“ (Belastung ok) anzeigen kann.
-
Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Körperanbindung 10, wobei der Körperanbindungsabschnitt 24 zur Anbindung an ein Knie oder einen Ellenbogen 30 der Person 6 ausgebildet ist. Das den Körperanbindungsabschnitt 24 bildende Anpassungskissen 28 weist hierbei unterschiedlich geformte Kissenabschnitte auf, sodass der Aufnahmeraum 36 in eine Mehrzahl von Kammern 56-1, 56-2, 56-3 unterteilt ist. Dann ist vorzugsweise jeder Kammer 56-1, 56-2, 56-3 ein eigener Unterdruckanschluss 42 zugeordnet.
