DE102021208903A1

DE102021208903A1 - Exoskelett-Vorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102021208903A1
Application number: DE102021208903.8A
Authority: DE
Inventors: Bernward Otten; Robert Weidner
Original assignee: Festool GmbH
Current assignee: Festool GmbH
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2023-02-16
Also published as: CN117794699A; CA3229093A1; AU2022327641A1; WO2023017173A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Exoskelett-Vorrichtung (10), umfassend ein Exoskelett (20) mit einem Basisabschnitt (1), einem beweglich mit dem Basisabschnitt (1) gekoppelten Unterstützungsabschnitt (3) zur Unterstützung einer Gliedmaße des menschlichen Körpers, und einer auf den Unterstützungsabschnitt (3) wirkenden, insbesondere pneumatischen, Aktoreinrichtung (5) zur Bereitstellung einer Unterstützungskraft für die Gliedmaße, wobei die Exoskelett-Vorrichtung (10) ferner umfasst: eine Sensoreinrichtung (6) zur Erfassung einer Risikogröße, die eine Bewegung, insbesondere eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung, des Unterstützungsabschnitts (3) und/oder eine Kraft und/oder einen Druck zwischen dem Unterstützungsabschnitt (3) und der Gliedmaße, umfasst und eine Steuereinrichtung (7) zur Ansteuerung der Aktoreinrichtung (5), wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Risikogröße einen Risikozustand zu detektieren, bei dem das Risiko einer gesundheitlichen Beeinträchtigung und/oder einer Beschädigung besteht, und in Ansprechen auf die Detektion des Risikozustands eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, die eine Ausgabe eines Warnsignals und/oder ein Entgegenwirken gegen den Risikozustand umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Exoskelett-Vorrichtung, umfassend ein Exoskelett mit einem Basisabschnitt zur Anbringung an einen Körperabschnitt, insbesondere den Torso, eines menschlichen Körpers, einem beweglich mit dem Basisabschnitt gekoppelten Unterstützungsabschnitt zur Unterstützung einer Gliedmaße, insbesondere eines Arms, des menschlichen Körpers, und einer auf den Unterstützungsabschnitt wirkenden, insbesondere pneumatischen, Aktoreinrichtung zur Bereitstellung einer Unterstützungskraft für die Gliedmaße.
Ein Exoskelett wird am Körper getragen und unterstützt das muskuloskelettale System in bestimmten Körperhaltungen und Bewegungen. Bevorzugte Einsatzbereiche des Exoskeletts sind handwerkliche und industrielle Anwendungen.
Exoskelette sind beispielsweise aus der EP2665449B1 , der WO2018193817A1 und der WO2021010857A1 bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Betriebssicherheit der Exoskelett-Vorrichtung zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Exoskelett-Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Die Exoskelett-Vorrichtung umfasst eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer Risikogröße, die eine Bewegung, insbesondere eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung, des Unterstützungsabschnitts und/oder eine Kraft und/oder einen Druck zwischen dem Unterstützungsabschnitt und der Gliedmaße, umfasst und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Aktoreinrichtung, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Risikogröße einen Risikozustand zu detektieren, bei dem das Risiko einer gesundheitlichen Beeinträchtigung und/oder einer Beschädigung besteht, und in Ansprechen auf die Detektion des Risikozustands eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, die eine Ausgabe eines Warnsignals und/oder ein Entgegenwirken gegen den Risikozustand umfasst.
Bei einem Exoskelett kann das Risiko bestehen, dass ein unkontrolliert nach oben schnellender Unterstützungsabschnitt den Nutzer im Gesicht verletzt. Mögliche Ursache dafür können ein Herausrutschen des Armes aus einer Armbefestigung, insbesondere einer Armschale, oder ein fehlerhaftes Vorgehen beim An- oder Ablegen des Exoskeletts sein. In der Folge kann es zu einer unkontrollierten Bewegung des die Unterstützungskraft bereitstellenden Unterstützungsabschnitts in Richtung des Gesichts des Anwenders kommen. Bei aktiven Exoskeletten kann dieses Problem beispielsweise dann auftreten, wenn die Unterstützungskraft des Exoskeletts aktiviert wird, obwohl der Anwender das Exoskelett noch nicht vollständig angelegt hat.
Durch die erfindungsgemäße Erfassung der Risikogröße kann vorzugsweise eine unkontrollierte Bewegung des Unterstützungsabschnitts erkannt werden und durch das Einleiten der Sicherheitsmaßnahme kann das Verletzungsrisiko für den Anwender minimiert werden.
Bevorzugt kann das Erfassen der Risikogröße und das Einleiten der Sicherheitsmaßnahme dazu dienen, eine Korrektur oder ein bewusstes Manipulieren der Bewegungen eines Anwenders zu erzielen, um dessen Sicherheit zu erhöhen oder den Tätigkeitsablauf zu optimieren. Durch „Nudging“ kann so der Anwender intuitiv auf den richtigen bzw. optimalen Bewegungsablauf hingewiesen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren gemäß Anspruch 14.
Weitere exemplarische Details sowie beispielhafte Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Seitenansicht einer Exoskelett-Vorrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht eines von einem Anwender getragenen Exoskeletts,
3 eine schematische Detailansicht eines Unterstützungsabschnitts des Exoskeletts,
4 eine schematische Rückansicht des Exoskeletts, und
5 ein Ablaufdiagramm eines exemplarischen Betriebs des Exoskeletts.

Bei den nachfolgenden Erläuterungen wird Bezug genommen auf die in den Figuren eingezeichneten, orthogonal zueinander ausgerichteten Raumrichtungen x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung. Die z-Richtung kann auch als Vertikalrichtung, die x-Richtung als Tiefenrichtung und die y-Richtung als Breitenrichtung bezeichnet werden.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Exoskelett-Vorrichtung 10, die ein Exoskelett 20 sowie optional ein Werkzeug 30 und/oder ein Mobilgerät 40 umfasst. Das Exoskelett 20 kann auch für sich genommen bereitgestellt sein. Das Werkzeug 30 und/oder das Mobilgerät 40 sind exemplarisch separat von dem Exoskelett 20 vorhanden, also insbesondere nicht mechanisch mit dem Exoskelett 20 verbunden. Bei dem Werkzeug 30 handelt es sich beispielsweise um ein Elektrowerkzeug, insbesondere um einen Akkuschrauber und/oder eine Bohrmaschine und/oder eine Schleifmaschine. Das Mobilgerät 40 ist vorzugsweise ein Smartphone oder ein Tablet. Optional ist das Exoskelett 20 ausgebildet, mit dem Werkzeug 30 und/oder dem Mobilgerät 40 zu kommunizieren, insbesondere drahtlos.
Exemplarisch ist das Exoskelett 20 in einer aufrechten Ausrichtung mit seiner Vertikalachse (die insbesondere parallel zu einer Basisabschnitt-Achse 62 verläuft) parallel zur z-Richtung ausgerichtet. Insbesondere ist das Exoskelett 20 in der aufrechten Ausrichtung mit seiner Sagitalachse parallel zur x-Richtung ausgerichtet. Die Sagitalachse des Exoskeletts 20 verläuft in einem Zustand, in dem der Anwender das Exoskelett 20 angelegt hat, parallel zur Sagitalachse des Anwenders, also insbesondere parallel zu einer Richtung von hinten - also insbesondere dem Rücken des Anwenders - nach vorne - also insbesondere der Brust des Anwenders. Die Horizontalachse des Exoskeletts 20 verläuft insbesondere in Breitenrichtung des Exoskeletts 20 und/oder parallel zur y-Richtung. Die Horizontalachse des Exoskeletts 20 verläuft in einem Zustand, in dem der Anwender das Exoskelett 20 angelegt hat, parallel zur Horizontalachse des Anwenders, also insbesondere parallel zu einer Richtung von einer ersten Schulter des Anwenders zu einer zweiten Schulter des Anwenders. Die Vertikalachse des Exoskeletts 20, Sagitalachse des Exoskeletts 20 und die Horizontalachse des Exoskeletts 20 sind orthogonal zueinander ausgerichtet.
Die Exoskelett-Vorrichtung 10 ist insbesondere für den handwerklichen und/oder den industriellen Einsatz ausgebildet. Vorzugsweise ist die Exoskelett-Vorrichtung 10 nicht für einen medizinischen und/oder nicht für einen therapeutischen Einsatz ausgebildet.
Das Exoskelett 20 ist ein aktives Exoskelett und verfügt insbesondere über eine interne Energiequelle, aus der die Energie für die Unterstützungskraft bereitgestellt wird. Insbesondere ist das Exoskelett 20 ein aktives Exoskelett zur aktiven Unterstützung des Schultergelenks des Anwenders.
Das Exoskelett 20 umfasst einen Basisabschnitt 1, der zur Anbringung an einen Körperabschnitt eines menschlichen Körpers eines Anwenders dient. Exemplarisch dient der Basisabschnitt 1 dazu, an den Torso 2 des menschlichen Körpers angebracht zu werden.
Der Basisabschnitt 1 umfasst einen Hauptabschnitt und ein textiles Tragesystem, das insbesondere lösbar an dem Hauptabschnitt angebracht ist. Der Hauptabschnitt dient exemplarisch dazu, mittels des textilen Tragesystems an dem Rücken des menschlichen Körpers getragen zu werden, insbesondere rucksackartig. Der Hauptabschnitt umfasst ein Rückenteil 8, das insbesondere länglich ausgeführt ist und das zweckmäßigerweise mit seiner Längsachse vertikal und/oder in Längsrichtung des Rückens des Anwenders ausgerichtet ist. Beispielsweise erstreckt sich die Längsrichtung des Rückenteils 8 entlang der Längsrichtung des Rückens. Der Hauptabschnitt umfasst ferner ein insbesondere leistenförmiges und/oder steifes Kraftübertragungselement 18, das sich von dem Rückenteil 8 nach unten hin zu einem Beckengurt 16 erstreckt, um das Rückenteil 8 mechanisch mit dem Beckengurt 16 zu koppeln. Das Kraftübertragungselement 18 dient zweckmäßigerweise dazu, um eine von einem Unterstützungsabschnitt 3 auf das Rückenteil 8 übertragene Reaktionskraft weiter zum Beckengurt 16 zu übertragen. Exemplarisch ist das Rückenteil 8 schlauchförmig und/oder rucksackförmig ausgeführt. Das Rückenteil 8 ist insbesondere steif ausgeführt. Insbesondere umfasst das Rückenteil 8 ein zweckmäßigerweise steifes Rückenteil-Gehäuse, das beispielsweise aus einem insbesondere steifen Kunststoff und/oder als Hartschale gefertigt ist. Das Rückenteil 8 dient zweckmäßigerweise dazu, eine Kraft von dem Unterstützungsabschnitt 3 an das Kraftübertragungselement 18 zu übertragen und/oder Komponenten für die Steuerung der Unterstützungskraft aufzunehmen.
Der Unterstützungsabschnitt 3 kann zweckmäßigerweise als Armaktor bezeichnet werden.
Das Kraftübertragungselement 18 ist exemplarisch schwertförmig ausgeführt und kann auch als Schwert bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise ist das Kraftübertragungselement 18 relativ zum Rückenteil 8 verstellbar ausgeführt, um insbesondere die vertikale Erstreckung des Hauptabschnitts und/oder einen dem Rücken des Anwenders zugewandten Kraftübertragungselement-Winkel 46 zwischen dem Kraftübertragungselement 18 und dem Rückenteil 8 zu verändern. Zweckmäßigerweise ist das Kraftübertragungselement 18 translatorisch und/oder rotatorisch beweglich relativ zum Rückenteil 8 gelagert und insbesondere in verschiedene translatorische und/oder rotatorische Stellungen relativ zum Rückenteil 8 versetzbar und insbesondere verriegelbar. Die translatorische Bewegung erfolgt insbesondere vertikal. Die rotatorische Bewegung erfolgt zweckmäßigerweise um eine parallel zur y-Richtung ausgerichtete Verstellachse.
Das textile Tragesystem umfasst exemplarisch den Beckengurt 16 und/oder wenigstens einen, vorzugsweise zwei, Schultergurte 19. Der Beckengurt 16 bildet zweckmäßigerweise eine Schlaufe, so dass er im getragenen Zustand den Torso 2, insbesondere die Hüfte, des Anwenders umschließt. Jeder Schultergurt 19 verläuft exemplarisch vom Hauptabschnitt, insbesondere vom Rückenteil 8, hin zum Beckengurt 16, und zwar zweckmäßigerweise im getragenen Zustand des Exoskeletts 20 über eine jeweilige Schulter des Anwenders.
Das Exoskelett 20 umfasst ferner exemplarisch ein Kraftübertragungselement-Gelenk 17, über das das Kraftübertragungselement 18 an dem Beckengurt 16 angebracht ist. Das Kraftübertragungselement-Gelenk 17 ist beispielsweise als Kugelgelenk ausgeführt und kann als Sakrumgelenk bezeichnet werden. Im getragenen Zustand des Exoskeletts 20 ist das Kraftübertragungselement-Gelenk 17 im unteren Rückenbereich des Anwenders angeordnet, insbesondere in Breitenrichtung zentriert.
Das textile Tragesystem umfasst exemplarisch ferner ein Rückennetz 21, das an der dem Rücken des Anwenders zugewandten Seite des Rückenteils 8 angeordnet ist. Im getragenen Zustand des Exoskeletts 20 liegt das Rückennetz 21 an dem Rücken des Anwenders an, insbesondere zumindest teilweise und/oder im oberen Rückenbereich.
Das Exoskelett 20 umfasst ferner den beweglich mit dem Basisabschnitt 1 gekoppelten Unterstützungsabschnitt 3 zur Unterstützung einer Gliedmaße, insbesondere eines Arms 4, des menschlichen Körpers des Anwenders. Der Unterstützungsabschnitt 3 ist insbesondere ausgebildet, an der Gliedmaße, insbesondere dem Arm 4, des Anwenders befestigt zu werden. Der Unterstützungsabschnitt 3 umfasst exemplarisch ein insbesondere steifes Armteil 11 und eine am Armteil 11 angeordnete Armbefestigung 12, die exemplarisch als Armschale ausgeführt ist. Das Armteil 11 ist exemplarisch länglich ausgeführt und ist im getragenen Zustand mit seiner Längsachse in Richtung der Längsachse des Arms des Anwenders ausgerichtet. Exemplarisch erstreckt sich das Armteil 11 von der Schulter des Anwenders bis zum Ellbogenbereich des Anwenders. Das Exoskelett 20, insbesondere das Armteil 11, endet exemplarisch am Ellbogenbereich des Anwenders. Die Armbefestigung 12 dient insbesondere zur Befestigung des Unterstützungsabschnitts 3 an dem Arm 4, insbesondere dem Oberarm, des Anwenders. Insbesondere umgreift die Armschale den Oberarm des Anwenders, insbesondere zumindest teilweise, so dass der Oberarm mit einem Band in der Armschale gehalten werden kann. Der Unterarm des Anwenders wird zweckmäßigerweise nicht am Exoskelett 20 befestigt.
Der Unterstützungsabschnitt 3 ist exemplarisch um eine horizontale Schwenkachse relativ zum Basisabschnitt 1, insbesondere relativ zum Rückenteil 8, verschwenkbar gelagert. Exemplarisch ist der Unterstützungsabschnitt 3 direkt an einem Schulterteil 29 gelagert. Die horizontale Schwenkachse kann auch als Hebeachse 36 bezeichnet werden. Im getragenen Zustand des Exoskeletts 20 ist die Hebeachse 36 im Bereich der Schulter des Anwenders angeordnet. Das Exoskelett 20 ist insbesondere ausgebildet, mit dem Unterstützungsabschnitt 3 das Schultergelenk des Anwenders zu unterstützen. Im getragenen Zustand des Exoskeletts 20 kann der Anwender durch ein Verschwenken des Unterstützungsabschnitts 3 um die Hebeachse 36 mit seinem von dem Unterstützungsabschnitt 3 unterstützten Arm 4 eine Hebebewegung ausführen. Die Hebeachse 36 kann insbesondere in y-Richtung ausgerichtet sein. Zweckmäßigerweise liegt die Hebeachse 36 stets in einer horizontalen Ebene, beispielsweise einer x-y-Ebene. Unter einer horizontalen Ebene ist insbesondere eine exakt horizontale Ebene und/oder eine Ebene zu verstehen, die maximal um 10 Grad, 7 Grad oder 5 Grad gegenüber einer Horizontalen gekippt ist.
Der Schwenkwinkel 47 des Unterstützungsabschnitts 3 um die Hebeachse 36 relativ zum Basisabschnitt 1 soll auch als Hebewinkel bezeichnet werden. Der Schwenkwinkel 47 hat bei einem nach unten ausgerichteten Unterstützungsabschnitt 3 (bei einem vertikal ausgerichteten Exoskelett 20) einen Referenzwert, insbesondere einen Minimalwert, und steigt bei einem nach oben gerichteten Verschwenken des Unterstützungsabschnitts 3 kontinuierlich bis zu einem Maximalwert an. Der Minimalwert ist insbesondere ein betragsmäßiger Minimalwert, beispielsweise Null.
Exemplarisch ist der Schwenkwinkel 47 als Winkel zwischen einer Unterstützungsabschnitt-Achse 61 und einer Basisabschnitt-Achse 62 definiert. Die Unterstützungsabschnitt-Achse 61 verläuft in Längsrichtung des Unterstützungsabschnitts 3. Exemplarisch verläuft die Unterstützungsabschnitt-Achse 61 von der Hebeachse 36 in Richtung zu der Armbefestigung 12. In einem Zustand, in dem der Anwender das Exoskelett 20 angelegt hat, verläuft die Unterstützungsabschnitt-Achse 61 zweckmäßigerweise parallel zu einer Oberarm-Achse des von dem Unterstützungsabschnitt 3 unterstützten Arms 4. Die Basisabschnitt-Achse 62 stellt zweckmäßigerweise eine vertikale Achse des Basisabschnitts 1 dar und verläuft vertikal nach unten, insbesondere bei einer vertikalen Ausrichtung des Basisabschnitts 1, beispielsweise in einem Zustand, in dem der Anwender das Exoskelett 20 angelegt hat und aufrecht steht. Der Schwenkwinkel 47 liegt exemplarisch in einer z-x-Ebene.
Das Exoskelett 20 umfasst exemplarisch eine Schultergelenkanordnung 9, über die der Unterstützungsabschnitt 3 an dem Basisabschnitt 1, insbesondere dem Rückenteil 8, angebracht ist. Die Schultergelenkanordnung 9 umfasst zweckmäßigerweise eine Gelenkkette mit einem oder mehrerer Drehlager zur Definition einer oder mehrerer vertikaler Drehachsen. Mittels der Gelenkkette ist zweckmäßigerweise ein Verschwenken des Unterstützungsabschnitts 3 relativ zum Basisabschnitt 1, insbesondere relativ zum Rückenteil 8, in einer vorzugsweise horizontalen Schwenkebene möglich, beispielsweise um eine insbesondere virtuelle vertikale Drehachse. Insbesondere ermöglicht es die Gelenkkette dem Anwender, seinen von dem Unterstützungsabschnitt 3 unterstützten Arm 4 um eine durch die Schulter des Anwenders verlaufende vertikale Drehachse zu schwenken, wobei der Unterstützungsabschnitt 3 mit dem Arm 4 mitbewegt wird. Exemplarisch ist die Gelenkkette passiv ausgeführt, so dass das Exoskelett 20 bei dem Verschwenken des Arms in der vorzugsweise horizontalen Schwenkebene keine aktive Unterstützungskraft in Richtung der horizontalen Schwenkbewegung bereitstellt.
Die Schultergelenkanordnung 9 ist zweckmäßigerweise derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass sie einen freien Raum definiert, der sich im getragenen Zustand des Exoskeletts 20 oberhalb der Schulter des das Exoskelett 20 tragenden Anwenders befindet, so dass der Anwender durch den freien Raum an der Schultergelenkanordnung 9 vorbei seinen von dem Unterstützungsabschnitt 3 unterstützen Arm senkrecht nach oben ausrichten kann.
Die Schultergelenkanordnung 9 umfasst exemplarisch einen inneren Schultergelenkabschnitt 27, der mittels eines ersten Drehlagers der Schultergelenkanordnung 9 um eine erste vertikale Drehachse verschwenkbar relativ zum Basisabschnitt 1, insbesondere zum Rückenteil 8, gelagert ist. Die Schultergelenkanordnung 9 umfasst exemplarisch ferner einen äußeren Schultergelenkabschnitt 28, der mittels eines zweiten Drehlagers der Schultergelenkanordnung 9 um eine zweite vertikale Drehachse verschwenkbar relativ zum inneren Schultergelenkabschnitt 27 gelagert ist. Die Schultergelenkanordnung 9 umfasst exemplarisch ferner ein Schulterteil 29, dass mittels eines dritten Drehlagers der Schultergelenkanordnung 9 um eine dritte vertikale Drehachse verschwenkbar relativ zum äußeren Schultergelenkabschnitt 28 gelagert ist. Vorzugsweise sind der innere Schultergelenkabschnitt 27, der äußere Schultergelenkabschnitt 28 und das Schulterteil 29 in der Schultergelenkanordnung 9 derart als die Gelenkkette miteinander kinematisch gekoppelt, dass durch den Schwenkwinkel des inneren Schultergelenkabschnitts 27 relativ zum Basisabschnitt 1 der Schwenkwinkel des äußeren Schultergelenkabschnitt 28 relativ zum inneren Schultergelenkabschnitt 27 und/oder der Schwenkwinkel des Schulterteils 29 relativ zum äußeren Schultergelenkabschnitt 28 festgelegt wird.
Die 3 zeigt eine schematische Detailansicht des Unterstützungsabschnitts 3, wobei innerhalb des Armteils angeordnete Komponenten sichtbar eingezeichnet sind. Das Armteil 11 umfasst zweckmäßigerweise ein Armteil-Gehäuse, das insbesondere steif ausgeführt und beispielsweise aus Kunststoff gefertigt ist.
Das Exoskelett 20 umfasst eine auf den Unterstützungsabschnitt 3 wirkende Aktoreinrichtung 5 zur Bereitstellung einer Unterstützungskraft für die Gliedmaße, exemplarisch für den Arm des Anwenders. Exemplarisch ist die Aktoreinrichtung 5 zumindest teilweise in dem Armteil 11 angeordnet.
Die Aktoreinrichtung 5 ist eine aktive Aktoreinrichtung. Zweckmäßigerweise stellt das Exoskelett 20 mittels der Aktoreinrichtung 5 die Unterstützungskraft mit einer in Richtung der Schwenkbewegung um die Hebeachse 36 nach oben wirkenden Kraftkomponente bereit, die den Arm 4 des Anwenders in Richtung der Schwenkbewegung nach oben drückt.
Vorzugsweise umfasst die Aktoreinrichtung 5 eine Aktoreinheit mit einem Aktorglied 32. Die Aktoreinheit kann das Aktorglied 32 mit einer Aktorkraft beaufschlagen, um die Unterstützungskraft bereitzustellen. Das Aktorglied 32 ist mit einem exzentrisch zur Hebeachse 36 angeordneten Exzenterabschnitt 35 gekoppelt. Der Exzenterabschnitt 35 ist beispielsweise Teil des Schulterteils 29. Über die Kopplung des Aktorglieds 32 mit dem Exzenterabschnitt 35 wird durch die Aktorkraft ein Drehmoment des Unterstützungsabschnitts 3 um die Hebeachse 36 relativ zum Basisabschnitt 1 und/oder dem Schulterteil 29 bereitgestellt. Durch dieses Drehmoment drückt der Unterstützungsabschnitt 3 gegen die Gliedmaße, insbesondere den Arm 4, des Anwenders, insbesondere nach oben, und stellt so die auf die Gliedmaße, insbesondere den Arm 4, des Anwenders wirkende Unterstützungskraft bereit.
Exemplarisch verfügt die Aktoreinrichtung 5 über ein insbesondere als Schubstange ausgeführtes Koppelelement 33, über das das Aktorglied 32 mit dem Exzenterabschnitt 35 gekoppelt ist.
Bevorzugt ist die Aktoreinrichtung 5 eine pneumatische Aktoreinrichtung und die Aktoreinheit ist zweckmäßigerweise als pneumatischer Antriebszylinder 31 ausgeführt. Das Aktorglied 32 ist die Kolbenstange des Antriebszylinders 31.
Alternativ kann die Aktoreinrichtung auch nicht als pneumatische Aktoreinrichtung ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Aktoreinrichtung als hydraulische und/oder elektrische Aktoreinrichtung ausgeführt sein und zweckmäßigerweise als die Aktoreinheit eine hydraulische Antriebseinheit und/oder eine elektrische Antriebseinheit umfassen.
Der Antriebszylinder 31, das Aktorglied 32 und/oder das Koppelelement 33 sind bevorzugt in dem Armteil-Gehäuse angeordnet.
Das Exoskelett 20 umfasst zweckmäßigerweise ein Hebe-Drehlager 34, das die Hebeachse 36 bereitstellt. Exemplarisch ist der Unterstützungsabschnitt 3 über das Hebe-Drehlager 34 an der Schultergelenkanordnung 9 angebracht.
Die 4 zeigt eine Rückansicht des Exoskeletts 20, wobei das textile Tragesystem und das Kraftübertragungselement 18 nicht gezeigt sind.
Das Exoskelett 20 umfasst exemplarisch einen oder mehrere Akkus 22, einen Kompressor 23, eine Ventileinheit 24 und/oder einen Drucklufttank 25, die zweckmäßigerweise Teil des Basisabschnitts 1 sind und insbesondere im Rückenteil-Gehäuse angeordnet sind.
Exemplarisch ist der Akku 22 unten am Rückenteil 8 angeordnet und insbesondere in eine Akku-Aufnahme des Rückenteils 8 von unten eingeschoben. Zweckmäßigerweise ist der Drucklufttank 25 in einem oberen Bereich im Rückenteil 8 angeordnet, exemplarisch (insbesondere in Längsrichtung des Rückenteils 8 und/oder Vertikalrichtung) über der Ventileinheit 24, der Steuereinrichtung 7, dem Kompressor 23 und/oder dem Akku 22. Die Ventileinheit 24 und/oder die Steuereinrichtung 7 ist (insbesondere in Längsrichtung des Rückenteils 8 und/oder Vertikalrichtung) zweckmäßigerweise über dem Kompressor und/oder über dem Akku 22 angeordnet. Der Kompressor 23 ist (insbesondere in Längsrichtung des Rückenteils 8 und/oder Vertikalrichtung) über dem Akku 22 angeordnet.
Der Akku 22 dient als elektrische Energieversorgung für das Exoskelett 20, insbesondere für den Kompressor 23, die Ventileinheit 24, eine Sensoreinrichtung 6 und/oder eine Steuereinrichtung 7.
Der Kompressor 23 ist ausgebildet, Luft zu komprimieren, um Druckluft zu erzeugen. Der Drucklufttank 25 ist ausgebildet, Druckluft - insbesondere die von dem Kompressor 23 erzeugte Druckluft - zu speichern.
Die Ventileinheit 24 umfasst zweckmäßigerweise ein oder mehrere elektrisch betätigbare Ventile und ist insbesondere ausgebildet, eine pneumatische Verbindung von dem Drucklufttank 25 zu einer Druckkammer des pneumatischen Antriebzylinders 31 zu beeinflussen, insbesondere wahlweise herzustellen und/oder zu sperren. Zweckmäßigerweise ist die Ventileinheit 24 ferner ausgebildet, eine pneumatische Verbindung von dem Drucklufttank 25 zur Umgebung des Exoskelett 20 und/oder eine pneumatische Verbindung von der Druckkammer des Antriebszylinders 31 zur Umgebung des Exoskelett 20 zu beeinflussen, insbesondere wahlweise herzustellen und/oder zu sperren. Die Ventileinheit 24 ist zweckmäßigerweise Teil der Aktoreinrichtung 5.
Das Exoskelett 20 umfasst ferner eine Sensoreinrichtung 6. Exemplarisch umfasst die Sensoreinrichtung 6 einen Winkelsensor 37 zur Erfassung des Winkels des Unterstützungsabschnitts 3 relativ zum Basisabschnitt 1, insbesondere des Armteils 11 relativ zum Schulterteil 29. Dieser Winkel soll auch als Schwenkwinkel 47 oder als Hebewinkel bezeichnet werden. Der Winkelsensor 37 dient insbesondere zur Erfassung des Winkels des Unterstützungsabschnitts 3 um die Hebeachse 36. Der Winkelsensor 37 ist beispielsweise als Inkrementalgeber ausgeführt und insbesondere am Hebe-Drehlager 34, insbesondere im Armteil 11 und/oder im Schulterteil 29 angeordnet.
Bevorzugt umfasst die Sensoreinrichtung 6 ferner wenigstens einen Drucksensor zur Erfassung des in der Druckkammer des Antriebszylinders 31 und/oder des in dem Drucklufttank 25 herrschenden Drucks. Der wenigstens eine Drucksensor ist zweckmäßigerweise im Rückenteil 8 und/oder im Armteil 11 angeordnet.
Die Exoskelett-Vorrichtung 10, insbesondere das Exoskelett 20, umfasst zweckmäßigerweise eine Steuereinrichtung 7, die beispielsweise einen Microcontroller umfasst oder als Microcontroller ausgeführt ist. Die Steuereinrichtung 7 dient insbesondere dazu, die Aktoreinrichtung 5, insbesondere die Ventileinheit 24, anzusteuern, um die Bereitstellung der Unterstützungskraft zu steuern. Ferner dient die Steuereinrichtung 7 zum Auslesen der Sensoreinrichtung 6, insbesondere zum Auslesen von von der Sensoreinrichtung 6 erfassten Daten und/oder zur Kommunikation mit dem Werkzeug 30 und/oder dem Mobilgerät 40. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, durch Ansteuerung der Ventileinheit 24 den in der Druckkammer des Antriebszylinders 31 herrschenden Druck einzustellen, insbesondere zu regeln, beispielsweise unter Berücksichtigung eines mittels des Drucksensors erfassten Druckwerts. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, zur Erhöhung der Unterstützungskraft den in der Druckkammer herrschenden Druck durch Ansteuerung der Ventileinheit 24 zu erhöhen und/oder zur Reduzierung der Unterstützungskraft den in der Druckkammer herrschenden Druck durch Ansteuerung der Ventileinheit 24 zu reduzieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, die Unterstützungskraft auf Basis des insbesondere mittels des Winkelsensors 37 erfassten Schwenkwinkels 47 des Unterstützungsabschnitts 3 einzustellen. Zweckmäßigerweise kann der Anwender durch seine Muskelkraft den Schwenkwinkel 47 des Unterstützungsabschnitts 3 durch ein Verschwenken seines Arms 4 verändern, und dadurch insbesondere die Bereitstellung der Unterstützungskraft beeinflussen. Insbesondere ist die Unterstützungskraft niedrig genug, sodass der Anwender durch seine Muskelkraft den Schwenkwinkel 47 des Unterstützungsabschnitts 3 durch ein Verschwenken seines Arms 4 verändern kann. Die Unterstützungskraft wird beispielsweise durch die Auslegung des pneumatischen Systems, insbesondere des Kompressors, und/oder durch die Steuereinrichtung 7 begrenzt.
Die Steuereinrichtung 7 ist vorzugsweise Teil des Exoskeletts 20 und exemplarisch in dem Basisabschnitt 1, insbesondere in dem Rückenteil 8 angeordnet. Optional kann die Steuereinrichtung 7 zumindest teilweise in dem Mobilgerät 40 implementiert sein.
Das Exoskelett 20 umfasst exemplarisch ein Bedienelement 14, das zweckmäßigerweise über ein Bedienelement-Kabel 15 am Basisabschnitt 1 befestigt ist. Über das Bedienelement 14 kann der Anwender das Exoskelett 20 steuern und insbesondere die Unterstützungskraft aktivieren, deaktivieren und/oder auf einen aus mehreren möglichen Kraftwerten größer null einstellen.
Das Exoskelett 20 verfügt exemplarisch ferner über ein Verbindungselement 26, über das die Schultergelenkanordnung 9 an dem Basisabschnitt 1, insbesondere dem Rückenteil 8, befestigt ist. Das Verbindungselement 26 ist exemplarisch als Auszugelement ausgeführt. Das Verbindungselement 26 ist zweckmäßigerweise relativ zum Basisabschnitt 1, insbesondere relativ zum Rückenteil 8, in seiner Position verstellbar, um die Position der Schultergelenkanordnung 9 und des Unterstützungsabschnitts 3 an die Schulterbreite des Anwenders anpassen zu können. Insbesondere ist die Position des Verbindungselements 26 durch Einschieben oder Ausziehen des Verbindungselements 26 in oder aus dem Rückenteil 8 verstellbar.
Exemplarisch verfügt das Exoskelett 20 über einen ersten Unterstützungsabschnitt 3A, eine erste Schultergelenkanordnung 9A und ein erstes Verbindungselement 26A, sowie über einen zweiten Unterstützungsabschnitt 3B, eine zweite Schultergelenkanordnung 9B und über ein zweites Verbindungselement 26B. Die Komponenten, deren Bezugszeichen mit dem Zusatz „A“ oder „B“ versehen sind, sind zweckmäßigerweise jeweils in Entsprechung zu den mit der gleichen Bezugszeichen-Zahl aber ohne den Zusatz „A“ oder „B“ versehenen Komponenten ausgeführt, beispielsweise gleich oder spiegelsymmetrisch, so dass die diesbezüglichen Erläuterungen in Entsprechung gelten.
Der erste Unterstützungsabschnitt 3A, die erste Schultergelenkanordnung 9A und das erste Verbindungselement 26A sind auf einer ersten, exemplarisch der rechten, Seite (in Breitenrichtung) des Basisabschnitts 1 angeordnet, und dienen zur Unterstützung eines ersten, insbesondere des rechten, Arms des Anwenders.
Der zweite Unterstützungsabschnitt 3B, die zweite Schultergelenkanordnung 9B und das zweite Verbindungselement 26B sind auf einer zweiten, exemplarisch der linken, Seite (in Breitenrichtung) des Basisabschnitts 1 angeordnet, und dienen zur Unterstützung eines zweiten, insbesondere des linken, Arms des Anwenders.
Der erste Unterstützungsabschnitt 3A umfasst ein erstes Armteil 11A, eine erste Armbefestigung 12A und/oder eine erste Aktoreinheit, insbesondere einen ersten Antriebszylinder.
Der zweite Unterstützungsabschnitt 3A umfasst ein zweites Armteil 11B, eine zweite Armbefestigung 12B und/oder eine zweite Aktoreinheit, insbesondere einen zweiten Antriebszylinder.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, für den ersten Unterstützungsabschnitt 3A eine mittels der ersten Aktoreinheit bewirkte erste Unterstützungskraft einzustellen und für den zweiten Unterstützungsabschnitt 3B eine mittels der zweiten Aktoreinheit bewirkte zweite Unterstützungskraft einzustellen, die sich zweckmäßigerweise von der ersten Unterstützungskraft unterscheidet.
Die erste Schultergelenkanordnung 9A umfasst einen ersten inneren Schultergelenkabschnitt 27A, einen ersten äußeren Schultergelenkabschnitt 28A und ein erstes Schulterteil 29A. Die zweite Schultergelenkanordnung 9B umfasst einen zweiten inneren Schultergelenkabschnitt 27B, einen zweiten äußeren Schultergelenkabschnitt 28B und ein zweites Schulterteil 29B.
Der erste Unterstützungsabschnitt 3A ist um eine erste horizontale Hebeachse 36A relativ zum Basisabschnitt 1 verschwenkbar und der zweite Unterstützungsabschnitt 3B ist um eine zweite horizontale Hebeachse 36B relativ zum Basisabschnitt 1 verschwenkbar.
In der 2 ist das Exoskelett 20 in einem Zustand gezeigt, in dem es von einem Anwender getragen, insbesondere bestimmungsgemäß getragen, wird. Mit der Formulierung, dass der Anwender das Exoskelett 20 trägt, insbesondere bestimmungsgemäß trägt, ist gemeint, dass der Anwender das Exoskelett angezogen - also angelegt - hat, und zwar exemplarisch dadurch, dass der Anwender das Rückenteil 8 rucksackartig auf seinem Rücken trägt, den Beckengurt 16 um seine Hüfte angelegt hat, der oder die die Schultergurte 19 über die Schulter oder die Schultern des Anwenders verlaufen und/oder ein oder beide Arme des Anwenders mit einer jeweiligen Armbefestigung 12 am jeweiligen Unterstützungsabschnitt 3 befestigt sind.
Exemplarisch ist das Exoskelett 20 ausgebildet, den Anwender bei einer Hebebewegung eines jeweiligen Arms, also bei einem nach oben gerichteten Verschwenken des jeweiligen Unterstützungsabschnitts 3 um eine jeweilige Hebeachse 36 mit einer jeweiligen, insbesondere nach oben wirkenden, Unterstützungskraft zu unterstützen. Ferner ist das Exoskelett 20 zweckmäßigerweise ausgebildet, den Anwender bei einer Senkbewegung, also bei einem nach unten gerichteten Verschwenken des jeweiligen Unterstützungsabschnitts 3 um eine jeweilige Hebeachse 36 mit einer jeweiligen insbesondere nach oben wirkenden Unterstützungskraft zu unterstützen oder entgegenzuwirken oder die jeweilige Unterstützungskraft bei der Senkbewegung zu deaktivieren oder zu reduzieren.
Die Sensoreinrichtung 6 dient zur Erfassung einer Risikogröße. Die Risikogröße kann auch als Risikoinformation bezeichnet werden. Die Risikogröße bildet vorzugsweise eine Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3 ab. Vorzugsweise umfasst die Risikogröße eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung des Unterstützungsabschnitts 3. Ferner kann die Risikogröße eine Kraft zwischen dem Unterstützungsabschnitt 3 und der Gliedmaße, insbesondere dem Arm 4, und/oder einen Druck zwischen dem Unterstützungsabschnitt 3 und der Gliedmaße, insbesondere dem Arm 4, umfassen.
Die insbesondere zur Ansteuerung der Aktoreinrichtung 5 dienende Steuereinrichtung ist ausgebildet, auf Basis der erfassten Risikogröße einen Risikozustand zu detektieren, bei dem das Risiko einer gesundheitlichen Beeinträchtigung und/oder das Risiko einer Beschädigung besteht. Bei der gesundheitlichen Beeinträchtigung handelt es sich insbesondere um eine körperliche Verletzung des Anwenders und/oder einer umstehenden Person, insbesondere durch einen Schlag mit dem Unterstützungsabschnitt 3. Bei der Beschädigung handelt es sich beispielsweise um eine Beschädigung des Exoskeletts 20 und/oder einer Umgebung des Exoskeletts 20, insbesondere dadurch, dass das Exoskelett 20 gegen die Umgebung schlägt.
Nachstehend soll näher auf die Erfassung der Risikogröße eingegangen werden:

Die Sensoreinrichtung 6 umfasst einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung der Risikogröße. Die Sensoreinrichtung 6 gibt wenigstens ein Sensorsignal an die Steuereinrichtung 7 aus.

Wie vorstehend bereits erwähnt, umfasst die Sensoreinrichtung 6 den Winkelsensor 37. Bevorzugt wird die Risikogröße unter Verwendung des Winkelsensors 37 erfasst. Beispielsweise gibt der Winkelsensor 37 an die Steuereinrichtung 7 ein Sensorsignal, insbesondere ein Winkelsensorsignal, aus, das die aktuelle Drehposition, insbesondere den Schwenkwinkel 47, des Unterstützungsabschnitts 3, insbesondere relativ zum Basisabschnitt 1, anzeigt. Die Steuereinrichtung 7 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, auf Basis des Sensorsignals, insbesondere des Winkelsensorsignals, die Risikogröße zu erhalten, insbesondere zu berechnen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, auf Basis des Sensorsignals, insbesondere des Winkelsensorsignals, eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung als die Risikogröße zu berechnen, insbesondere durch ein Differenzieren.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung umfasst die Sensoreinrichtung 6 einen Drehwinkelgeschwindigkeitssensor 55 zur Erfassung der Risikogröße. Beispielsweise gibt der Drehwinkelgeschwindigkeitssensor 55 an die Steuereinrichtung 7 ein Sensorsignal, insbesondere ein Drehwinkelgeschwindigkeitssensorsignal aus, das die aktuelle Drehwinkelgeschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3, insbesondere relativ zum Unterstützungsabschnitt 3, anzeigt. Zweckmäßigerweise verwendet die Steuereinrichtung 7 die mittels des Drehwinkelgeschwindigkeitssensors 55 erfasste Drehwinkelgeschwindigkeit als die Risikogröße. Der Drehwinkelgeschwindigkeitssensor 55 ist zweckmäßigerweise am oder im Hebe-Drehlager 34 angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dient das Exoskelett 20 zur Schulterunterstützung bei Überkopfarbeiten. Die Bestimmung des Risikozustands erfolgt vorzugsweise mittels des Drehwinkelgeschwindigkeitssensors 55. Insbesondere detektiert die Steuereinrichtung 7 als den Risikozustand eine erhöhte Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung eines oder beider Unterstützungsabschnitte 3, welche mit einem korrekt in der Armschale befestigten Arm aufgrund einer Trägheit des Arms nicht möglich oder in normaler Anwendung nicht üblich wäre. Zweckmäßigerweise misst der Drehwinkelgeschwindigkeitssensor 55 direkt die Drehwinkelgeschwindigkeit, so dass insbesondere keine Umrechnung der Sensorwerte des Drehwinkelgeschwindigkeitssensors 55 erfolgen muss, um die Risikogröße zu erhalten.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst die Sensoreinrichtung 6 einen Kraft- und/oder Drucksensor 56 zur Erfassung der Risikogröße. Der Kraft- und/oder Drucksensor 56 erfasst insbesondere eine Kraft und/oder einen Druck zwischen dem Unterstützungsabschnitt 3, insbesondere der Armbefestigung 12, und der Gliedmaße, insbesondere dem Arm 4. Der Kraft- und/oder Drucksensor 56 erfasst also insbesondere, wie stark der Unterstützungsabschnitt 3 gegen die Gliedmaße, insbesondere den Arm 4, des Anwenders drückt. Der Kraft- und/oder Drucksensor 56 ist vorzugsweise am Unterstützungsabschnitt 3, insbesondere an der Armbefestigung 12, angeordnet. Optional kann der Kraft- und/oder Drucksensor 56 entfernt von der Armbefestigung 12 angeordnet sein und/oder die Steuereinrichtung 7 kann ausgebildet sein die an der Armbefestigung 12 wirkenden Kräfte aus Bewegungsdaten und/oder einem Systemmodell zu bestimmen, insbesondere zu berechnen. Die Steuereinrichtung 7 verwendet die von dem Kraft- und/oder Drucksensor 56 erfasste Kraft und/oder Druck als die Risikogröße. Gemäß einer optionalen Ausgestaltung erfasst der Kraft- und/oder Drucksensor 56 eine Druckverteilung, insbesondere an einem Kontaktbereich zu dem menschlichen Körper des Anwenders, beispielsweise an der Armbefestigung 12, und die Steuereinrichtung 7 ist ausgebildet, die Risikogröße auf Basis der Druckverteilung zu ermitteln.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst die Sensoreinrichtung 6 wenigstens einen Beschleunigungssensor 38 zur Erfassung der Risikogröße. Beispielsweise kann an dem Basisabschnitt 1 und/oder dem Unterstützungsabschnitt 3 ein Beschleunigungssensor zur Erfassung der Risikogröße vorhanden sein. Der Beschleunigungssensor 38 erfasst eine Beschleunigung, insbesondere eine lineare Beschleunigung und/oder eine Winkelbeschleunigung, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn um die Hebeachse 36. Zweckmäßigerweise ist der Beschleunigungssensor 38 ein mehrachsiger Beschleunigungssensor. Die Steuereinrichtung 7 verwendet die von dem Beschleunigungssensor 38 erfasste Beschleunigung als die Risikogröße und/oder berechnet die Risikogröße auf Basis der von dem Beschleunigungssensor 38 erfassten Beschleunigung, beispielsweise als Geschwindigkeit.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung ist ein erster Beschleunigungssensor 38 am Unterstützungsabschnitt 3 angeordnet und ein zweiter Beschleunigungssensor ist am Basisabschnitt 1 angeordnet. Die Steuereinrichtung 7 ist ausgebildet, bei der Bestimmung des Risikozustands Sensorsignale - also erfasste Beschleunigungen - von dem ersten Beschleunigungssensor 38 und dem zweiten Beschleunigungssensor 38 zu berücksichtigen, insbesondere um wahlweise einen ersten Risikozustand oder einen zweiten Risikozustand zu bestimmen und zweckmäßigerweise gemäß dem bestimmten Risikozustand eine jeweilige Sicherheitsmaßnahme einzuleiten. Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Risikozustand um einen Risikobewegungszustand, bei dem sich der Unterstützungsabschnitt 3 relativ zum Basisabschnitt 1 zu schnell bewegt und/oder relativ zum Basisabschnitt 1 eine zu hohe Beschleunigung aufweist. Bei dem zweiten Risikozustand handelt es sich beispielsweise um einen Risikogesamtbewegungszustand, bei dem sich das gesamte Exoskelett 20 - also der Basisabschnitt 1 und der Unterstützungsabschnitt 3 - zu schnell bewegt und/oder eine zu hohe Beschleunigung aufweist, beispielsweise wenn ein freier Fall des Exoskeletts 20 vorliegt.
Bevorzugt wird die Risikogröße also mittels Sensoren detektiert, welche die Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3 oder einen Druck, beispielsweise eine Druckverteilung, an einer Schnittstelle zum Körper, z.B. in der Armschale, überwachen. Zu diesem Zweck können bevorzugt Sensoren zur Erkennung der aktuellen Drehposition, der Winkelgeschwindigkeit/Winkelbeschleunigung des Unterstützungsabschnitts 3, der (mehrachsigen) Geschwindigkeit/Beschleunigung des Unterstützungsabschnitts 3, und/oder Druck- und/oder Kraftsensoren, z.B. in der Armschale, vorhanden sein.
Ferner kann die Sensoreinrichtung 6 einen Drehwinkelbeschleunigungssensor zur Erfassung der Risikogröße umfassen. Die Risikogröße ist in diesem Fall zweckmäßigerweise eine Drehwinkelbeschleunigung. Zweckmäßigerweise führt die Steuereinrichtung 7 kein zusätzliches Umrechnen oder zeitliches Differenzieren der von dem Drehwinkelbeschleunigungssensor erfassten Drehwinkelbeschleunigung durch, um die Risikogröße zu ermitteln. Die Steuereinrichtung 7 ist ausgebildet, den Risikozustand auf Basis einer mit dem Drehwinkelgeschwindigkeitssensor erfassten Drehwinkelgeschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 zu erfassen.
Im Folgenden soll näher darauf eingegangen werden, wie auf Basis der erfassten Risikogröße der Risikozustand bestimmt werden kann.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Risikozustand auf Basis eines Vergleichs der Risikogröße mit einem Risiko-Schwellenwert zu detektieren. Bei dem Risiko-Schwellenwert handelt es sich beispielsweise um einen Bewegungs-Schwellenwert, insbesondere einen Drehwinkelgeschwindigkeits-Schwellenwert und/oder einen Drehwinkelbeschleunigungs-Schwellenwert, einen Kraft-Schwellenwert und/oder einen Druck-Schwellenwert.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, auf Basis einer oder mehrerer der Risikogrößen einen Risikozustand aus mehreren möglichen Risikozuständen zu bestimmen.
Die Steuereinrichtung 7 ist insbesondere ausgebildet, eine oder mehrere Risikogrößen kontinuierlich zu erfassen, insbesondere zu überwachen, und/oder kontinuierlich zu prüfen, ob ein oder mehrere Risikozustände vorliegen.
Bevorzugt umfasst der Risikozustand einen Risikobewegungszustand, bei dem eine Risikobewegung des Unterstützungsabschnitts 3 vorliegt, bei der das Risiko besteht, dass der Unterstützungsabschnitt 3 gegen den Kopf, insbesondere das Gesicht, des Anwenders des Exoskeletts 20 schlägt. Die Risikobewegung ist insbesondere eine Schwenkbewegung des Unterstützungsabschnitts 3 relativ zu Basisabschnitt 1, insbesondere um die Hebeachse 36, vorzugsweise nach oben.
Beispielsweise umfasst die Bestimmung des Risikobewegungszustands eine Detektion einer unkontrollierten Bewegung eines oder mehrerer mit einer jeweiligen Unterstützungskraft von der Aktoreinrichtung 5 aktiv unterstützten Unterstützungsabschnitte 3 des aktiven Exoskeletts 20. Die unkontrollierte Bewegung kann für den Anwender oder umstehende Personen potentiell gefährlich sein. Die Exoskelett-Vorrichtung 10 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, in Anschluss an diese Detektion eine Gegenmaßnahme einzuleiten, um eine kontrollierte Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3 und/oder der Aktoreinrichtung 5 durchzuführen, um mögliche Verletzungen des Nutzers oder umstehender Personen zu vermeiden und/oder zu reduzieren.
Zweckmäßigerweise bestimmt die Steuereinrichtung 7 den Risikobewegungszustand in Ansprechen darauf, dass die Risikogröße, insbesondere die Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder die Drehwinkelbeschleunigung des Unterstützungsabschnitts 3 relativ zum Basisabschnitt 1, einen Risiko-Schwellenwert, insbesondere einen Drehwinkelgeschwindigkeits-Schwellenwert und/oder einen Drehwinkelbeschleunigungs-Schwellenwert, überschreitet. Zweckmäßigerweise verfügt die Steuereinrichtung 7 über ein oder mehrere Risiko-Schwellenwerte zur Bestimmung des Risikobewegungszustands, die auch als Risikobewegungs-Schwellenwerte bezeichnet werden können. Diese ein oder mehreren Risikobewegungs-Schwellenwerte charakterisieren zweckmäßigerweise den Risikobewegungszustand.
Optional kann die Steuereinrichtung 7 als (insbesondere zusätzliche) Voraussetzung für die Bestimmung des Risikobewegungszustands prüfen, ob der Unterstützungsabschnitt 3 an der Gliedmaße, insbesondere dem Arm 4, angebracht ist, beispielsweise durch einen Vergleich einer mit dem Kraft- und/oder Drucksensor erfassten Kraft oder Druck mit einem Kraft-Schwellenwert und/oder einem Druck-Schwellenwert. Beispielsweise bestimmt die Steuereinrichtung 7 den Risikobewegungszustand in Ansprechen darauf, dass die erfasste Kraft- und/oder der erfasste Druck kleiner als der Kraft-Schwellenwert und/oder der Druck-Schwellenwert ist.
Bevorzugt umfasst der Risikozustand einen Risikoanbringungszustand, bei dem der Unterstützungsabschnitt 3 nicht die Gliedmaße abstützt und/oder nicht an der Gliedmaße angebracht ist. Beispielsweise ist der Risikozustand ein Zustand, bei dem der Anwender das Exoskelett 20 teilweise angelegt hat, insbesondere das Rückenteil 8 auf dem Rücken trägt und/oder den Beckengurt 16 um seine Hüfte angelegt hat, aber den Unterstützungsabschnitt 3, insbesondere die Armbefestigung 12, nicht an seiner Gliedmaße, insbesondere nicht an seinem Arm 4, befestigt hat, so dass der Unterstützungsabschnitt 3 zweckmäßigerweise keine Gliedmaße, insbesondere keinen Arm 4, des Anwenders abstützt. Insbesondere stützt im Risikoanbringungszustand wenigstens der erste Unterstützungsabschnitt 3A und/oder der zweite Unterstützungsabschnitt 3B keine Gliedmaße, insbesondere keinen Arm 4, des Anwenders ab und/oder ist an keine Gliedmaße, insbesondere keinen Arm 4, des Anwenders angebracht.
Der Risikoanbringungszustand entsteht beispielsweise dann, wenn bei dem Exoskelett 20 der Arm 4 des Anwenders aufgrund mangelnder Befestigung während der Nutzung des Exoskeletts 20 aus der Armbefestigung 12, insbesondere der Armschale, herausrutscht oder der Anwender den Arm im Betrieb - also bei aktiver Unterstützungskraft durch die Aktoreinrichtung 5 - aus der Armbefestigung 12, insbesondere der Armschale, herausnimmt. Insbesondere kann der Risikozustand dadurch entstehen, dass ein Anwender die Unterstützungskraft aktiviert, ohne einen oder beide Arme an der jeweiligen Armbefestigung 12A, 12B befestigt zu haben, insbesondere ohne einen oder beide Arme in die jeweilige Armschale eingelegt zu haben. Bei diesem Risikozustand kann der Unterstützungsabschnitt 3 ungehindert und mit voller von der Aktoreinrichtung 5 bereitgestellter Kraft nach oben schwingen, insbesondere um die Schwenkachse 47, und den Anwender je nach Kopfhaltung des Anwenders am Kopf, insbesondere im Gesicht treffen.
Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Risikoanbringungszustand in Ansprechen auf die Feststellung zu bestimmen, dass eine mit dem Kraft- und/oder Drucksensor 56 erfasste Kraft und/oder Druck kleiner ist als ein Kraft- und/oder Druck-Schwellenwert. Zweckmäßigerweise verfügt die Steuereinrichtung über ein oder mehrere Risiko-Schwellenwerte, insbesondere Kraft- und/oder Druck-Schwellenwerte, zur Bestimmung des Risikoanbringungszustands, die auch als Risikoanbringungszustand-Schwellenwerte bezeichnet werden können. Diese ein oder mehreren Risikoanbringungszustand-Schwellenwerte charakterisieren zweckmäßigerweise den Risikoanbringungszustand. Optional kann die Steuereinrichtung 7 ausgebildet sein, einen oder mehrere Risikoanbringungszustand-Schwellenwerte als konstante Schwellenwerte vorzuhalten oder auf Basis der Unterstützungskraft zu bestimmen.
Optional umfasst die Sensoreinrichtung 6 einen Annäherungssensor, der insbesondere in der Armbefestigung 12, beispielsweise in der Armschale, angeordnet ist. Der Annäherungssensor ist beispielsweise ein kapazitiver Näherungssensor und/oder ein kapazitiver Näherungsschalter. Insbesondere erkennt der Annäherungssensor eine Annäherung des Arms durch einen oder mehrere elektrische Effekte. Die Steuereinrichtung 7 ist zweckmäßigerweise ausgebildet, den Risikozustand, insbesondere den Risikoanbringungszustand, unter Verwendung des Annäherungssensors zu bestimmen, vorzugsweise ohne zu diesem Zweck mit dem Unterstützungsabschnitt 3 die Unterstützungskraft bereitzustellen.
Optional ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Risikozustand, insbesondere den Risikoanbringungszustand, auf Basis einer erfassten Geschwindigkeit, insbesondere Winkelgeschwindigkeit, und/oder Beschleunigung, insbesondere Winkelbeschleunigung, des Unterstützungsabschnitts 3 und eines Drucks im Antriebszylinder 31 zu bestimmen. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, auf Basis der erfassten Geschwindigkeit, insbesondere Winkelgeschwindigkeit, und/oder Beschleunigung, insbesondere Winkelbeschleunigung, des Unterstützungsabschnitts 3 und des Drucks im Antriebszylinder 31 eine Trägheit zu bestimmen, beispielsweise auf Basis eines Systemmodells, und auf Basis der bestimmten Trägheit, beispielsweise wenn die bestimmte Trägheit unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, auf den Risikoanbringungszustand zu schließen. Die Trägheit bezieht sich insbesondere auf die Anordnung aus dem Arm 4 (sofern dieser an dem Unterstützungsabschnitt 3 befestigt ist) und dem Unterstützungsabschnitt 3. Wenn sich der Unterstützungsabschnitt 3 bereits bei wenig Druck schnell bewegt, geht die Steuereinrichtung 7 davon aus, dass kein Arm eingelegt ist und dass der Risikoanbringungszustand vorliegt.
Bevorzugt umfasst der Risikozustand einen Risikobenutzungszustand, bei dem der Unterstützungsabschnitt 3 die Gliedmaße, insbesondere den Arm 4, abstützt und sich mit einer Geschwindigkeit größer einem Geschwindigkeits-Schwellenwert bewegt und/oder zwischen dem Unterstützungsabschnitt 3 und der Gliedmaße eine Kraft wirkt, die größer als ein Kraft-Schwellenwert ist. Die Steuereinrichtung 7 ist ausgebildet, den Risikozustand auf Basis eines Vergleichs einer erfassten Geschwindigkeit, insbesondere der Drehwinkelgeschwindigkeit, des Unterstützungsabschnitts 3 mit dem Geschwindigkeits-Schwellenwert und/oder auf Basis eines Vergleichs der erfassten Kraft und/oder des Drucks mit dem Kraft- und/oder Druck-Schwellenwert zu detektieren.
Der Risikobenutzungszustand liegt insbesondere dann vor, wenn der Anwender das Exoskelett 20 zwar korrekt angelegt hat, es aber nicht optimal benutzt. Eine nicht optimale Nutzung liegt beispielsweise dann vor, wenn der Anwender mit seiner Gliedmaße den Unterstützungsabschnitt 3 zu schnell und/oder zu ruckartig bewegt und/oder wenn der Anwender mit seiner vom Unterstützungsabschnitt 3 unterstützten Gliedmaße eine zu schwere Last trägt.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, unter Verwendung eines/des Kraft- und/oder Drucksensors an einer oder mehreren Schnittstellen des Exoskeletts 20 zum Anwender (z.B. an der Armschale), die Kraft und/oder den Druck an einer oder mehrerer dieser Schnittstellen zu überwachen, insbesondere um eine zu hohe Kraft und/oder Druck an der Schnittstelle zu detektieren und zweckmäßigerweise die Unterstützungsleistung zu drosseln, beispielsweise dann, wenn eine entsprechende Einstellung vorliegt, beispielsweise durch den Anwender und/oder in einem Preset. Optional ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, mittels des Kraft- und/oder Drucksensors 56 zu detektieren, ob der Anwender den Unterstützungsabschnitt 3 mit einem Kraftaufwand (größer als einem Kraft-Schwellenwert) gegen die Richtung der Unterstützungskraft bewegt, und beispielsweise in diesem Fall die Unterstützungskraft zu reduzieren, beispielsweise bis hin zu einer Abschaltung der Aktoreinrichtung 5.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, die erfasste Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3, insbesondere eine erfasste Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3, für eine Überwachung eines Bewegungsablaufs zu verwenden, und den Anwender auf eine andere, insbesondere bessere, Arbeitsweise und/oder einen anderen, insbesondere geeigneteren, Bewegungsablauf aufmerksam zu machen, beispielsweise durch eine insbesondere optische, akustische und/oder taktile Warnung. Beispielsweise umfasst die Exoskelett-Vorrichtung 10 zur Ausgabe der Warnung eine Warnlampe und/oder ist ausgebildet, als Warnung einen Warnton auszugeben und/oder als Warnung mittels der Aktoreinrichtung 5 eine Vibration des Unterstützungsabschnitts 3 zu bewirken.
Gemäß einer optionalen Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, die Unterstützungskraft in Abhängigkeit von einer erfassten Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 einzustellen. Die erfasste Geschwindigkeit ist beispielsweise die unter Verwendung des Winkelsensors 37 ermittelte Drehwinkelgeschwindigkeit. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, die Unterstützungskraft bei einer höheren Geschwindigkeit stärker zu reduzieren als bei einer niedrigeren Geschwindigkeit.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, eine Anpassung der Unterstützungskraft an die Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 vorzunehmen, insbesondere um bei für einen Arbeitsvorgang zu schnellen Bewegungen des Anwenders die Unterstützungskraft zu reduzieren. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, durch die Anpassung der Unterstützungskraft den Anwender auf eine vorbestimmte (insbesondere ergonomisch optimale) Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 hinzuweisen.
Zweckmäßigerweise verfügt die Steuereinrichtung 7 über ein oder mehrere Risiko-Schwellenwerte zur Bestimmung des Risikobenutzungszustands, die auch als Risikobenutzungszustand-Schwellenwerte bezeichnet werden können. Diese ein oder mehreren Risikobenutzungszustand-Schwellenwerte charakterisieren zweckmäßigerweise den Risikobenutzungszustand.
Bevorzugt ist der Risiko-Schwellenwert automatisch und/oder manuell durch einen Anwender einstellbar. Beispielsweise kann der Risiko-Schwellenwert durch den Anwender über das Bedienelement 14 und/oder das Mobilgerät 40 eingestellt werden.
Vorzugsweise verfügt die Steuereinrichtung 7 über einen oder mehrere Risiko-Schwellenwerte zur Bestimmung eines Risikozustands. Insbesondere verfügt die Steuereinrichtung 7 über unterschiedliche Risiko-Schwellenwerte zur Bestimmung unterschiedlicher Risikozustände. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, zur Bestimmung unterschiedlicher Risikozustände unterschiedliche Risiko-Schwellenwerte mit jeweils einem oder mehreren gleichen Sensorsignalen, beispielsweise eine von einem Kraft- und/oder Drucksensor erfasste Kraft und/oder Druck, zu vergleichen. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 7 ausgebildet sein, auf Basis eines Sensorsignals und mehrerer Risiko-Schwellenwerte mehrere Risikozustände zu bestimmen.
Zweckmäßigerweise sind verschiedene Risiko-Schwellenwerte vorhanden, beispielsweise ein erster Risiko-Schwellenwert für eine Bewegung, insbesondere die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Unterstützungsabschnitts 3, und/oder ein zweiter Risiko-Schwellenwert für die mit dem Kraft- und/oder Drucksensor 56 erfasste Kraft und/oder Druck, und die verschiedenen Risiko-Schwellenwerte sind zweckmäßigerweise automatisch und/oder manuell einstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Risiko-Schwellenwert in Abhängigkeit von einem Winkel, insbesondere dem Schwenkwinkel 47, zwischen dem Unterstützungsabschnitt 3 und dem Basisabschnitt 1 einzustellen. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Risiko-Schwellenwert kleiner einzustellen, wenn der Winkel, insbesondere der Schwenkwinkel 47, größer ist, als wenn der Winkel kleiner ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Risiko-Schwellenwert kleiner einzustellen, je weiter der Unterstützungsabschnitt 3 nach oben geschwenkt ist und/oder je größer der Schwenkwinkel 47 ist. Insbesondere stellt die Steuereinrichtung 7 den Risiko-Schwellenwert in bestimmten Bereichen, insbesondere nahe am Gesicht des Anwenders, kleiner ein.
Der Risiko-Schwellenwert ist beispielsweise eine Abschaltschwelle und kann für den Anwender einstellbar sein und/oder kann automatisch an wenigstens einen gewählten Betriebsparameter und/oder eine Betriebssituation angepasst werden. Beispielsweise kann die Abschaltschwelle bei dem Exoskelett 20 zur Schulterunterstützung in Abhängigkeit des Schwenkwinkels 47 definiert sein. Zweckmäßigerweise stellt die Steuereinrichtung 7 eine geringere Abschaltschwelle ein, wenn sich ein oder beide Unterstützungsabschnitte 3 näher an dem Kopf des Anwenders befinden, als wenn sich ein oder beide Unterstützungsabschnitte 3 weiter weg von dem Kopf befinden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die Steuereinrichtung 7 über wenigstens zwei manuell und/oder automatisch auswählbare Presets, die jeweils über wenigstens eine Preset-Charakteristik verfügen, die eine Unterstützungskraft-Vorgabe in Abhängigkeit von wenigstens einer Eingangsgröße, insbesondere einem Winkel des Unterstützungsabschnitts 3, beispielsweise dem Schwenkwinkel 47, festlegt, wobei sich die wenigstens zwei Presets in ihrer Preset-Charakteristik unterscheiden. Die Steuereinrichtung 7 ist ausgebildet, unter Verwendung eines aus den wenigstens zwei Presets ausgewählten Presets die Unterstützungskraft-Vorgabe in Abhängigkeit von der Eingangsgröße zu ermitteln und die Unterstützungskraft auf Basis der Unterstützungskraft-Vorgabe einzustellen. Die Presets können auch als Anwendungsprofile bezeichnet werden und die Preset-Charakteristiken können auch als Anwendungsprofil-Charakteristiken bezeichnet werden.
Bevorzugt umfasst jedes Preset ferner einen jeweiligen Risiko-Schwellenwert und die Steuereinrichtung 7 ist ausgebildet, den Risikozustand auf Basis des Risiko-Schwellenwerts des ausgewählten Presets zu detektieren.
Zweckmäßigerweise ist der Risiko-Schwellenwert des jeweiligen Presets durch den Anwender bei einer manuellen Konfiguration eines Presets einstellbar.
Zweckmäßigerweise ist der wenigstens eine Risiko-Schwellenwert jedes Risikozustandes durch den Anwender bei einer manuellen Konfiguration eines Presets einstellbar.
Im Folgenden soll näher auf die Sicherheitsmaßnahme eingegangen werden.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, in Ansprechen auf die Detektion des Risikozustands die Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, die eine Ausgabe eines Warnsignals und/oder ein Entgegenwirken gegen den Risikozustand umfasst.
Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, als die Sicherheitsmaßnahme eine Reduzierung der Unterstützungskraft und/oder ein Abbremsen des Unterstützungsabschnitts 3 zu bewirken, insbesondere durch Ansteuerung der Aktoreinrichtung 5.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, als die Sicherheitsmaßnahme die Aktoreinrichtung 5 kraftlos zu schalten und/oder ein aktives Bremsen der Aktoreinrichtung 5 zu bewirken und/oder eine Reduzierung der Steifigkeit der Aktoreinrichtung 5 zu bewirken.
Beispielsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, in Ansprechen auf eine über einem Risiko-Schwellenwert liegende Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 - also insbesondere in Ansprechen auf den Risikobewegungszustand - als die Sicherheitsmaßnahme die Aktoreinrichtung 5 kraftlos zu schalten. Aufgrund der Schwerkraft und der mechanischen Reibung wird der Unterstützungsabschnitt 3 dann gebremst und berührt den Kopf des Anwenders nicht oder nur mit geringer Geschwindigkeit. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, die Unterstützungskraft in Ansprechen auf eine Winkelgeschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 größer als 75 Grad/Sekunde, vorzugsweise größer als 150 Grad/Sekunde, abzuschalten.
Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, die Sicherheitsmaßnahme, insbesondere das Kraftlosschalten der Aktoreinrichtung, in einem vorbestimmten Winkelbereich des Schwenkwinkels 47 nicht einzuleiten, insbesondere in einem Winkelbereich von 0 - 30 Grad.
Vorzugsweise ist das Exoskelett 20 ausgebildet, als die Sicherheitsmaßnahme ein aktives Bremsen des Unterstützungsabschnitts 3 durchzuführen. Das aktive Bremsen erfolgt insbesondere mittels der Aktoreinrichtung 5.
Beispielsweise ist der pneumatische Antriebszylinder 31 als doppeltwirkender Zylinder mit zwei Druckkammern ausgeführt und zum aktiven Bremsen wird die der Unterstützungskraft entgegenwirkende Druckkammer belüftet, insbesondere mit Druck aus dem Drucklufttank 25 beaufschlagt.
Ferner kann das Exoskelett 20 ausgebildet sein, das aktive Bremsen dadurch zu erzielen, dass eine fluidische Verbindung einer Druckkammer (des insbesondere einfachwirkenden pneumatischen Antriebszylinders 31) zum Drucklufttank 25 getrennt wird, so dass sich bei sich weiter bewegender Kolbenstange in der Druckkammer ein Unterdruck bildet.
Optional kann das Exoskelett 20 ein elektrisches Bremssystem für die aktive Bremsung des Unterstützungsabschnitts 3 umfassen. Insbesondere kann mittels eines der Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3 entgegengerichtet arbeitenden Elektromotors eine Gegenkraft zur Bremsung des Unterstützungsabschnitts 3 aufgebaut werden. Bevorzugt ist der Elektromotor Teil der Aktoreinrichtung und kann optional ferner zur Bereitstellung der Unterstützungskraft dienen. Ferner kann das Exoskelett über eine Wirbelstrombremse verfügen, um das aktive Bremsen des Unterstützungsabschnitts 3 zu erzielen.
Optional ist das Exoskelett 20 ausgebildet, als die Sicherheitsmaßnahme eine oder mehrere Maßnahmen durchzuführen, die einen möglichen Aufprall des Unterstützungsabschnitts 3 auf den Körper des Anwenders oder einer umstehenden Person dämpfen oder verhindern. Beispielsweise umfasst das Exoskelett 20 ein Airbag-System, welches bei einem bevorstehenden Aufprall, insbesondere auf Basis der Risikogröße, aktiviert wird und beispielsweise durch Aufblasen eines Luftkissens die Energie des Unterstützungsabschnitts 3 beim Aufprall auf dem Kopf abpuffert. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, das Aufblasen des Luftkissens in einem vorbestimmten Winkelbereich des Schwenkwinkels 47 nicht einzuleiten, insbesondere in einem Winkelbereich von mehr als 90 Grad, vorzugsweise von mehr als 120 Grad.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist die Steuereinrichtung 7 zweckmäßigerweise ausgebildet, eine Reduzierung der Steifigkeit der Aktoreinrichtung 5 zu bewirken. Dies erfolgt beispielsweise durch Ablass von Druckluft aus der Druckkammer des pneumatischen Antriebszylinders 31 und/oder aus dem Drucklufttank 25.
Optional umfasst die Exoskelett-Vorrichtung 10 eine Umlenkeinrichtung 57, die ausgebildet ist, als die Sicherheitsmaßnahme den Unterstützungsabschnitt 3 umzulenken, insbesondere derart, dass der Unterstützungsabschnitt 3 weg von dem Bereich bewegt wird, in dem der Anwender seinen Kopf hinbewegen kann.
Insbesondere lenkt das Exoskelett 20 den Unterstützungsabschnitt 3 derart um, dass dieser nicht auf den Körper des Anwenders oder einer umstehenden Person treffen kann.
Ferner ist zweckmäßigerweise bei dem Exoskelett 20 die Bewegungsbahn des Unterstützungsabschnitts 3 derart gestaltet, dass der Unterstützungsabschnitt 3 bei der Bewegung nach oben seitlich am Kopf vorbei bewegt wird. Dies kann konstruktionsbedingt durch den Aufbau der Schultergelenkanordnung 9 gelöst sein oder mittels eines oder mehrerer Aktoren umgesetzt sein. Beispielsweise kann die Aktoreinrichtung 5 (insbesondere zusätzlich zur Aktoreinheit) einen Aktor umfassen, der in Ansprechen auf den Risikozustand angesteuert wird, um die Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3 zu beeinflussen. Beispielsweise kann die Schultergelenkanordnung 9 insbesondere durch den Aktor so ausgerichtet werden, dass der sich nach oben bewegende Unterstützungsabschnitt 3 am Kopf des Anwenders vorbei bewegt; insbesondere wird die Schultergelenkanordnung 9 so ausgerichtet, dass der Unterstützungsabschnitt 3 sich auf einer Kreisbahn senkrecht zu einer Achse durch die Schultern des Anwenders bewegt.
Optional ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, als die Sicherheitsmaßnahme mit dem Werkzeug 30 zu kommunizieren, um insbesondere ein Abschalten des Werkzeugs 30 zu bewirken.
Optional ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, in Ansprechen auf den Risikozustand zwei oder mehr der vorstehend erläuterten Sicherheitsmaßnahmen durchzuführen.
Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, nach Durchführung der Sicherheitsmaßnahme einen Sicherheitszustand einzunehmen, in dem zweckmäßigerweise die Unterstützungskraft reduziert und/oder deaktiviert ist, und wobei vorzugsweise eine Anwendereingabe erforderlich ist, um den Sicherheitszustand zu verlassen und nach der Durchführung der Sicherheitsmaßnahme die Unterstützungskraft bereitzustellen und/oder zu erhöhen. Die Anwendereingabe erfolgt beispielsweise über das Bedienelement 14 und/oder das Mobilgerät 40. Ferner kann das Exoskelett 20 im Sicherheitszustand oder nach der Anwendereingabe zur Beendigung des Sicherheitszustands ausgebildet sein, eine Erhöhung der Unterstützungskraft zu verlangsamen.
Der Sicherheitszustand dient insbesondere dazu, die Sicherheit des Anwenders zu erhöhen, indem die Unterstützungskraft nach Durchführung der Sicherheitsmaßnahme

- insbesondere nach einem Abschalten der Unterstützungskraft
- verlangsamt reaktiviert wird oder vom Anwender aktiv wieder zugeschaltet werden muss. Beispielsweise muss der Anwender am Bedienelements 14 eine Taste drücken, um zu bestätigen, dass der Risikozustand beendet ist und die Arbeit wieder sicher aufgenommen werden kann. Ferner kann es erforderlich sein,

Optional ist das Exoskelett 20, insbesondere die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, ein Warnsignal auszugeben, um beispielsweise den Anwender und/oder gegebenenfalls umstehende Personen mittels des Warnsignals auf eine Durchführung der Sicherheitsmaßnahme und/oder das Einnehmen des Sicherheitszustands hinzuweisen. Bevorzugt umfasst das Warnsignal ein visuelles, akustisches und/oder ein Vibrationssignal, insbesondere ein durch die Aktoreinrichtung bereitgestelltes Vibrationssignal. Beispielsweise umfasst die Exoskelett-Vorrichtung 10 eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe des Warnsignals.
Wie vorstehend erläutert, ist das Exoskelett 20 insbesondere für die aktive Unterstützung des Arms 4 des Anwenders ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann das Exoskelett ausgeführt sein, eine andere Gliedmaße des Anwenders aktiv zu unterstützen, beispielsweise den Rücken, ein Bein und/oder eine Hand des Anwenders. Bei einem solchen Exoskelett kann ebenso eine Gefahr für den Anwender und umstehende Personen durch unkontrollierte Bewegung eines jeweiligen Unterstützungsabschnitts bestehen. Beispielsweise kann ein Unterstützungsabschnitt für ein Bein ungehindert nach hinten ausschlagen und so eine hinter dem Anwender stehende Person treffen und möglicherweise verletzen.
Vorzugsweise ist das Exoskelett 20 ausgebildet, bei einer Aktivierung der Unterstützungskraft zunächst in einen Startzustand zu wechseln, in welchem ein Maximalwert der Unterstützungskraft und/oder der Geschwindigkeit begrenzt ist, und erst dann in einen Normalbetrieb zu wechseln, wenn der Risikoanbringungszustand ausgeschlossen werden kann.
Bevorzugt verfügt die Steuereinrichtung 7 über den Startzustand, in dem die Steuereinrichtung 7 eine Begrenzungsmaßnahme zur Begrenzung eines Maximalwerts der Unterstützungskraft und/oder eines Maximalwerts der Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 und/oder eines Maximalwerts einer Änderungsrate der Unterstützungskraft bewirkt. Insbesondere bewirkt die Steuereinrichtung 7 als die Begrenzungsmaßnahme eine Begrenzung eines Maximalwerts eines Drucks im Antriebszylinder 31 und/oder eines Maximalwerts einer Durchflussrate durch die Ventileinheit 24.
Vorzugweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, in Ansprechen auf ein Verlassen des Startzustands die Begrenzungsmaßnahme zu beenden, so dass das Exoskelett 20 nach dem Verlassen des Startzustands einen höheren Maximalwert der Unterstützungskraft und/oder einen höheren Maximalwert der Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 und/oder einen höheren Maximalwert der Änderungsrate der Unterstützungskraft bereitstellen kann als im Startzustand.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Startzustand in Ansprechen auf eine (insbesondere durch den Anwender erfolgte) Aktivierung der Unterstützungskraft einzunehmen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 7 ausgebildet, den Startzustand zu verlassen und die Begrenzungsmaßnahme zu beenden, insbesondere durch einen Wechsel in den Normalbetrieb, insbesondere in Ansprechen darauf, dass die Steuereinrichtung 7 bei einer Prüfung, ob der Risikozustand, insbesondere der Risikoanbringungszustand, vorliegt, feststellt, dass kein Risikozustand, insbesondere kein Risikoanbringungszustand, vorliegt, beispielsweise in Ansprechen darauf, dass die Steuereinrichtung 7 eine Anbringung eines Arms des Anwenders in der Armbefestigung 12 oder eine Anbringung beider Arme des Anwenders in beiden Armbefestigungen, erkannt hat, insbesondere mit der Sensoreinrichtung 6.
Die 5 zeigt ein exemplarisches Ablaufdiagram eines Betriebs der Exoskelett-Vorrichtung 10. Vorzugsweise wird die Exoskelett-Vorrichtung 10 mit einem entsprechenden Verfahren betrieben.
Bei einem ersten Schritt S1 wird das Exoskelett 20 eingeschaltet, insbesondere durch eine Anwendereingabe. Das Exoskelett 20 wird durch das Einschalten in einen betriebsbereiten Zustand versetzt.
Im Schritt S2 wird die Unterstützungskraft aktiviert, insbesondere durch eine Anwendereingabe. Das Exoskelett 20 wird in den Startzustand versetzt. Im Startzustand hat das Exoskelett 20 den Risikoanbringungszustand noch nicht ausgeschlossen. Im Risikoanbringungszustand ist die Unterstützungskraft reduziert, insbesondere stark reduziert, und/oder eine oder mehrere Durchflussmengen durch die Ventileinheit 24, insbesondere durch ein oder mehrere Pneumatikventile der Ventileinheit 24, sind begrenzt, so dass die Unterstützungskraft nur langsam ansteigen kann. Im Startzustand prüft das Exoskelett 20, ob sich der Arm 4 in der Armschale befindet, exemplarisch durch eine Prüfung, ob eine erfasste Kraft oder ein erfasster Druck einen Schwellenwert überschreitet, und somit eine Krafteinleitung durch den Anwender mit seinem Arm 4 erkannt wurde, und/oder mittels des Annährungssensors und/oder mittels des Systemmodells. Wenn das Exoskelett 20 erkennt, dass sich der Arm 4 nicht in der Armschale befindet, stellt das Exoskelett 20 den Risikoanbringungszustand fest.
Wenn das Exoskelett 20 im Startzustand erkennt, dass sich der Arm 4 in der Armschale befindet, stellt das Exoskelett 20 fest, dass der Risikoanbringungszustand nicht vorliegt und fährt mit dem Schritt S4 fort, bei dem das Exoskelett 20 in einen Normalbetrieb geht. Im Normalbetrieb hebt das Exoskelett 20 die im Startzustand geltende Beschränkung der Unterstützungskraft und/oder der Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 und/oder der Durchflussmenge auf. Zweckmäßigerweise prüft das Exoskelett 20 im Normalbetrieb kontinuierlich, ob der Risikoanbringungszustand, der Risikogesamtbewegungszustand und/oder der Risikobenutzungszustand vorliegt.
Sofern das Exoskelett 20 im Normalbetrieb erkennt, dass der Risikoanbringungszustand vorliegt, beispielsweise basierend darauf, dass das Exoskelett 20 erfasst, dass sich in der Armschale kein Arm befindet und/oder basierend auf einer Erfassung einer Risikobewegung, beispielsweise einer zu schnellen Bewegung, des Unterstützungsabschnitts 3, fährt das Exoskelett 20 mit dem Schritt S7 fort und leitet die Sicherheitsmaßnahme ein, und fährt dann zweckmäßigerweise mit dem (nachstehend erläuterten) Schritt S6 fort.
Sofern das Exoskelett 20 im Normalbetrieb erkennt, dass der Risikogesamtbewegungszustand vorliegt, beispielsweise basierend darauf, dass eine Beschleunigung des Basisabschnitts 1 größer als ein Schwellenwert ist, fährt das Exoskelett mit dem Schritt S5 fort und leitet die Sicherheitsmaßnahme ein, und fährt dann zweckmäßigerweise mit dem Schritt S6 fort.
Sofern das Exoskelett 20 im Normalbetrieb erkennt, dass der Risikobenutzungszustand vorliegt, beispielsweise basierend darauf, dass eine Risikobewegung des Unterstützungsabschnitts 3 (bei erkanntem Vorhandensein des Arms in der Armschale) erfasst wird und/oder basierend darauf, dass eine in der Armschale erfasste Kraft und/oder Druck größer als ein Schwellenwert ist, fährt das Exoskelett mit dem Schritt S8 fort und gibt dem Anwender ein Feedback, um den Anwender auf die Risikobewegung hinzuweisen und/oder zu bewirken, dass der Anwender die Risikobewegung nicht mehr durchführt. Optional leitet das Exoskelett 20 im Schritt S8 die Sicherheitsmaßnahme ein, insbesondere abhängig von der erfassten Risikobewegung, und fährt optional mit dem Schritt S6 fort.
Sofern das Exoskelett 20 im Schritt S3, insbesondere im Startzustand, feststellt, dass der Risikoanbringungszustand vorliegt, beispielsweise weil eine Bewegung des Unterstützungsabschnitts 3 zu schnell ist oder keine vom Anwender auf den Unterstützungsabschnitt 3 ausgeübte Kraft erfasst wird, fährt das Exoskelett 20 mit dem Schritt S7 fort und leitet die Sicherheitsmaßnahme ein.
Im Schritt S6 nimmt das Exoskelett 20 den Sicherheitszustand ein. In Ansprechen auf eine Anwendereingabe, beispielsweise zum Erhöhen der Unterstützungskraft, wechselt das Exoskelett zum Schritt S4 und nimmt den Normalbetrieb ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2665449 B1 [0003]
WO 2018193817 A1 [0003]
WO 2021010857 A1 [0003]

Claims

Exoskelett-Vorrichtung (10), umfassend: ein Exoskelett (20) mit: - einem Basisabschnitt (1) zur Anbringung an einen Körperabschnitt, insbesondere den Torso (2), eines menschlichen Körpers, - einem beweglich mit dem Basisabschnitt (1) gekoppelten Unterstützungsabschnitt (3) zur Unterstützung einer Gliedmaße, insbesondere eines Arms (4), des menschlichen Körpers, - einer auf den Unterstützungsabschnitt (3) wirkenden, insbesondere pneumatischen, Aktoreinrichtung (5) zur Bereitstellung einer Unterstützungskraft für die Gliedmaße, wobei die Exoskelett-Vorrichtung (10) ferner umfasst: - eine Sensoreinrichtung (6) zur Erfassung einer Risikogröße, die eine Bewegung, insbesondere eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung, des Unterstützungsabschnitts (3) und/oder eine Kraft und/oder einen Druck zwischen dem Unterstützungsabschnitt (3) und der Gliedmaße, umfasst und - eine Steuereinrichtung (7) zur Ansteuerung der Aktoreinrichtung (5), wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, auf Basis der erfassten Risikogröße einen Risikozustand zu detektieren, bei dem das Risiko einer gesundheitlichen Beeinträchtigung und/oder einer Beschädigung besteht, und in Ansprechen auf die Detektion des Risikozustands eine Sicherheitsmaßnahme einzuleiten, die eine Ausgabe eines Warnsignals und/oder ein Entgegenwirken gegen den Risikozustand umfasst.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei der Risikozustand einen Risikobewegungszustand umfasst, bei dem eine Risikobewegung des Unterstützungsabschnitts (3) vorliegt, bei der das Risiko besteht, dass der Unterstützungsabschnitt (3) gegen den Kopf eines Anwenders schlägt.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Risikozustand einen Risikoanbringungszustand umfasst, bei dem der Unterstützungsabschnitt (3) nicht die Gliedmaße abstützt und/oder nicht an der Gliedmaße angebracht ist.
Exoskelett-Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, in Ansprechen auf eine Aktivierung der Unterstützungskraft einen Startzustand einzunehmen, in dem die Steuereinrichtung (7) eine Begrenzungsmaßnahme zur Begrenzung eines Maximalwerts der Unterstützungskraft und/oder eines Maximalwerts einer Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts 3 und/oder eines Maximalwerts einer Änderungsrate der Unterstützungskraft bewirkt, und in Ansprechen darauf, dass die Steuereinrichtung (7) bei einer Prüfung, ob der Risikoanbringungszustand vorliegt, feststellt, dass der Risikoanbringungszustand nicht vorliegt, den Startzustand zu verlassen und die Begrenzungsmaßnahme zu beenden.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei der Risikozustand einen Risikobenutzungszustand umfasst, bei dem der Unterstützungsabschnitt (3) die Gliedmaße abstützt und sich mit einer Geschwindigkeit größer einem Geschwindigkeits-Schwellenwert bewegt und/oder zwischen dem Unterstützungsabschnitt (3) und der Gliedmaße eine Kraft und/oder ein Druck wirkt, die größer als ein Kraft- und/oder ein Druck-Schwellenwert ist, und die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, den Risikozustand auf Basis eines Vergleichs einer erfassten Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts (3) mit dem Geschwindigkeits-Schwellenwert und/oder auf Basis eines Vergleichs der erfassten Kraft und/oder des erfassten Drucks mit dem Kraft- und/oder Druck-Schwellenwert zu detektieren.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Sensoreinrichtung (6) einen Drehwinkelgeschwindigkeitssensor umfasst und die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, den Risikozustand auf Basis einer mit dem Drehwinkelgeschwindigkeitssensor erfassten Drehwinkelgeschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts (3) zu detektieren.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, als die Sicherheitsmaßnahme die Aktoreinrichtung (5) kraftlos zu schalten und/oder ein aktives Bremsen der Aktoreinrichtung (5) zu bewirken und/oder eine Reduzierung der Steifigkeit der Aktoreinrichtung (5) zu bewirken.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Umlenkeinrichtung (57), die ausgebildet ist, als die Sicherheitsmaßnahme den Unterstützungsabschnitt (3) umzulenken.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, den Risikozustand auf Basis eines Vergleichs der Risikogröße mit einem Risiko-Schwellenwert detektieren, wobei der Risiko-Schwellenwert automatisch und/oder manuell durch einen Anwender einstellbar ist.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, den Risiko-Schwellenwert in Abhängigkeit von einem Winkel zwischen dem Unterstützungsabschnitt (3) und dem Basisabschnitt (1) einzustellen.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuereinrichtung (7) über wenigstens zwei manuell und/oder automatisch auswählbare Presets verfügt, die jeweils über wenigstens eine Preset-Charakteristik verfügen, die eine Unterstützungskraft-Vorgabe in Abhängigkeit von wenigstens einer Eingangsgröße, insbesondere einem Winkel des Unterstützungsabschnitts (3), festlegt, wobei sich die wenigstens zwei Presets in ihrer Preset-Charakteristik unterscheiden, und wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, unter Verwendung eines aus den wenigstens zwei Presets ausgewählten Presets die Unterstützungskraft-Vorgabe in Abhängigkeit von der Eingangsgröße zu ermitteln und die Unterstützungskraft auf Basis der Unterstützungskraft-Vorgabe einzustellen, wobei jedes Preset ferner einen jeweiligen Risiko-Schwellenwert umfasst und die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, den Risikozustand auf Basis des Risiko-Schwellenwerts des ausgewählten Presets zu detektieren.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, nach Durchführung der Sicherheitsmaßnahme einen Sicherheitszustand einzunehmen, in dem die Unterstützungskraft reduziert und/oder deaktiviert ist, und wobei eine Anwendereingabe erforderlich ist, um den Sicherheitszustand zu verlassen und nach der Durchführung der Sicherheitsmaßnahme die Unterstützungskraft bereitzustellen und/oder zu erhöhen.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei die Steuereinrichtung (7) ausgebildet ist, die Unterstützungskraft in Abhängigkeit von einer erfassten Geschwindigkeit des Unterstützungsabschnitts (3) einzustellen.
Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem voranstehenden Anspruch, wobei das Warnsignal ein visuelles, akustisches und/oder ein Vibrationssignal, insbesondere ein durch die Aktoreinrichtung bereitgestelltes Vibrationssignal umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Exoskelett-Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Erfassen der Risikogröße, - Detektieren des Risikozustands auf Basis der Risikogröße, - Einleiten der Sicherheitsmaßnahme in Ansprechen auf den detektierten Risikozustand.