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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Exoskelett zur Entlastung und/oder Unterstützung eines menschlichen Kniegelenks.
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Gangunterstützende Exoskelette, die an einem menschlichen Oberschenkel und einem menschlichen Unterschenkel befestigt werden, und die Bewegung des menschlichen Kniegelenks unterstützen und das menschliche Kniegelenk beim Gehen entlasten sollen, verfügen häufig über erhebliche Aktorik, Sensorik und Steuerungen/Regelungen, um die Unterstützung und Entlastung jeweils situationsgerecht zu gewährleisten. Dies macht solche Exoskelette teuer in der Herstellung und aufwändig in der Handhabung und Benutzung. Zudem benötigen solche Exoskelette erhebliche Energie für die Ansteuerung der Aktorik, der Sensorik und der Steuerung/Regelung und zur Gewährleistung der erforderlichen Gelenkmomente.
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Bspw. aus der
EP 2 276 433 A2 ist eine Knieorthese mit einer Oberschenkelstruktur, mit einer Unterschenkelstruktur und einer Aktuatoreinheit zwischen der Oberschenkel- und der Unterschenkelstruktur bekannt. Dabei wird ein wirksames Knöchelmoment innerhalb der Orthese bestimmt, und das Verhalten der Aktuatoreinheit wird in Abhängigkeit von dem Knöchelmoment und/oder dem Kniewinkel verändert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Exoskelett anzugeben, mit dem eine effektive Entlastung und/oder Unterstützung eines menschlichen Kniegelenks erreicht wird, die aber kostengünstiger hergestellt und betrieben werden kann und die einfach handhabbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Unter einem erfindungsgemäßen Exoskelett wird eine äußere Stützstruktur für ein menschliches Kniegelenk verstanden, das mit seinem oberen Strukturteil an einem menschlichen Oberschenkel, und mit seinem unteren Strukturteil an einem menschlichen Unterschenkel befestigt wird und das im Betrieb das menschliche Kniegelenk entlastet und/oder unterstützt. Ein solches Exoskelett ist auch im medizinischen Bereich anwendbar und wird dort als Orthese bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist bei dem Exoskelett eine vor dem Gelenk angeordnete Umlenkführung sowie ein längliches Federelement vorgesehen, insbesondere eine längliche Elastomerfeder, ein elastisches Band, oder eine Band-Federkombination, das zwischen einem oberen Anbindungspunkt, der insbesondere an einen seitlichen, vorderen Bereich des oberen Strukturteils angeordnet ist, und einem unteren Anbindungspunkt, der insbesondere an einen seitlichen, vorderen Bereich des unteren Strukturteils angeordnet ist, verläuft, und das über die Umlenkführung geführt ist, die einen Umlenkpunkt oder eine Umlenkstrecke für das längliche Federelement definiert;
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Gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, kann durch eine Änderung des Abstands zwischen Umlenkführung und Gelenk, gesehen im Wesentlichen in Richtung von dem Gelenk nach vorne, die Federwirkung und insbesondere die Kennlinie der Federwirkung so eingestellt werden, dass das jeweils passende Moment an dem Exoskelett anliegt, also um eine individuell auf das jeweilige menschliche Kniegelenk abgestimmte Entlastung und Unterstützung durch das längliche Federelement zu erreichen. Dafür ist eine Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung vorgesehen.
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Gemäß einer ersten Erfindungsvariante ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung als Einrichtung zur federnden Positionierung der Umlenkführung ausgebildet und so eingerichtet, dass die Umlenkführung federnd in Richtung Abstandvergrößerung und Abstandverkleinerung zwischen der Umlenkführung und dem Gelenk, gesehen im Wesentlichen in Richtung von dem Gelenk nach vorne, positionierbar ist, zur dynamischen Anpassung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung.
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Gemäß einer zweiten Erfindungsvariante ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung als Einrichtung zur Verstellung der Umlenkführung ausgebildet ist und so eingerichtet ist, dass der Abstand zwischen der Umlenkführung und dem Gelenk, gesehen im Wesentlichen in Richtung von dem Gelenk nach vorne, einstellbar ist, zur Einstellung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante kann dem Benutzer eine Anleitung zur Verfügung gestellt werden, für welche gewünschte Betriebsart die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung auf welche Position arretiert werden soll, sodass der Benutzer die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung mittels der entsprechenden Feder oder des Verstellseils auf die entsprechende Position und den entsprechenden Abstand zu dem Gelenk einstellen kann.
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Durch die kinematische Grundauslegung eines erfindungsgemäßen Exoskeletts können durch vergleichsweise kleine Haltekräfte der Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung sehr hohe Kräfte in dem länglichen Federelement erzielt und dadurch das gewünschte Moment an dem Gelenk des Exoskeletts erreicht werden.
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Bei der ersten Erfindungsvariante verändert sich der Abstand zwischen der Umlenkführung und dem Gelenk beim entsprechenden Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils und somit des menschlichen Ober- und Unterschenkels zueinander. Somit ergibt sich eine dynamische Anpassung des wirkenden Moments, und dadurch wird der Grad der Entlastung und/oder Unterstützung dynamisch angepasst.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante wird durch die als Einrichtung zur Verstellung der Umlenkführung ausgebildete Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung der Abstand zwischen der Umlenkführung und dem Gelenk, gesehen im Wesentlichen in Richtung von dem Gelenk nach vorne, auf einen gewünschten Abstand eingestellt. Bei der Benutzung des Exoskeletts erfolgt dann die Entlastung und/oder Unterstützung basierend auf den Momenten, die sich beim Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils zueinander und dem entsprechenden Verschwenken vom menschlichen Ober- und Unterschenkel zueinander aus dem jeweiligen Moment ergeben, das bezüglich des Gelenks des Exoskeletts anliegt und durch die Federwirkung des länglichen Federelements erzeugt wird.
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Es ist zu empfehlen, das erfindungsgemäße Exoskelett vor Benutzung durch Wahl oder Einstellung des länglichen Federelements auf das jeweilige menschliche Kniegelenk anzupassen, insbesondere durch geeignete Auswahl des länglichen Federelements und/oder durch Anpassung der Federkennlinie und/oder der Federwirkung und/oder der Federvorspannung des länglichen Federelements, und/oder durch Einstellung des oberen und unteren Anbindungspunkt des länglichen Federelements.
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Die Momentenanpassung durch die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung kann durch die entsprechende Ausbildung derselben erreicht werden, gemäß den nachfolgend im Einzelnen erläuterten Ausführungsformen.
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Das erfindungsgemäße Exoskelett kommt, wenn man von der nachfolgend erläuterten Ausführungsform mit Aktuator absieht, ohne Aktorik, Sensorik und elektronischer Steuerung/Regelung aus, und ist dementsprechend kostengünstig herstellbar und auch kostengünstig betreibbar, zumal keine elektrische Energie für den Betrieb benötigt wird.
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Bei der nachfolgend noch angegebenen Ausführungsform mit Aktuator sind die Herstellungskosten und die Kosten im Betrieb ebenfalls vergleichsweise gering, weil der Aktuator nicht die eigentlichen gangunterstützenden Kräfte aufbringen muss, sondern, bei der ersten Erfindungsvariante, nur die Umlenkführung federnd positionieren bzw. bei der zweiten Erfindungsvariante, nur die Umlenkführung einmal auf die gewünschte Position einstellen muss. Hierfür kann der Aktuator entsprechend klein und mit entsprechend geringer elektrischer Leistungsaufnahme ausgebildet sein.
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Durch das erfindungsgemäße Exoskelett wird somit eine effektive, passive, nicht aktuator- oder motorbasierte Gangunterstützung bzw. -entlastung und/oder Unterstützung des betreffenden menschlichen Kniegelenks erreicht, und zwar für alle gewünschten Bewegungsspektren, einschließlich dem Gehen in der Ebene, dem Bergabgehen, dem Bergaufgehen/Bergsteigen/Treppenhinaufsteigen, dem Skitourengehen, dem Bergabgehen/Treppen heruntersteigen. Zudem ist das erfindungsgemäße Exoskelett auch für Weltraumanwendungen geeignet.
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Bei der ersten Erfindungsvariante ist durch die Federwirkung der als Einrichtung zur federnden Positionierung der Umlenkführung ausgebildeten Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung die Umlenkführung durch die wirkenden Kräfte im Gangverlauf systematisch nachgiebig positioniert oder gelagert.
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Unter dem Merkmal, dass die Umlenkführung vor dem Gelenk angeordnet ist, ist auch eine Anordnung der Umlenkführung in einer senkrechten Ebene vor dem Gelenk, gesehen in Bewegungsrichtung, zu verstehen, auch wenn die Umlenkführung etwas oberhalb oder unterhalb des Höhenniveaus angeordnet ist, auf dem sich das Gelenk befindet.
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Neben einem außen neben dem menschlichen Kniegelenk angeordneten Gelenk kann das erfindungsgemäße Exoskelett auch ein zusätzliches, innen neben dem menschlichen Kniegelenk angeordnetes Gelenk aufweisen, das insbesondere an übereinstimmender Höhen- und Tiefenposition mit dem äußeren Gelenk angeordnet ist.
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Bei einer Ansicht auf das Exoskelett von vorne, sind das äußere Gelenk, die Umlenkführung, das längliche Federelement mit seinen oberen und unteren Anbindungspunkten und die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung insbesondere an einer Breitenposition angeordnet, die auf der, von vorne gesehen, äußeren Seite des Exoskeletts und insbesondere nach außen benachbart zu der Ebene liegt, die, wiederum von vorne auf das Exoskelett gesehen, durch die senkrechte Mittelebene des Exoskeletts verläuft.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Kennlinie des länglichen Federelements vorzugsweise degressiv, und die Kennlinie der Umlenkungsfeder der Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ist vorzugsweise progressiv.
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Die Federn/Federelemente der Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung können als klassische Stahlfedern ausgeführt werden, es können aber auch Compositefedern, Elastomerfedern, Luftfedern oder sonstige Federelemente vorgesehen werden.
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Das Gelenk, das das obere Strukturteil schwenkbar mit dem unteren Strukturteil verbindet, kann als Einfachgelenk, als Doppelgelenk oder als Federgelenk ausgebildet sein.
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Der Umlenkpunkt und somit die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ist vorzugsweise möglichst zentral zwischen dem oberen und unteren Anbindungspunkt des länglichen Federelements angeordnet.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ausgebildet als eine Feder, insbesondere Zugfeder, die mit ihrem vorderen Festlegungspunkt an einem vorderen, unteren Abschnitt des oberes Strukturteils festgelegt ist, und die mit ihrem hinteren Festlegungspunkt an der Umlenkführung festgelegt ist. Insbesondere sind dabei die Feder mit ihrem vorderen und hinteren Festlegungspunkt sowie die Umlenkführung im Wesentlichen vor dem Gelenk angeordnet.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ausgebildet als eine Feder, insbesondere Druckfeder, die mit ihrem vorderen Festlegungspunkt an der Umlenkführung festgelegt ist und die mit ihrem hinteren Festlegungspunkt an einem unteren Abschnitt des oberen Strukturteils benachbart zum Gelenk festgelegt ist. Insbesondere sind dabei der hintere Festlegungspunkt der Feder und die Umlenkführung im Wesentlichen vor dem Gelenk angeordnet.
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Solche Ausführungsformen sind einfach und kostengünstig herstellbar, kompakt ausgebildet, und sie erlauben, gemäß der ersten Erfindungsvariante, eine effektive dynamische Abstandsveränderung zwischen Umlenkführung und Gelenk bei einem entsprechenden Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils, bzw., bei der zweiten Erfindungsvariante, eine individuelle Einstellung des gewünschten Abstands zwischen Umlenkführung und Gelenk auf den gewünschten Abstand
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ausgebildet als eine Anordnung aus einem Hebelelement und aus einem Federelement. Das Hebelelement kann dabei einen ersten, insbesondere kürzeren und einen zweiten, insbesondere längeren Schenkel und einen Drehpunkt aufweisen, der an einem unteren, seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils drehbar gelagert ist. An einem unteren Ankopplungspunkt des Hebelelements, der insbesondere am unteren Ende eines seiner beiden Schenkel, insbesondere am unteren Ende seines längeren Schenkels angeordnet ist, kann die Umlenkführung ausgebildet oder angeordnet sein. Das Hebelelement kann mit einem oberen Ankopplungspunkt, der insbesondere am oberen Ende des anderen seiner beiden Schenkel, insbesondere am oberen Ende seines kürzeren Schenkels angeordnet ist, an dem Federelement angekoppelt sein. Das Federelement kann mit seinem unteren Festlegungspunkt an dem Hebelelement festgelegt sein, und mit seinem oberen Festlegungspunkt an einem seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils festgelegt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ausgebildet als eine Anordnung aus einem Hebelelement, aus einer Schnur/einem Seil und aus einem Federelement. Das Hebelelement kann einen ersten, insbesondere kürzeren und einen zweiten, insbesondere längeren Schenkel und einen Drehpunkt aufweisen, der an einem unteren, seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils drehbar gelagert ist. An dem unteren Ankopplungspunkt des Hebelelements, der insbesondere am unteren Ende eines seiner beiden Schenkel, insbesondere am unteren Ende seines längeren Schenkels angeordnet ist, kann die Umlenkführung ausgebildet oder angeordnet sein. Das Hebelelement kann mit seinem oberen Ankopplungspunkt, der insbesondere am oberen Ende des anderen seiner beiden Schenkel, insbesondere am oberen Ende seines kürzeren Schenkels angeordnet ist, an der Schnur/dem Seil angekoppelt sein. Das Federelement kann mit seinem unteren Ende an dem oberen Ende der Schnur/des Seils befestigt sein, und es kannmit seinem oberen Festlegungspunkt an einem oberen Abschnitt des oberen Strukturteils festgelegt sein. Das untere Ende der Schnur/des Seils kann an dem Hebelelement befestigt sein, insbesondere an dessen oberem Ankopplungspunkt, der insbesondere am oberen Ende eines seiner beiden Schenkel, insbesondere am oberen Ende seines kürzeren Schenkels angeordnet ist.
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Beide Ausführungsformen sind effektiv, kostengünstig herstellbar und kompakt ausgebildet. Der durch die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung in Anspruch genommene Platzbedarf im Bereich des Knies vor dem Gelenk ist sehr gering ausgeprägt. Dadurch kann das Exoskelett im Bereich des Knies sehr schlank ausgeführt werden.
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Beide Ausführungsformen erlauben bei der ersten Erfindungsvariante eine dynamische Abstandsänderung zwischen Umlenkführung und Gelenk beim entsprechenden Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils zueinander und somit eine dynamische Anpassung des wirkenden Moments und eine dynamische Anpassung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante kann bei beiden Ausführungsformen der Abstand zwischen Umlenkführung und Gelenk auf einfache Weise auf den gewünschten Abstand eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Drehpunkt des Hebelelements, bezogen auf das obere Strukturteil, in einer Ebene hinter dem oberen Festlegungspunkt des Federelements angeordnet. Die beiden Schenkel des Hebelelements, gesehen von dem Drehpunkt, sind insbesondere schräg nach vorne oben und schräg nach vorne gerichtet. Das Federelement ist insbesondere als Zugfeder ausgebildet.
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Dabei ist es bevorzugt, dass das Federelement so aufgehängt ist, dass am Endanschlag die Federwirkung genau durch den Gelenkmittelpunkt/das Gelenk geführt wird. Das Federelement muss also etwas weiter unten am oberen Strukturteil befestigt werden.
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Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist der Drehpunkt des Hebelelements, bezogen auf das obere Strukturteil, in einer Ebene vor dem oberen Festlegungspunkt des Federelements angeordnet. Die beiden Schenkel des Hebelelements sind, gesehen von dem Drehpunkt, schräg nach hinten und schräg nach unten gerichtet. Das Federelement ist insbesondere als Druckfeder ausgebildet.
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Dabei ist es bevorzugt, dass das Federelement so aufgehängt ist, dass am Endanschlag die Federwirkung genau durch den Gelenkmittelpunkt/das Gelenk geführt wird. Das Federelement muss also ebenfalls etwas weiter unten am oberen Strukturteil befestigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ferner wenigstens ein Anschlag für das Hebelelement vorgesehen, der die Drehbewegung des Hebelelements begrenzt. Dieser Anschlag kann verstellbar ausgebildet sein, für eine Einstellung der Wirkung der Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung. Insbesondere kann dieser der Anschlag für das Hebelelement so angeordnet sein, dass der einer der beiden Schenkel des Hebelelements, insbesondere der längere Schenkel des Hebelelements bei seiner Bewegung nach hinten an den Anschlag anschlägt und so die Drehbewegung des Hebelelements begrenzt wird. Der Anschlag kann dabei insbesondere an einem unteren, seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils angeordnet sein, insbesondere oberhalb des Gelenks.
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Durch einen solchen Anschlag kann die Drehbewegung des Hebelelements begrenzt und somit die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung individuell auf den Benutzer eingestellt werden. Insbesondere kann der Grad der Entlastung und/oder Unterstützung bei der ersten Erfindungsvariante in eine Richtung hin begrenzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das wenigstens eine Gelenk ein oberes und ein unteres Scharnierteil auf. Das obere Scharnierteil des äußeren Gelenks kann mit zwei beabstandeten Platten ausgebildet sein, und die Umlenkführung und der untere Teil des Hebelelements können, bei einem Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils zueinander, zwischen den beabstandeten Platten geführt und von diesen seitlich abgedeckt werden.
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Eine solche Ausführungsform ist besonders platzsparend. Das längliche Federelement kann mit seinem mittleren Bereich mitsamt der Umlenkführung, beim Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils zueinander, zwischen den beabstandeten Platten geführt und von diesen seitlich abgedeckt werden, wodurch sich auch eine Schutzwirkung gegen ein versehentliches Einklemmen ergibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ausgebildet als ein Verstellseil mit Umlenkung. Das Verstellseil ist dabei insbesondere als eine Seil-Federkombination ausgebildet. Das Verstellseil kann mit seinem oberen Anbindungspunkt an einem Abschnitt des oberen Strukturteils befestigt sein, wobei der obere Anbindungspunkt des Verstellseils insbesondere vor dem oberen Anbindungspunkt des länglichen Federelements, bezogen auf das obere Strukturteil, angeordnet sein kann. Das Verstellseil kann über einen Verstellseil-Umlenkpunkt geführt sein; wobei der Verstellseil-Umlenkpunkt insbesondere an einem unteren Abschnitt des oberen Strukturteils angeordnet und vor der Umlenkführung des Seilelements positioniert ist. Das Verstellseil kann mit seinem unteren Anbindungspunkt, von vorne kommend, an der Umlenkführung befestigt sein.
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Diese Ausführungsform ist effektiv, kostengünstig herstellbar und kompakt ausgebildet. Der durch die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung in Anspruch genommene Platzbedarf im Bereich des Knies vor dem Gelenk ist sehr gering ausgeprägt. Dadurch kann das Exoskelett im Bereich des Knies sehr schlank ausgeführt werden.
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Diese Ausführungsform erlaubt bei der ersten Erfindungsvariante eine dynamische Abstandsänderung zwischen Umlenkführung und Gelenk beim entsprechenden Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils zueinander und somit eine dynamische Anpassung des wirkenden Moments und eine dynamische Anpassung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante kann der Abstand zwischen Umlenkführung und Gelenk auf einfache Weise auf den gewünschten Abstand eingestellt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die als Einrichtung zur Verstellung der Umlenkführung ausbildete Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung ferner so ausgebildet ist, dass die Umlenkführung in wenigstens einer Position in einem Abstand zu dem Gelenk arretierbar ist. Dabei sind insbesondere die Umlenkführung, die Feder, das Federelement oder das Verstellseil in wenigstens einer auswählbaren Arretierposition arretierbar.
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Diese Ausführungsform betrifft die zweite Erfindungsvariante. Dadurch kann die Umlenkführung und somit der Umlenkpunkt/die Umlenkungsstrecke des länglichen Federelements durch einen Benutzer auf einen bestimmten Abstand zu dem Gelenk eingestellt oder arretiert werden. Das Arretieren kann durch einen entsprechenden Einrastmechanismus oder einen Festlegungsmechanismus ausgeführt sein. Insbesondere können die Umlenkführung, das Federelement oder das Verstellseil in wenigstens einer von einer Vielzahl von auswählbaren Arretierpositionen arretiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung als Aktuator ausgebildet. Der Aktuator ist dabei insbesondere an einem seitlichen unteren Abschnitt des oberen Strukturteils angeordnet. Er kann als hydraulischer Aktuator, insbesondere als Hydraulik-Zylinder, als elektrischer Aktuator, insbesondere als Drehmomentmotor, als pneumatischer Aktuator, als piezo-elektrischer Aktuator, oder als passiver Aktuator ausgebildet sein. Ferner können ein Druckspeicher und Steuerungsventile vorgesehen sein.
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Mittels eines solchen Aktuators kann sowohl, gemäß der ersten Erfindungsvariante, der Abstand zwischen der Umlenkführung und dem Gelenk beim entsprechenden Verschwenken des oberen und unteren Strukturteils und somit des menschlichen Ober- und Unterschenkels zueinander federnd und/oder dynamisch angepasst werden, wodurch sich eine entsprechende dynamische Anpassung des wirkenden Moments und eine entsprechende dynamische Anpassung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung ergibt. Ebenfalls ist es möglich, gemäß der zweiten Erfindungsvariante, mittels des Aktuators den Abstand zwischen Umlenkführung und Gelenk auf einen gewünschten Abstand einzustellen und die Umlenkführung in diesem Abstand zu dem Gelenk zu arretieren, wodurch sich die oben mit Bezug auf die zweite Erfindungsvariante angegebenen Vorteile ergeben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist des Weiteren eine Verstelleinrichtung für den oberen Anbindungspunkt oder den unteren Anbindungspunkt oder eine Spanneinrichtung für das längliche Federelement an dem oberen Anbindungspunkt oder an dem unteren Anbindungspunkt vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das längliche Federelement und/oder die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung wenigstens bereichsweise von einer Schutzhülle, einem Schutzrohr oder einer Abdeckung umgeben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das obere und das untere Strukturteil jeweils manschettenartig oder halbschalenförmig mit verstellbaren Riemen ausgebildet sind, um an einem Bein lösbar befestigbar zu sein. Das obere Strukturteil weist dabei insbesondere einen größeren Durchmesser auf als das untere Strukturteil.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine Skizze eines Exoskeletts 2 mit einem oberen Strukturteil 4 und einem unteren Strukturteil 6, die mittels eines Einfachgelenks 8 (1(a)), mittels eines Doppelgelenks 8 (1 (b)) und mittels eines Federgelenks 8 (1 (c)) miteinander schwenkbar verbunden sind, und mit einem länglichen Federelement 10 dessen Umlenkpunkt 16 nach vorne und nach hinten bewegt werden kann.
- 2 zeigt eine Skizze des Exoskeletts 2 aus 1(a) mit eingezeichneten relevanten Kenngrößen.
- 3 zeigt eine Skizze eines Exoskeletts 2 mit dem länglichen Federelement 10 und mit einer Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 mit Zugfeder 20, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in zwei verschiedenen Positionen (3(a) und (b)), und eine Skizze eines erfindungsgemäßen Exoskeletts 2 mit einer Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 mit Druckfeder 26, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in zwei verschiedenen Positionen (3(c) und (d)).
- 4 zeigt eine Skizze eines Exoskeletts 2 mit einer Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18, die ein Hebelelement 28, eine Schnur 40 und eine Zugfeder 42 umfasst, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in zwei verschiedenen Positionen (4(a) und (b)) und eine Skizze eines Exoskeletts 2 mit einer Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18, die ein Hebelelement 28, eine Schnur 40 und eine Druckfeder 48 umfasst, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in zwei verschiedenen Positionen.
- 5 zeigt eine schematische Ansicht von vorne von zwei Exoskeletten 2 mit einer Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel aus 4 an einem rechten und an einem linken menschlichen Bein (5(a)), und eine schematische Ansicht von vorne von zwei erfindungsgemäßen Exoskeletten 2 an einem linken und rechten menschlichen Bein, gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel aus 4, wobei zusätzlich noch an den Innenseiten der beiden Exoskelette 2 jeweils zwei um ein inneres Gelenk gegeneinander verschwenkbare Streben dargestellt sind.
- 6 zeigt eine Skizze eines Exoskeletts 2 mit einer Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 mit einem Verstellseil 30 mit Feder 32, gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in zwei verschiedenen Positionen (6(a) und (b)).
- 7 zeigt zwei perspektivische Ansichten eines Prototypen eines Exoskeletts 2 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 ein Hebelelement 28 und eine Feder 48 umfasst, in zwei verschiedenen Positionen (7(a) und (b)).
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Die in den 1 bis 7 gezeigten Exoskelette 2 besitzen ein oberes Strukturteil 4 zur Befestigung an einem menschlichen Oberschenkel und ein unteres Strukturteil 6 zur Befestigung an einem menschlichen Unterschenkel, die mittels mindestens eines seitlich außen neben dem menschlichen Kniegelenk angeordneten Gelenks 8 miteinander verbunden sind. In den 1 bis 4 und 6 sind die Strukturteile 4 und 6 zur Vereinfachung in Form von Rechtecken dargestellt, in der Praxis können diese über eine Halbschale, seitliche Streben und/oder Befestigungsriemen verfügen, mittels denen das obere und das untere Strukturteil 4, 6 an dem jeweiligen menschlichen Ober- bzw. Unterschenkel befestigt werden kann, wie man sich dies gut mit Bezug auf 7 vorstellen kann.
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Das Gelenk 8 kann dabei auf verschiedene Weisen und in verschiedenen Positionen zwischen dem oberen Strukturteil 4 und dem unteren Strukturteil 6 angeordnet sein. In 1 (a) und den 2 bis 7 ist das Gelenk 8 als Einfachgelenk ausgeführt. In der 1(b) ist das Gelenk als Zweifachgelenk ausgeführt, mit einer schwenkbaren Platte, wobei das untere Gelenk des Zweifachgelenks schwenkbar mit dem unteren Strukturteil 6 und das obere Gelenk des Zweifachgelenks schwenkbar mit dem oberen Strukturteil 4 verbunden ist. In 1 (c) ist das Gelenk als Federgelenk 8 ausgeführt.
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In einer einfachen Ausführungsform reicht es aus, wenn ein Gelenk seitlich, vorzugsweise außen neben dem menschlichen Kniegelenk angeordnet ist, wie dies bspw. in der Vorderansicht von 5(a) gut zu erkennen ist. Zur Erhöhung der Stabilität kann zusätzlich an der Innenseite, innen gelegen von dem menschlichen Kniegelenk, ein weiteres Gelenk vorgesehen sein, welches das obere Strukturteil 4 und das untere Strukturteil 6 schwenkbar miteinander verbindet, wie dies in der Vorderansicht von 5(b) und in den Ansichten des Prototypen in 7 gut zu erkennen ist.
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Die in den 1 bis 7 gezeigten Exoskelette umfassen weiterhin ein längliches Federelement 10, das zwischen einem oberen Anbindungspunkt 12, der insbesondere an einem seitlichen, vorderen Bereich des oberen Strukturteils 4 angeordnet ist, und einem unteren Anbindungspunkt 14, der insbesondere an einem seitlichen vorderen Bereich des unteren Strukturteils 6 angeordnet ist, verläuft, und das über eine Umlenkführung geführt ist, die einen Umlenkpunkt oder eine Umlenkstrecke für das längliche Federelement 10 definiert. Das längliche Federelement 10 kann dabei als längliche Elastomerfeder, als ein elastisches Band oder als eine Band-Feder-Kombination ausgeführt sein. Letztere Variante ist in den 1 bis 7 gezeigt, wobei jeweils die Feder der Band-Feder-Kombination am oberen Ende angeordnet ist und mit ihrem oberen Ende, das den oberen Anbindungspunkt 12 der Band-Feder-Kombination insgesamt darstellt, an einem geeigneten Punkt bzw. einer geeigneten Halterung des oberen Strukturteils 4 angebunden ist. An dem unteren Anbindungspunkt der Feder ist das Band befestigt, das sich über den Umlenkpunkt 16 bis zu dem unteren Anbindungspunkt 14 an dem unteren Strukturteil 6 erstreckt.
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Die in den 1 bis 7 gezeigten Exoskelette verfügen des Weiteren über eine Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18, wobei es hier zwei Erfindungsvarianten gibt.
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In der ersten Erfindungsvariante ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 als Einrichtung zur federnden Positionierung der Umlenkführung 16 ausgebildet und so eingerichtet, dass die Umlenkführung 16 federnd in Richtung Abstandsvergrößerung und Abstandsverkleinerung zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8, gesehen im Wesentlichen in Richtung von dem Gelenk 8 nach vorne, positionierbar ist, zur dynamischen Anpassung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung des menschlichen Kniegelenks.
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In der zweiten Erfindungsvariante ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 als Einrichtung zur Verstellung der Umlenkführung 16 ausgebildet und so eingerichtet, dass der Abstand zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8, gesehen im Wesentlichen in Richtung von dem Gelenk 8 nach vorne, einstellbar ist, zur Einstellung des Grads der Entlastung und/oder Unterstützung des menschlichen Kniegelenks. Bei der zweiten Erfindungsvariante kann die Umlenkführung 16 weiterhin in wenigstens einer Position in einem Abstand zu dem Gelenk 8 arretiert werden.
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In den 1(a), (b) und (c) ist nur die Feder-Richtung, für die erste Erfindungsvariante, bzw. die Einstell-Positionsrichtung, für die zweite Erfindungsvariante, mittels eines Doppelpfeils eingezeichnet. In dieser Richtung kann sich die Umlenkführung 16 und mit ihr der Umlenkpunkt/die Umlenkstrecke, die der Einfachheit halber mit demselben Bezugszeichen 16 gekennzeichnet sind, bei der ersten Erfindungsvariante federnd bewegen bzw. kann die Umlenkführung 16, bei der zweiten Erfindungsvariante, in einer gewünschten Einstell-Position arretiert werden. Nachfolgend wird unter Umlenkpunkt 16 auch eine Umlenkstrecke verstanden.
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Dabei befindet sich die Umlenkführung 16 und der Umlenkpunkt 16 an einer Position vor dem Gelenk 8 und im Wesentlichen auf der Höhenposition des Gelenks 8, wobei es hier auch denkbar ist, dass die Umlenkführung 16 und der Umlenkpunkt 16 gegenüber dem Gelenk 8 nach oben oder nach unten versetzt sind, solange sie nur in einer vertikalen Ebene vor dem Gelenk 8 angeordnet sind.
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In der 2 sind die Kenngrößen a, b, d, h und (a-h) wie folgt definiert:
- a: Abstand des oberen Anbindungspunkts 12 des länglichen Federelements 10 zu dem Gelenk 8,
- h: Abstand des Umlenkpunkts 16/der Umlenkführung 16 zu dem Gelenk 8,
- a-h: Abstand des oberen Anbindungspunkts 12 des länglichen Federelements 10 zu dem Umlenkpunkt 16/der Umlenkführung 16;
- b: Rückversatz des Federgelenks 8.
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Alle diese Größen sind bezogen auf die Richtung senkrecht zur senkrechten Ebene durch das Exoskelett 2 bzw. durch das obere Strukturteil 4 des Exoskeletts 2.
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Die Kenngröße d bezeichnet den Abstand zwischen dem oberen Anbindungspunkt 12 des länglichen Federelements 10 zu dem Umlenkpunkt 16/der Umlenkführung 16, gesehen in Richtung der Ebene, die senkrecht durch das obere Strukturteil 4 des Exoskeletts 2 verläuft.
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Insbesondere das Verhältnis von a/d bestimmt den grundlegenden Momentenverlauf, der erfindungsgemäß durch Verschieben des Umlenkpunkts 16/der Umlenkführung 16 entlang des Doppelpfeils modifiziert wird, wodurch sich die Kenngröße h und auch die Kenngröße a-h verändert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 3(a) und (b) ist die Umlenkführungs-Positionierung 18 als eine Zugfeder 20 ausgebildet, die mit ihrem vorderen Festlegungspunkt 22 an einem vorderen, unteren Abschnitt des oberen Strukturteils 4 an einer Position vor dem Gelenk 8 festgelegt ist und die mit ihrem hinteren Festlegungspunkt 24 an der Umlenkführung 16 festgelegt ist. Dabei ist die Zugfeder 20 mit ihrem vorderen Festlegungspunkt 20 und mit ihrem hinteren Festlegungspunkt 24 vor dem Gelenk 8 angeordnet, und somit ist auch die Umlenkführung 16 vor dem Gelenk 8 angeordnet.
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In der 3(a) ist die Zugfeder 20 mit einer geringen Auslenkung/einer geringen Länge gezeigt, sodass die Gesamtlänge (a-h) der Zugfeder 20 gering, dafür aber der Abstand h zwischen dem Umlenkpunkt 16 und dem Gelenk 8 groß ist. Der Winkel zwischen der unteren Strecke und der oberen Strecke des länglichen Federelements 10 ist verhältnismäßig groß, in der vorliegenden Zeichnung etwa 20 - 25° und es wirkt ein entsprechend großes unterstützendes Moment auf das menschliche Kniegelenk.
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In der Darstellung der 3(b) ist die Zugfeder 20 mit einer größeren Auslenkung/einer größeren Länge gezeigt, sodass der Abstand (a-h) zwischen dem vorderen Festlegungspunkt 22 und dem hinteren Festlegungspunkt 24 der Zugfeder 20 größer ist, und dementsprechend der Abstand h zwischen dem Umlenkpunkt 16 und dem Gelenk 8 gering bemessen ist. Der Winkel zwischen der unteren und der oberen Strecke des länglichen Federelements 10 ist gering und liegt in der Darstellung der 3(b) bei etwa 5°. Dementsprechend wirkt nur ein geringes unterstützendes Moment auf das menschliche Kniegelenk.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3(c) und (d) ist die Umlenkführungs-Positioinerungseinrichtung 18 als eine Druckfeder 26 ausgebildet, die mit ihrem vorderen Festlegungspunkt 22 an der Umlenkführung 16 festgelegt ist und die mit ihrem hinteren Festlegungspunkt 24 an einem unteren Abschnitt des oberen Strukturteils 4 benachbart zum Gelenk festgelegt ist. Dabei ist der vordere Festlegungspunkt 22 der Druckfeder 26 und somit die Umlenkführung 16 vor dem Gelenk 8 angeordnet. Der hintere Festlegungspunkt 24 der Druckfeder 26 kann geringfügig vor dem Gelenk, etwa auf Höhe des Gelenks 8 oder sogar geringfügig hinter dem Gelenk 8 angeordnet sein.
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Wenn in der vorliegenden Beschreibung davon gesprochen wird, dass einer der Anbindungspunkte der Feder vor oder hinter dem Gelenk 8 angeordnet ist, so kommt es dabei darauf an, dass die vertikale Ebene bezogen auf das Exoskelett 2, in welcher sich der jeweilige Festlegungs- oder Anbindungspunkt befindet, in einer entsprechenden Positionierung vor bzw. hinter der vertikalen Ebene angeordnet ist, welche durch das Gelenk 8 verläuft. Der jeweilige Festlegungs- oder Anbindungspunkt muss also nicht genau auf der Höhe des Gelenks 8 sein, sondern kann ein Stück oberhalb oder unterhalb der horizontalen Ebene liegen, die durch das Gelenk 8 verläuft.
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In der Darstellung der 3(c) ist die Druckfeder 26 mit einer großen Auslenkung/einer großen Gesamtlänge gezeigt. Dementsprechend ist der Abstand h zwischen dem Umlenkpunkt 16 und dem Gelenk 8 verhältnismäßig groß, und die untere sowie die obere Strecke des länglichen Federelements 10 sind in einem verhältnismäßig großen Winkel, in der Darstellung bei etwa 20 - 25° zueinander angeordnet, dementsprechend wirkt ein verhältnismäßig großes unterstützendes Moment auf das menschliche Kniegelenk. In der Darstellung der 3(d) ist die Druckfeder 26 mit einer geringen Auslenkung/einer geringen Gesamtlänge gezeigt, also in einem zusammengedrückten Zustand. Dementsprechend ist der Abstand hzwischen dem Umlenkpunkt 16 und dem Gelenk 8 gering, und die obere sowie die untere Strecke des länglichen Federelements 10 sind in einem geringen Winkel zueinander angeordnet oder liegen sogar, wie dies in 3(d) dargestellt ist in einer Linie, sodass sich nur ein geringes oder gar kein unterstützendes Moment für das menschliche Kniegelenk ergibt.
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Bei der ersten Erfindungsvariante ist der Umlenkpunkt 16 durch die Zugfeder 20 bzw. durch die Druckfeder 26 federnd gelagert und es ergibt sich ein dynamischer Momentenverlauf. Dabei kann es insbesondere bevorzugt sein, dass das unterstützende Moment bei einem Verschwenken des oberen Strukturteils 4 zu dem unteren Strukturteil 6 durch die Zugfeder 20 bzw. die Druckfeder 26 reduziert/gedämpft wird.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante wird die Zugfeder 20 bzw. die Druckfeder 26 oder die Umlenkführung 16 in der gewünschten Länge und Position arretiert, durch eine geeignete Arretier- oder Einrastvorrichtung, und der Abstand zwischen Umlenkpunkt 16/Umlenkführung 16 und Gelenk 8 bleibt für den Bewegungsvorgang im Wesentlichen konstant.
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In dem in 4(a) und (b) gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Umlenkführungs- Positionierungseinrichtung 16 ausgebildet als eine Anordnung aus einem Hebelelement 28, aus einer Schnur 40 und aus einer Zugfeder 42. Das Hebelelement 28 umfasst einen ersten kürzeren Schenkel 30 und einen zweiten längeren Schenkel 34, die insbesondere rechtwinklig zueinander angeordnet sind. An deren Übergang ist der Drehpunkt 38 angeordnet, mittels dessen das Hebelelement 28 an einem unteren seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils 4 drehbar gelagert ist. An dem unteren Ende des längeren zweiten Schenkels 34 ist das Hebelelement 28 über den Umlenkführungs-Ankopplungspunkt 36 an die Umlenkführung 16 angekoppelt oder die Umlenkführung 16 ist dort ausgebildet. Das längliche Federelement 10 verläuft über oder durch diese Umlenkführung 16. An dem oberen Ende des kürzeren Schenkels 30 ist ein Seil-Ankopplungspunkt 32 ausgebildet, an dem das Seil 40 festgelegt ist und von dem aus das Seil 40 bis zu der Zugfeder 42 verläuft. Das Seil ist dabei an dem unteren Ende der Zugfeder 42 befestigt. Mit seinem oberen Ende ist die Zugfeder 42 an einem oberen Abschnitt des oberen Strukturteils 4 festgelegt.
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Wie sich aus den Darstellungen der 4(a) und (b) gut entnehmen lässt, ist der Drehpunkt 38 des Hebelelements 28 bezogen auf das obere Strukturteil 4 in einer vertikalen Ebene hinter dem oberen Festlegungspunkt 44 des Federelements 42, jedoch vor der vertikalen Ebene durch das Gelenk 8 angeordnet. Des Weiteren ist gut zu erkennen, dass der obere Festlegungspunkt 44 des Federelements 42 in einer vertikalen Ebene hinter der durch den oberen Anbindungspunkt 12 des länglichen Federelements 10 angeordnet ist.
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In der Darstellung der 4(a) ist der Abstand zwischen Seil-Festlegungspunkt 44 und Seil-Ankopplungspunkt 32 etwas verkürzt, durch ein entsprechendes Zusammenziehen/ein entsprechendes Verkürzen der Zugfeder 42. Dadurch ist das Hebelelement 28 mit seinem kürzeren Schenkel 30 etwas nach oben gezogen und im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 38 verschwenkt worden, sodass der Umlenkführungs-Ankopplungspunkt 36 ein Stück weit schräg nach links geschwenkt worden ist, wodurch wiederum der Abstand zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8 vergrößert worden ist. Dementsprechend hat sich auch der Winkel zwischen der oberen und unteren Strecke des länglichen Federelements 10 vergrößert, wodurch sich ein größeres unterstützendes Moment auf das menschliche Kniegelenk ergibt.
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Dieser Winkel liegt in der vorliegenden rein exemplarischen und nicht einschränkenden Darstellung bei etwa 20 - 25°. In der Position der 4(b) ist der Abstand zwischen Seil-Festlegungspunkt 44 und Seil-Ankopplungspunkt 32 vergrößert, durch ein entsprechendes Auseinanderziehen der Zugfeder 42. Dementsprechend ist das Hebelelement 28 in Gegenuhrzeigersinn verschwenkt worden, sodass der kürzere Schenkel 30 in etwa senkrecht zu der vertikalen Symmetrieachse durch das obere Strukturteil 4 liegt und dementsprechend der längere Schenkel 34 nach unten im Wesentlichen parallel zu dieser senkrechten Symmetrieachse gerichtet ist. Der Abstand zwischen Umlenkpunkt 16 und Gelenk 8 ist somit gering und es ist nur ein geringer Winkel zwischen der oberen und der unteren Strecke des länglichen Federelements 10 oder gar kein Winkel vorhanden, sodass sich nur eine geringe oder gar keine Momentenunterstützung für das menschliche Kniegelenk ergibt.
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Der kürzere Schenkel 30 des Hebelelements 28 ist dabei insbesondere in einer Ebene beabstandet zu der senkrechten Ebene angeordnet, die in Draufsicht auf das Exoskelett 2 von vorne nach hinten verläuft, wie dies in 5 gut zu erkennen ist, sodass in der Schwenkposition gemäß 4(b) der kürzere Schenkel 30 seitlich neben dem länglichen Federelement 10 angeordnet ist und dieses nicht berührt, wenn es unter dem länglichen Federelement 10 durchtritt.
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Das Exoskelett 2 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst weiterhin einen Anschlag 36 für das Hebelelement 26, insbesondere für den längeren Schenkel 34, der die Drehbewegung des Hebelelements 28 insbesondere nach hinten begrenzt. Dieser Anschlag 46 ist insbesondere an einem unteren seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils 4 oberhalb des Gelenks 8 angeordnet. Dieser Anschlag 46 kann insbesondere auch verstellbar ausgebildet sein, um die Verschwenkbarkeit der Umlenkführung 16 nach hinten zu begrenzen und den durch das Exoskelett 2 erreichbaren Momentenbereich auf den jeweiligen Benutzer anzupassen.
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Auch in dem in den 4(c) und (d) gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 als eine Anordnung aus einem Hebelelement 28, aus einem Seil 40 und einem Federelement 48 ausgebildet, wobei im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 4(a) und (b) das Federelement 48 als Druckfeder ausgebildet ist. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden hier nicht noch einmal separat beschrieben.
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Wegen der unterschiedlichen Ausbildungen des Federelements: Druckfeder 48 anstelle von Zugfeder 42, ist das Hebelelement 28 anders ausgebildet/angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel der 4(a) und (b) hat das Hebelelement 28 das Aussehen eines um den Drehpunkt 38 gespiegelten großen L bzw. einem nach links gerichteten Haken. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4(c) und (d) hat das Hebelelement 28 das Aussehen eines entlang einer horizontalen Achse gespiegelten umgekehrten L bzw. eines nach hinten gerichteten Hakens.
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In dem in den 4(c) und (d) gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Drehpunkt 38 des Hebelelements 28 in einer vertikalen Ebene, wiederum bezogen auf das obere Strukturteil 4 des Exoskeletts 2, vor der vertikalen Ebene des Seilfestlegungspunkts 44 und hinter der vertikalen Ebene des oberen Anbindungspunkts 12 des länglichen Federelements 10. Der obere Seil-Festlegungspunkt 44 liegt in einer vertikalen Ebene, die unmittelbar vor der vertikalen Ebene durch das Gelenk 8 verläuft und ist gegenüber der vertikalen Ebene in welcher der Seilfestlegungspunkt 44 des Ausführungsbeispiels der 4(a) und (b) liegt, nach hinten versetzt.
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Das Seil 40 ist bei dem Ausführungsbeispiel der 4(c) und (d) insbesondere starr auszuführen, z. B. als Stahlseil und ggf. mit einer entsprechenden, hier nicht gezeigten Führung zu versehen, um die Wirkung der Druckfeder 48 auf das Hebelelement 28 übertragen zu können.
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In der Position der 4(c) ist die Druckfeder 48 in ihrem längeren, auseinandergedrückten Zustand 48 gezeigt, sodass der Abstand zwischen Seil-Festlegungspunkt 44 und Seilankopplungspunkt 32 verhältnismäßig groß ist. Dementsprechend erstreckt sich der kürzere Schenkel 30 in einer Ebene in etwa senkrecht zur vertikalen Symmetrieebene durch das obere Strukturteil 4 oder ist gegenüber diesem sogar in Uhrzeigersinn ein Stück weit nach rechts unten geneigt. Dementsprechend erstreckt sich der längere Schenkel 34 in dieser vertikalen Symmetrieebene oder ist aus dieser sogar ein Stück weit im Uhrzeigersinn schräg nach links geneigt. Dementsprechend ist der Abstand zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8 verhältnismäßig groß, und ebenso ist der Winkel zwischen der unteren und der oberen Strecke des länglichen Federelements 10 groß ausgebildet, und liegt in der vorliegenden rein exemplarischen und nicht beschränkenden Darstellung bei etwa 25 - 30°. Demgegenüber ist in der Position der 4(d) die Druckfeder 48 ein Stück weit zusammengedrückt und hat eine kürzere Länge als in der Position der 4(c). Dementsprechend ist der Abstand zwischen dem Seil-Festlegungspunkt 44 und dem Seil-Ankopplungspunkt 32 geringer, und das Hebelelement 28 ist mit seinem kürzeren Schenkel 30 und mit seinem längeren Schenkel 34 in Gegenuhrzeigersinn nach schräg oben verschwenkt. Dadurch ist der Abstand zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8 so gering, dass nur ein geringer Winkel zwischen der oberen und unteren Strecke des länglichen Federelements 10 oder gar kein Winkel vorhanden ist und dementsprechend nur eine geringe oder gar keine Momentenunterstützung auf das menschliche Knie wirkt.
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Bei der ersten Erfindungsvariante ist die Umlenkführung 16 durch die in der 4 dargestellten Umlenkführungs-Positioinierungseinrichtung 18 federnd gelagert. Bei der zweiten Erfindungsvariante wird der Abstand zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8 zu Beginn auf einen gewünschten Abstand eingestellt und die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 wird, z. B. durch Arretieren des Hebelelements 28 mit einem geeigneten Arretiermechanismus auf diesen Abstand arretiert.
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Die 5(a) und (b) zeigen Exoskelette 2, bei denen die Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung 18 gemäß 4 ausgeführt ist, schematisch von vorne. Dabei ist gut zu erkennen, dass die Zugfeder 42 das Seil 44 und zumindest teilweise das Hebelelement 28 in einer Ebene von vorne nach hinten gesehen seitlich außerhalb und neben der Ebene angeordnet sind, in welcher das längliche Federelement 10 angeordnet ist. Des Weiteren sind das obere Strukturteil 4 und das untere Strukturteil 6 jeweils mit einer seitlichen, äußeren Strebe und mit Befestigungsriemen ausgeführt, jeweils zwei Befestigungsriemen für den menschlichen Oberschenkel an dem oberen Strukturteil 4 und zwei Befestigungsriemen für den Unterschenkel an dem unteren Strukturteil 6. In der Darstellung der 5(b) sind zudem Streben an der Innenseite vorgesehen, die jeweils mittels eines zusätzlichen innen gelegenen Gelenks gegeneinander verschwenkbar sind.
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Bei den Ausführungsformen der 4 und 5 ist es bevorzugt, wenn das Hebelelement 28 in der Stellung am Endanschlag 48 so positioniert ist, dass die Federwirkung genau durch den Gelenkmittelpunkt/das Gelenk 8 geführt wird. In den anderen Stellungen ist die Positionierung nicht so zentral, und sollte möglichst mittig zwischen den Federanbindungspunkten 12 und 14 liegen. Dies kann durch die Wahl des Drehpunktes 38 des Hebelelements 28 definiert werden.
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Bei dem in 6(a) und (b) gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Umlenkführungs-Positiionerungseinrichtung 18 als ein Verstellseil 50 mit Umlenkung ausgebildet. Dabei ist das Verstellseil 52 insbesondere als eine Seil-Federkombination ausgeführt, mit einer oberen Zugfeder 52 und einem unten daran anschließenden Seil 50. Die obere Zugfeder 52 ist mit ihrem oberen Anbindungspunkt 54 an einem oberen vorderen Abschnitt des oberen Strukturteils 6 befestigt. An dem unteren Ende der oberen Zugfeder 52 ist das Verstellseil 50 befestigt. Dieses ist über einen Verstellseil-Umlenkpunkt 58 geführt, der an einem unteren, seitlichen Abschnitt des oberen Strukturteils 4 vor der Umlenkführung 16 des länglichen Seilelements 50 und somit auch vor dem Gelenk 8 positioniert ist.
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Der obere Anbindungspunkt 54 der Seil-Federkombination des Verstellseils 50 ist dabei vor dem oberen Anbindungspunkt 12 des Federelements 10 angeordnet.
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Das Verstellseil 50 ist mit seinem unteren Anbindungspunkt 36, von vorne kommend an der Umlenkführung 16 befestigt. In der Position gemäß 6(a) ist die Zugfeder 52 in ihrem zusammengezogenen verkürzten Zustand gezeigt. Dementsprechend ist die Strecke des Verstellseils 50 zwischen dem Verstellseil-Umlenkpunkt 58 und der Umlenkführung 16 gering, und dementsprechend der Abstand h zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8 groß. Der Winkel zwischen der unteren und der oberen Strecke des länglichen Federelements 10 ist dabei verhältnismäßig groß und liegt in der vorliegenden rein exemplarischen und nicht beschränkenden Darstellung bei etwa 20 - 25°. Es wirkt somit ein entsprechendes unterstützendes Moment auf das menschliche Kniegelenk.
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In der Position der 6(b) ist die Zugfeder 52 in ihrem auseinandergezogenen verlängerten Zustand gezeigt. Dementsprechend ist der Abstand der Strecke des Verstellseils 50 zwischen dem Verstellseil-Umlenkpunkt 58 und der Umlenkführung 16 verhältnismäßig groß, und der Abstand h zwischen der Umlenkführung 16 und dem Gelenk 8 verhältnismäßig gering. Die obere und die untere Strecke des länglichen Federelements 10 sind in einem geringen Winkel von etwa 5° zueinander angeordnet. Es wirkt somit ein entsprechend geringes unterstützendes Moment auf das menschliche Kniegelenk.
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Bei der ersten Erfindungsvariante ist der Umlenkpunkt 16 mittels der als Seil-Federkombination ausgebildeten Verstellseils 50 federnd gelagert, und es ergibt sich eine dynamische Momentenanpassung bei einem Verschwenken von oberem Strukturteil 4 zu unterem Strukturteil 6. Insbesondere ergibt sich eine Dämpfung und Abmilderung des wirkenden Moments bei einem Verschwenken von oberem Strukturteil 4 zu unterem Strukturteil 6.
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Bei der zweiten Erfindungsvariante wird zu Beginn der Abstand zwischen Verstellseil-Umlenkpunkt 58 und Umlenkführung 16 und somit der Abstand zwischen Umlenkführung 16 zu Gelenk 8 eingestellt, z. B. indem die Umlenkführung 16 entsprechend arretiert wird. Der Abstand zwischen Umlenkführung 16 und Gelenk 8 bleibt dann im folgenden Bewegungsablauf konstant.
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Bei der Prototypendarstellung gemäß 7 sind das obere Strukturteil 4 und das untere Strukturteil 6 jeweils mit zwei seitlichen Streben 59 ausgeführt, die am oberen bzw. unteren Ende jeweils mittels einer Halbschale 60 miteinander verbunden sind. Die seitlichen Streben 59 und die Halbschalen 60 sind dabei insbesondere jeweils als gemeinsames Kunststoff-Spritzgußteil ausgeführt. Um den menschlichen Oberschenkel bzw. den menschlichen Unterschenkel darin sicher haltern zu können, sind zwei vordere Befestigungsriemen 62 und ein hinterer Befestigungsriemen 62 an den seitlichen Streben 59 angeordnet.
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An den oberen und unteren Enden der seitlichen Streben 59 des oberen und unteren Strukturteils 4, 6 sind Scharnierteile ausgebildet, die insbesondere aus Metall sind. Zusammenwirkende Scharnierteile sind jeweils mittels eines inneren und äußeren Gelenks 8 miteinander schwenkbar verbunden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 7(a) und (b) ist die Umlenkführung-Positionierungseinrichtung 18 ausgebildet als eine Anordnung aus einem Hebelelement 28 und aus einem Federelement 48, insbesondere einer Druckfeder.
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Das Hebelelement 28 hat eine geschwungene Form, weist aber wie das Hebelelement 28 aus den 4 und 5 einen kürzeren Schenkel 30 und einen längeren Schenkel 34 auf. Am vorderen, distalen Ende des längeren Schenkels 34 ist die Umlenkführung 16 als kerbenartige Aufnahme für das längliche Federelement 10 ausgeführt. Das Hebelelement 28 ist um den Drehpunkt 38 schwenkbar, der in einer vertikalen Ebene vor dem oberen Anbindungspunkt 54 der Druckfeder 48 liegt. Die Druckfeder 48 ist mit ihrem oberen Anbindungspunkt 54 an einem seitlichen äußeren Bereich der äußeren Strebe 59 des oberen Strukturteils 4 befestigt, insbesondere an einem Befestigungsstück 58, an dem auch nach vorne hin eine entsprechende Anbringung für den oberen Anbindungspunkt 12 des länglichen Federelements 12 vorhanden ist. Mit seinem unteren Anbindungspunkt 32 ist das Federelement 48 an dem kürzeren Schenkel 30 des Hebelelements 28 angekoppelt.
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Das rechte obere metallische Scharnierteil 70 ist mit zwei beabstandeten Platten ausgebildet und nimmt bei einem Verschwenken des oberen Strukturteils 4 zu dem unteren Strukturteil 6 gemäß 7(b) die Umlenkführung 16 und den vorderen unteren Bereich des Hebelelements 28 dazwischen auf und deckt diesen von beiden Seiten her ab, wodurch sich eine Schutzwirkung und eine Verhinderung eines Einklemmens ergibt.
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Auch der Drehpunkt 38 ist an dem Befestigungsstück 28 ausgebildet und liegt in einer vertikalen Ebene zwischen dem oberen Anbindungspunkt 12 des länglichen Federelements 10 und dem oberen Anbindungspunkt 44 des Federelements 48.
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In 7(a) sind das obere und untere Strukturteil 4, 6 nicht gegeneinander verschwenkt. Das Federelement 48 ist dabei in einer Position gezeigt, in welcher die Umlenkführung 16 an dem länglichen Federelement 10 anliegt, dieses aber nur einen geringen oder gar keinen Winkel zwischen seiner oberen und unteren Strecke ausbildet, und sich somit keine oder nur eine sehr geringe Momentenunterstützung für das menschliche Kniegelenkt ergibt.
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In der Darstellung der 7(b) sind das obere und untere Strukturteil 4, 6 um einen Winkel von etwa 40° gegeneinander verschwenkt. Das Federelement 48 in einer verkürzten, zusammengedrückten Position. Durch das Hebelelement 28 ist jedoch der Winkel zwischen der unteren und der oberen Strecke des länglichen Federelements 10 demgegenüber deutlich reduziert und liegt nur in einem Bereich von etwa 20° (rein exemplarisch und nicht beschränkend), wodurch sich eine dynamische und abgemilderte Momentenunterstützung für das menschliche Knie ergibt.
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Bei der ersten Erfindungsvariante ist die Umlenkführung 16 federnd gelagert, bei der zweiten Erfindungsvariante erfolgt eine Einstellung auf einem bestimmten Abstand zwischen Federelement 28 und Gelenk 8, z. B. durch eine hier nicht gezeigte Arretierung des Hebelelements 28.
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Bezüglich der weiteren Vorteile und Gestaltungsmöglichkeiten der vorstehend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele wird auf den allgemeinen Beschreibungsteil verwiesen, diese werden hier nicht noch einmal wiederholt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Exoskelett
- 4
- oberes Strukturteil
- 6
- unteres Strukturteil
- 8
- Gelenk
- 10
- längliches Federelement
- 12
- oberer Anbindungspunkt
- 14
- unterer Anbindungspunkt
- 16
- Umlenkführung/Umlenkpunkt
- 18
- Umlenkführungs-Positionierungseinrichtung
- 20
- Zugfeder
- 22
- vorderer Festlegungspunkt
- 24
- hinterer Festlegungspunkt
- 26
- Druckfeder
- 28
- Hebelelement
- 30
- kürzerer Schenkel
- 32
- Seil-Ankopplungspunkt
- 34
- längerer Schenkel
- 36
- Umlenkführungs-Ankopplungspunkt
- 38
- Drehpunkt
- 40
- Schnur/Seil
- 42
- Zugfeder
- 44
- Seil-Festlegungspunkt
- 46
- Anschlag
- 48
- Druckfeder
- 50
- Verstellseil
- 52
- Feder
- 54
- oberer Anbindungspunkt
- 56
- unterer Anbindungspunkt
- 58
- Verstellseil-Umlenkpunkt
- 59
- seitliche Streben
- 60
- Halbschalen
- 62
- Befestigungsriemen
- 64
- oberes Scharnierteil
- 66
- unteres Scharnierteil
- 68
- Befestigungsstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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