DE102022114664A1 - Exoskeletal motion support system for climbing stairs and method for climbing stairs - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein exoskelettales Bewegungsunterstützungssystem (10) für das Überwinden von Treppen und ein Verfahren zum Überwinden von Treppen , mit denen wirksame Verbesserungen bei der Bewegungsunterstützung beim Treppenüberwinden, insbesondere von Senioren verbunden sind. Dabei erfolgt die Unterstützung ohne große Gewichtsbelastung und zudem auch sehr komfortabel. Außerdem ist die Unterstützung an persönliche Bedürfnisse der Senioren anpassbar. Selbstverständlich lässt sich diese erfindungsgemäße Lösung mit Vorteil auch für Nichtsenioren einsetzen, wobei Senioren von ihr am meisten profitieren werden. Das erfindungsgemäße System (10) ist dabei auf die Treppenüberwindung optimiert und nur minimal aktuiert, wobei es leicht ist, einfach und intuitiv zu bedienen ist, sehr ergonomisch und energieeffizient ausgebildet ist. Es ist sehr schnell an- und ablegbar und funktioniert ohne Eingriff in die jeweilige Wohnstruktur des Benutzers.The present invention relates to an exoskeletal movement support system (10) for climbing stairs and a method for climbing stairs, which are associated with effective improvements in movement support when climbing stairs, especially for seniors. The support is provided without much weight and is also very comfortable. In addition, the support can be adapted to the personal needs of the seniors. Of course, this solution according to the invention can also be used with advantage for non-seniors, although seniors will benefit most from it. The system (10) according to the invention is optimized for climbing stairs and is only minimally actuated, being light, easy and intuitive to use, and very ergonomic and energy-efficient. It can be put on and taken off very quickly and works without interfering with the user's living structure.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein exoskelettales Bewegungsunterstützungssystem für das Überwinden von Treppen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Überwinden von Treppen nach dem Oberbegriff von Anspruch 7.The present invention relates to an exoskeletal movement support system for climbing stairs according to the preamble of
Laut dem statistischen Bundesamt (vgl. „Ältere Menschen in Deutschland und der EU“; https://www.bmfsfj.de/resource/blob/93214/95d5fc19e3791f90f8d582d61b13a95e/aeltere-menschen-deutschland-eu-data.pdf) leben in Deutschland etwa anderthalb Millionen gesundheitlich eingeschränkte Menschen in Ein- oder Zweifamilienhäusern, deren Etagen in der Regel durch Treppen verbunden sind. Durch diverse altersbedingte Änderungen des menschlichen Körpers, wie Muskelkraftverlust oder Gelenkverschleiß, wird die Überwindung von Treppen zu einer täglichen Hürde für die Betroffenen. Infolgedessen treten Veränderungen im Gangbild, Balanceprobleme und eine erhöhte Angst vor dem Stürzen auf. Um diesen Problemen zu begegnen, werden einfache Gehstützen verwendet, Treppenlifte installiert, die Treppenüberwindung weitestgehend gemieden oder, im kritischsten Fall, das vertraute Wohnumfeld verlassen. Wenn Installationen aus technischen Gründen erschwert oder nicht möglich sind, kann ein am Körper zu tragendes Bewegungsunterstützungssystem („exoskelettales Bewegungsunterstützungssystem“, auch kurz eBUS genannt) eine sinnvolle und effiziente Alternative sein.According to the Federal Statistical Office (see “Older people in Germany and the EU”; https://www.bmfsfj.de/resource/blob/93214/95d5fc19e3791f90f8d582d61b13a95e/aeltere-menschen-deutschland-eu-data.pdf) live in Germany Around one and a half million people with health problems live in one- or two-family houses, the floors of which are usually connected by stairs. Due to various age-related changes in the human body, such as loss of muscle strength or joint wear, climbing stairs becomes a daily hurdle for those affected. As a result, changes in gait, balance problems and an increased fear of falling occur. To counter these problems, simple crutches are used, stair lifts are installed, stairs are avoided as much as possible or, in the most critical case, the familiar living environment is left. If installations are difficult or not possible for technical reasons, a movement support system that can be worn on the body (“exoskeletal movement support system”, also known as eBUS for short) can be a sensible and efficient alternative.
Ein solcher eBUS ist beispielsweise der Stride Management Assist der Firma Honda, bei dem die Bewegung im Hüftgelenk unterstützt wird. Das Walking Assist Device der Firma Honda ist so ausgebildet, dass der Benutzer in einer Schale als Sitz sitzt. Der Sitz ist auf der Innenseite der Beine über rigide Elemente mit den Schuhen verbunden.One such eBUS is, for example, the Stride Management Assist from Honda, which supports movement in the hip joint. The Walking Assist Device from Honda is designed so that the user sits in a shell as a seat. The seat is connected to the shoes on the inside of the legs via rigid elements.
Diese eBUS sind zwar beim Laufen normaler Menschen nützlich und lassen sich leicht anlegen, bieten jedoch Senioren beim Treppenüberwinden nur wenig Unterstützung.Although these eBUS are useful for normal people walking and are easy to put on, they offer little support for seniors when climbing stairs.
Andererseits sind eBUS, wie beispielsweise das REX Exoskelett der Fa. Rex Bionics bekannt, die für den Einsatz an Querschnittsgelähmten vorgesehen sind, damit diese wieder alltäglichen Aufgaben im häuslichen oder betrieblichen Umfeld selbstständig nachgehen können. Aktuiert werden neben den Hüftgelenken in Extension und Flexion sowie Abduktion und Adduktion auch die Kniegelenke in beiden Drehrichtungen sowie die Dorsalextension, Plantarflexion, Abduktion und Adduktion der Fußgelenke durch entsprechend platzierte Motoren. Durch das REX sind neben dem Stehen auch Bewegungen wie das Vorwärts- und Rückwärtsgehen sowie das Überwinden von Treppen möglich. Allerdings sind diese eBUS sehr massiv und unkomfortabel für den täglichen Gebrauch und für die Notwendigkeiten „normaler“ Senioren völlig überdimensioniert.On the other hand, there are eBUS, such as the REX exoskeleton from Rex Bionics, which are intended for use on paraplegics so that they can carry out everyday tasks independently in the home or business environment. In addition to the hip joints in extension and flexion as well as abduction and adduction, the knee joints are also actuated in both directions of rotation as well as the dorsiflexion, plantar flexion, abduction and adduction of the ankle joints by appropriately placed motors. In addition to standing, the REX also makes movements such as walking forwards and backwards and climbing stairs possible. However, these eBUS are very massive and uncomfortable for daily use and completely oversized for the needs of “normal” seniors.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zu schaffen, die Senioren eine Unterstützung beim Treppenüberwinden bietet. Dabei soll die Unterstützung insbesondere ohne große Gewichtsbelastung und zudem auch komfortabel erfolgen. Vorzugsweise soll die Unterstützung an persönliche Bedürfnisse anpassbar sein.It is therefore the object of the present invention to create a solution that offers seniors support when climbing stairs. The support should be provided without a lot of weight and also be comfortable. Preferably, the support should be adaptable to personal needs.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen System nach Anspruch 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den Figuren angegeben.This object is achieved with the system according to the invention according to
Erfinderseits wurde erkannt, dass diese Aufgabe in überraschender Art und Weise dadurch besonders einfach gelöst werden kann, wenn zwei Segmente des Systems bestehen, die mit dem Oberschenkel bzw. dem Unterschenkel eines Benutzers jeweils verbunden sind, wobei beide Segmente jeweils Lagesensoren aufweisen, um die Ausrichtung der Längserstreckung und damit auch die Ausrichtung von Ober- und Unterschenkel im Raum zu ermitteln. Dadurch kann die Bewegung des Benutzers analysiert und die Unterstützung durch den Aktor optimal eingestellt werden. Außerdem kann in Abhängigkeit einer Analyse des Bewegungsverlaufs der Ausrichtungen von Ober- und Unterschenkel jederzeit eine Nachregulierung der Unterstützung durch den Aktor erfolgen. Dabei wurde erkannt, dass Senioren normalerweise nur bei der Kniegelenksbewegung Unterstützung benötigen, nicht aber bei der Bewegung des Hüftgelenks. Dadurch, dass bevorzugt durch System keine Unterstützung der Bewegung des Hüftgelenks erfolgt, kann das System wesentlich kompakter und leichter gehalten werden.On the part of the inventor, it was recognized that this task can be solved particularly easily in a surprising manner if there are two segments of the system, which are each connected to the thigh or the lower leg of a user, with both segments each having position sensors to ensure the alignment to determine the longitudinal extent and thus also the alignment of the upper and lower leg in space. This allows the user's movement to be analyzed and the support provided by the actuator to be optimally adjusted. In addition, depending on an analysis of the movement history of the alignment of the upper and lower leg, the support can be readjusted by the actuator at any time. It was recognized that seniors normally only need support with knee joint movement, but not with hip joint movement. Because the system does not support the movement of the hip joint, the system can be kept much more compact and lighter.
Das erfindungsgemäße exoskelettale Bewegungsunterstützungssystem für das Überwinden von Treppen mit zumindest zwei Segmenten, wobei ein erstes Segment, das eine erste Längserstreckung aufweist, an einem Oberschenkel eines Benutzers anordenbar ist, und ein zweites Segment, das eine zweite Längserstreckung aufweist, an einem mit dem Oberschenkel direkt über ein Knie verbundenen Unterschenkel des Benutzers anordenbar ist, wobei ein Aktor besteht und zwischen dem ersten Segment und dem zweiten Segment eine Wirkverbindung dahingehend besteht, dass eine Betätigung des Aktors, eine Verschwenkung des zweiten Segments gegenüber dem ersten Segment bewirkt, ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Segment ein erster Lagesensor und an dem zweiten Segment ein zweiter Lagesensor angeordnet sind, wobei der erste Lagesensor eingerichtet ist, die Ausrichtung der ersten Längserstreckung im Raum zu ermitteln, und wobei der zweite Lagesensor eingerichtet ist, die Ausrichtung der zweiten Längserstreckung im Raum zu ermitteln.The exoskeletal movement support system according to the invention for climbing stairs with at least two segments, wherein a first segment, which has a first longitudinal extent, can be arranged on a thigh of a user, and a second segment, which has a second longitudinal extent, on a thigh directly can be arranged on the user's lower leg connected via a knee, whereby there is an actuator and there is an operative connection between the first segment and the second segment in such a way that actuation of the actuator causes the second segment to pivot relative to the first segment, is characterized in that A first position sensor is arranged on the first segment and a second position sensor is arranged on the second segment, the first position sensor is set up to determine the orientation of the first longitudinal extent in space, and wherein the second position sensor is set up to determine the orientation of the second longitudinal extent in space.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das System aus zwei Teilen besteht, einem ersten Teil für das linke Bein des Benutzers und einem zweiten Teil für das rechte Bein des Benutzers, wobei die beiden Teile bevorzugt symmetrisch aufgebaut sind und/oder wobei die beiden Teile autark steuer- und/oder regelbar ausgebildet sind.In an advantageous development it is provided that the system consists of two parts, a first part for the user's left leg and a second part for the user's right leg, the two parts preferably being constructed symmetrically and/or the two parts are designed to be autonomously controllable and/or regulated.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Aktor einen Motor, insbesondere einen Elektromotor umfasst. Dann kann das System besonders kompakt und auch autark gehalten werden.In an advantageous development it is provided that the actuator comprises a motor, in particular an electric motor. The system can then be kept particularly compact and self-sufficient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Wirkverbindung eine Seilzugverbindung, bevorzugt umfassend einen Bowdenzug, ist, wobei die Angriffspunkte der Wirkverbindung an dem ersten Segment und an dem zweiten Segment insbesondere beabstandet von einer Schwenkachse des Knies so angeordnet sind, dass der Zug mit dem Seilzug eine Knieextension bewirkt. Dadurch kann das System besonders leicht gehalten werden.In an advantageous development it is provided that the active connection is a cable pull connection, preferably comprising a Bowden cable, the points of application of the active connection on the first segment and on the second segment being arranged in particular at a distance from a pivot axis of the knee in such a way that the pull is connected to the Cable pull causes knee extension. This means the system can be kept particularly light.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Aktor an dem ersten Segment angeordnet ist, wobei bevorzugt auch eine Energieversorgung für den Aktor und/oder eine Steuerungsvorrichtung für den Aktor an dem ersten Segment angeordnet sind, wobei die am ersten Segment angeordneten Massen insbesondere proximal angeordnet sind. Dadurch ist die Massenverteilung für die Bewegung optimal, so dass das System für den Benutzer sehr komfortabel ist.In an advantageous development, it is provided that the actuator is arranged on the first segment, with a power supply for the actuator and/or a control device for the actuator preferably also being arranged on the first segment, with the masses arranged on the first segment being arranged in particular proximally are. This means that the mass distribution for movement is optimal, making the system very comfortable for the user.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Seilzugverbindung so ausgebildet ist, dass sie das Knie des Benutzers anterior überspannt. Dadurch kann das Kniegelenk im System besonders einfach nachgebildet werden.In an advantageous further development, it is provided that the cable connection is designed so that it spans the user's knee anteriorly. This makes it particularly easy to recreate the knee joint in the system.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Seilzugverbindung so ausgebildet ist, dass ein Angriffspunkt, bevorzugt der Angriffspunkt der Seilzugverbindung am ersten Segment anterior im Bereich, insbesondere senkrecht über dem in der Vorrichtung aufzunehmenden Knie des Benutzers angeordnet ist. Dadurch ist der Kraftvektor unabhängig vom Kniewinkel, so dass die Unterstützung besonders schonend erfolgt. Außerdem besteht ein weiterer Vorteil darin, dass durch den kniewinkelunabhängigen Kraftvektor die Regelung/Steuerung der vom System eingebrachten Kraft vereinfacht werden kann.In an advantageous development, it is provided that the cable pull connection is designed in such a way that a point of application, preferably the point of application of the cable pull connection, is arranged on the first segment anteriorly in the area, in particular vertically, above the user's knee to be accommodated in the device. This means that the force vector is independent of the knee angle, so that the support is particularly gentle. Another advantage is that the force vector that is independent of the knee angle can simplify the regulation/control of the force introduced by the system.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein drittes Segment besteht, das eine dritte Längserstreckung aufweist und an einem mit dem Unterschenkel direkt über ein Sprunggelenk verbundenen Fuß des Benutzers anordenbar ist. Dadurch kann die Unterstützung besonders effektiv wirken.In an advantageous development it is provided that there is a third segment which has a third longitudinal extent and can be arranged on a foot of the user which is connected to the lower leg directly via an ankle joint. This means the support can be particularly effective.
Dabei ist bevorzugt an dem dritten Segment ein dritter Lagesensor angeordnet, wobei der dritte Lagesensor eingerichtet ist, die Ausrichtung der dritten Längserstreckung im Raum zu ermitteln. Dadurch kann die Unterstützung noch besser auf persönliche Bedürfnisse bzw. den aktuellen Bewegungsablauf angepasst werden.A third position sensor is preferably arranged on the third segment, the third position sensor being set up to determine the orientation of the third longitudinal extension in space. This means that the support can be better adapted to personal needs or the current movement sequence.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt an dem dritten Segment ein Kraftsensor angeordnet, wobei der Kraftsensor eingerichtet ist, die durch einen Untergrund auf das dritte Segment einwirkende Kraft zu ermitteln. Damit kann das Vorliegen bzw. Nichtvorliegen einer Standphase beim Treppenüberwinden erkannt werden. Auch dadurch kann die Unterstützung noch besser auf persönliche Bedürfnisse bzw. den aktuellen Bewegungsablauf angepasst werden.Alternatively or additionally, a force sensor is preferably arranged on the third segment, the force sensor being set up to determine the force acting on the third segment through a subsurface. This makes it possible to detect the presence or absence of a stance phase when climbing stairs. This also means that the support can be better adapted to personal needs or the current movement sequence.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Segment und/oder das zweite Segment und/oder das dritte Segment teleskopierbar ausgebildet sind, wobei das dritte Segment bevorzugt zwei unterschiedlich ausgerichtete Teleskopbereiche aufweist. Dann lässt sich das System besonders einfach an die körperlichen Gegebenheiten des Benutzers anpassen.In an advantageous development it is provided that the first segment and/or the second segment and/or the third segment are designed to be telescopic, with the third segment preferably having two differently aligned telescopic regions. The system can then be adapted particularly easily to the user's physical conditions.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Segment mit dem zweiten Segment über eine erste Gelenkverbindung des Systems verbunden ist, wobei die erste Gelenkverbindung bevorzugt nur einen Freiheitsgrad aufweist, wobei die erste Gelenkverbindung insbesondere ein Rotationsgelenk umfasst. Alternativ könnten auch andere Gelenkarten (z.B. polyzentrische Gelenke) zum Einsatz kommen. Dadurch ist das System besonders einfach und wirksam aufgebaut.In an advantageous development it is provided that the first segment is connected to the second segment via a first joint connection of the system, the first joint connection preferably having only one degree of freedom, the first joint connection in particular comprising a rotation joint. Alternatively, other types of joints (e.g. polycentric joints) could also be used. This makes the system particularly simple and effective.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das zweite Segment mit dem dritten Segment über eine zweite Gelenkverbindung des Systems verbunden ist, wobei die zweite Gelenkverbindung bevorzugt nur einen Freiheitsgrad aufweist, wobei die zweite Gelenkverbindung insbesondere ein Rotationsgelenk umfasst. Dadurch ist das System besonders einfach und wirksam aufgebaut.In an advantageous development it is provided that the second segment is connected to the third segment via a second joint connection of the system, the second joint connection preferably having only one degree of freedom, the second joint connection in particular comprising a rotation joint. This makes the system particularly simple and effective.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kraftsensor ein Druckmesssensor ist. Damit kann die Kraftmessung besonders einfach und sicher erfolgen.In an advantageous development it is provided that the force sensor is a pressure measuring sensor. This means that force measurement can be carried out particularly easily and safely.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Zugkraftsensor zur Bestimmung der Zugkraft in der Seilzugverbindung besteht, wobei der Zugkraftsensor bevorzugt zwischen Seilzug und dem Angriffspunkt der Seilzugverbindung an dem zweiten Segment angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Unterstützung besonders einfach regeln, weil die aufgewendete Kraft der Unterstützung mit der erfolgenden Bewegung des Benutzers korreliert werden kann.In an advantageous development, it is provided that there is a tensile force sensor for determining the tensile force in the cable connection, wherein the tensile force sensor is preferably arranged between the cable and the point of application of the cable connection on the second segment. This makes it particularly easy to regulate the support because the force used for the support can be correlated with the movement of the user.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Segmente in Bezug auf das Bein des Benutzers, an dem sie anzuordnen sind, unilateral miteinander verbunden sind. Dadurch ist das System besonders komfortabel und zugleich leicht ausgebildet.In an advantageous development it is provided that the segments are connected to one another unilaterally with respect to the leg of the user on which they are to be arranged. This makes the system particularly comfortable and lightweight at the same time.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine erste öffenbare und verschließbare Halterung am ersten Segment zur Befestigung des ersten Segments am Oberschenkel besteht, wobei die erste Halterung bevorzugt einen festen Teil und einen gegenüber diesem beweglichen Teil umfasst, wobei der bewegliche Teil insbesondere flexibel ausgebildet ist, wobei die erste Halterung vorzugsweise am ersten Segment in ihrer Lage in Bezug auf die Längserstreckung des ersten Segments anpassbar ausgebildet ist. Dadurch ist das System besonders komfortabel ausgebildet.In an advantageous development it is provided that there is a first openable and closable holder on the first segment for fastening the first segment to the thigh, the first holder preferably comprising a fixed part and a part that is movable relative to it, the movable part being designed to be particularly flexible , wherein the first holder is preferably designed to be adjustable in its position on the first segment in relation to the longitudinal extent of the first segment. This makes the system particularly convenient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine zweite öffenbare und verschließbare Halterung am zweiten Segment zur Befestigung des zweiten Segments am Unterschenkel besteht, wobei die zweite Halterung bevorzugt einen festen Teil und einen gegenüber diesem beweglichen Teil umfasst, wobei der bewegliche Teil insbesondere flexibel ausgebildet ist, wobei die zweite Halterung vorzugsweise am zweiten Segment in ihrer Lage in Bezug auf die Längserstreckung des zweiten Segments anpassbar ausgebildet ist. Dadurch ist das System besonders komfortabel ausgebildet.In an advantageous development it is provided that there is a second openable and closable holder on the second segment for fastening the second segment on the lower leg, the second holder preferably comprising a fixed part and a part that is movable relative to it, the movable part being designed to be particularly flexible , wherein the second holder is preferably designed to be adjustable in its position on the second segment in relation to the longitudinal extent of the second segment. This makes the system particularly convenient.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine dritte öffenbare und verschließbare Halterung am dritten Segment zur Befestigung des dritten Segments am Fuß besteht, wobei die dritte Halterung bevorzugt einen festen Teil und einen gegenüber diesem beweglichen Teil umfasst, wobei der bewegliche Teil insbesondere flexibel ausgebildet ist, wobei vorzugsweise Öffnungs- und Schließmittel für die dritte Halterung bestehen, die am ersten oder zweiten Segment angeordnet sind. Dadurch ist das System besonders komfortabel ausgebildet. Die Öffnungs- und Schließmittel könnten beispielsweise eine BOA® RevoFit 2™ umfassen, die dahingehend abgewandelt wurde, dass eine Fernbedienung mit einer Leine möglich ist.In an advantageous development, it is provided that there is a third openable and closable holder on the third segment for fastening the third segment to the foot, the third holder preferably comprising a fixed part and a part that is movable relative to it, the movable part being designed to be particularly flexible , wherein there are preferably opening and closing means for the third holder, which are arranged on the first or second segment. This makes the system particularly convenient. The opening and closing means could, for example, include a BOA® RevoFit 2™, which has been modified to allow remote control with a leash.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das dritte Segment einen durch Dorsalextension aufladbaren Energiespeicher aufweist, der eingerichtet ist, die gespeicherte Energie bei einer Plantarflexion freizusetzen, wobei der Energiespeicher bevorzugt eine Druckfeder aufweist, die insbesondere im Energiespeicher austauschbar angeordnet ist. Dann kann die Sprunggelenksbewegung passiv unterstützt werden. Es hat sich in Untersuchungen gezeigt, dass eine aktive Unterstützung durch einen Motor oder dgl. für die Bewegung des Sprunggelenks bei Senioren nicht notwendig ist, sondern dass eine passive Unterstützung völlig ausreicht. Dadurch, dass bevorzugt durch das System keine aktive Unterstützung der Bewegung des Sprunggelenks erfolgt, kann das System wesentlich kompakter und leichter gestaltet werden.In an advantageous development, it is provided that the third segment has an energy store that can be charged by dorsiflexion and is set up to release the stored energy during plantar flexion, the energy store preferably having a compression spring, which is arranged in particular in the energy store in an exchangeable manner. The ankle joint movement can then be passively supported. Studies have shown that active support from a motor or the like is not necessary for the movement of the ankle joint in seniors, but that passive support is completely sufficient. Because the system preferably does not actively support the movement of the ankle joint, the system can be made significantly more compact and lighter.
Selbständiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwinden von Treppen mit einem exoskelettalen Bewegungsunterstützungssystem mit zumindest zwei Segmenten, wobei ein erstes Segment, das eine erste Längserstreckung aufweist, an einem Oberschenkel eines Benutzers angeordnet wird, und ein zweites Segment, das eine zweite Längserstreckung aufweist, an einem mit dem Oberschenkel direkt über ein Knie verbundenen Unterschenkel des Benutzers angeordnet wird, wobei ein Aktor besteht und zwischen dem ersten Segment und dem zweiten Segment eine Wirkverbindung dahingehend besteht, dass eine Betätigung des Aktors, eine Verschwenkung des zweiten Segments gegenüber dem ersten Segment bewirkt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass an dem ersten Segment ein erster Lagesensor und an dem zweiten Segment ein zweiter Lagesensor angeordnet sind, wobei der erste Lagesensor eingerichtet ist, die Ausrichtung der ersten Längserstreckung im Raum zu ermitteln, und wobei der zweite Lagesensor eingerichtet ist, die Ausrichtung der zweiten Längserstreckung im Raum zu ermitteln, wobei die Bewegung des Benutzers in Abhängigkeit der von den Lagesensoren registrierten Lage der Segmente unterstützt wird.Independent protection is claimed for the method according to the invention for climbing stairs with an exoskeletal movement support system with at least two segments, a first segment having a first longitudinal extent being arranged on a thigh of a user, and a second segment having a second longitudinal extent , is arranged on a lower leg of the user that is connected to the thigh directly via a knee, with an actuator and an operative connection between the first segment and the second segment in such a way that an actuation of the actuator, a pivoting of the second segment relative to the first segment caused, which is characterized in that a first position sensor is arranged on the first segment and a second position sensor is arranged on the second segment, the first position sensor being set up to determine the orientation of the first longitudinal extent in space, and the second position sensor being set up to determine the orientation of the second longitudinal extension in space, whereby the user's movement is supported depending on the position of the segments registered by the position sensors.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße System verwendet wird.In an advantageous development it is provided that the system according to the invention is used.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Bewegung des Benutzers in Abhängigkeit der von dem Kraftsensor registrierten Kraft, die durch den Untergrund auf das dritte Segment einwirkt, unterstützt wird. Durch den Kraftsensor kann eine Unterscheidung der Bewegungsphasen beim Treppenüberwinden sehr gut erfolgen und die Unterstützung entsprechend angepasst werden.In an advantageous development, it is provided that the user's movement is supported depending on the force registered by the force sensor, which acts on the third segment through the ground. The force sensor can be used to differentiate between the movement phases Climbing stairs should be done very well and the support should be adjusted accordingly.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Unterstützung der Bewegung nur erfolgt, wenn auf den Kraftsensor eine Kraft durch den Untergrund einwirkt. Dadurch wird verhindert, dass die Beinstreckung über das Kniegelenk unterstützt wird, wenn der entsprechende Fuß noch nicht auf dem Boden aufgesetzt ist.In an advantageous development it is provided that the movement is only supported when a force from the ground acts on the force sensor. This prevents leg extension from being supported via the knee joint if the corresponding foot is not yet placed on the floor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei einer Neutral-Null-Stellung des Benutzers die gemessenen Werte zumindest eines der Lagesensoren und/oder des Kraftsensors als Nullpunkte verwendet werden. Dadurch kann eine Eichung im Rahmen einer Nullpunktfestlegung auf eine Normalausrichtung des Benutzers erfolgen.In an advantageous development, it is provided that when the user is in a neutral-zero position, the measured values of at least one of the position sensors and/or the force sensor are used as zero points. This allows calibration to be carried out as part of a zero point determination for a normal alignment of the user.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch Auswertung der Messung zumindest eines Lagesensors und/oder des Kraftsensors ermittelt wird, ob ein Treppaufsteigen oder ein Treppabsteigen erfolgt, wobei bevorzugt ermittelt wird, in welcher Phase des Treppaufsteigens oder des Treppabsteigens sich der Benutzer gerade befindet, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Unterstützung in Abhängigkeit vom Treppaufsteigen und Treppabsteigen und vorzugsweise von der jeweils ermittelten Phase erfolgt. Dadurch kann die Unterstützung sehr gezielt erfolgen. Ein Treppaufsteigen kann beispielsweise daran erkannt werden, dass ein Aufsetzen des Fußes bei gleichzeitig hoher Flexion und großer Extensionsgeschwindigkeit erfolgt. Ein Treppabsteigen kann beispielsweise daran erkannt werden, dass ein niedriger Flexionswinkel bei hoher Flexionsbewegung vorliegt.In an advantageous development, it is provided that by evaluating the measurement of at least one position sensor and/or the force sensor, it is determined whether climbing up or down stairs is taking place, preferably determining which phase of climbing up or down stairs the user is currently in, In particular, it is provided that the support is provided depending on the ascent and descent of stairs and preferably on the phase determined in each case. This means that support can be very targeted. Climbing stairs can be recognized, for example, by the fact that the foot is touched down while at the same time being in high flexion and at a high extension speed. For example, descending stairs can be recognized by the fact that there is a low flexion angle with a high flexion movement.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch einen Vergleich der zugeführten Kraft mit der tatsächlich wirkenden Kraft an der Seilzugverbindung der individuelle Unterstützungsbedarf festgestellt wird. Dadurch ist das Verfahren besonders effektiv und zugleich an persönliche Bedürfnisse des Benutzers anpassbar, wobei die Unterstützung nur so zugeführt wird, dass der Benutzer dennoch seine natürlicherweise vorhandene Kraft verwendet. Wenn die Kraft an der Seilzugverbindung, die durch den Zugkraftsensor bestimmbar ist, geringer ist als die durch das System zugeführte Kraft, dann weist der Benutzer noch eine ausreichende eigene Kraft auf und die unterstützende Kraft kann reduziert werden, bis die zugeführte Kraft der gemessenen Kraft am Zugkraftsensor entspricht.In an advantageous development, it is provided that the individual need for support is determined by comparing the force supplied with the force actually acting on the cable connection. This makes the method particularly effective and at the same time adaptable to the user's personal needs, with the support only being provided in such a way that the user still uses his or her naturally existing strength. If the force on the cable connection, which can be determined by the tensile force sensor, is less than the force supplied by the system, then the user still has sufficient own force and the supporting force can be reduced until the supplied force matches the measured force Tension force sensor corresponds.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass durch Vergleich einer Referenzbewegung mit der tatsächlich erfolgenden Bewegung der individuelle Unterstützungsbedarf festgestellt und bevorzugt nachgeregelt wird. Dadurch kann die Unterstützung sehr einfach an die persönlichen Bedürfnisse des Benutzers in Abhängigkeit von dem tatsächlich durch den Benutzer ohne Unterstützung möglichen Bewegungsablauf angepasst werden.In an advantageous development it is provided that the individual need for support is determined and preferably readjusted by comparing a reference movement with the movement that actually occurs. This means that the support can be very easily adapted to the personal needs of the user depending on the movement sequence that is actually possible for the user without support.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Admittanzregelung, bevorzugt mit Schwerkraftkompensation umgesetzt wird. Dabei wird bevorzugt vorgegeben, dass die Bewegung des Systems der Bewegung des Beines des Benutzers nach einer virtuellen Feder-Masse-Dämpfer-Interaktion folgt, wodurch die Unterstützung sehr einfach an die persönlichen Bedürfnisse des Benutzers in Abhängigkeit anpassbar ist.In an advantageous development it is provided that admittance control is implemented, preferably with gravity compensation. It is preferably specified that the movement of the system follows the movement of the user's leg after a virtual spring-mass-damper interaction, whereby the support can be very easily adapted to the personal needs of the user.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest einer der nachfolgenden Schritte durchgeführt wird:
- - aus einer Referenzbewegung wird eine Ausgangs-Sollwerttrajektorie ermittelt und der Kraftverlauf für die Unterstützung so vorgegeben, dass die Ausgangs-Sollwerttrajektorie erreicht wird, (dadurch wird die Unterstützung in erster Näherung für den Benutzer in ausreichender Höhe erfolgen)
- - es wird ein Bewegungsmodell des Benutzers, bevorzugt des entsprechenden Beines des Benutzers ermittelt, wozu vorzugsweise ein Vergleich der zugeführten Kraft mit der tatsächlich wirkenden Kraft an der Seilzugverbindung und/oder ein Vergleich der Referenzbewegung mit der tatsächlich erfolgenden Bewegung vorgenommen wird, (dadurch können die tatsächlichen Bedürfnisse des jeweiligen Benutzers genau ermittelt werden)
- - aus dem Bewegungsmodell des Benutzers wird eine angepasste Sollwerttrajektorie ermittelt und der Kraftverlauf für die Unterstützung so vorgegeben, dass die angepasste Sollwerttrajektorie erreicht wird, (dadurch kann eine exakte Anpassung der Unterstützung an die tatsächlichen Bedürfnisse des Benutzers erfolgen)
- - der Kraftverlauf und/oder das dem Kraftverlauf zugrundeliegende Stellsignal eines Reglers wird mit einer Sicherheitsheuristik bezüglich der biomechanischen Sicherheit bewertet und bei Überschreiten eines kritischen Wertes die Ausgangs-Sollwerttrajektorie verwendet und der Kraftverlauf für die Unterstützung so vorgegeben, dass die Ausgangs-Sollwerttrajektorie erreicht wird. (Dadurch ist die Unterstützungsgabe besonders sicher)
- - an initial setpoint trajectory is determined from a reference movement and the force curve for the support is specified so that the initial setpoint trajectory is achieved (as a first approximation, the support will be at a sufficient height for the user)
- - A movement model of the user, preferably of the corresponding leg of the user, is determined, for which purpose a comparison of the supplied force with the force actually acting on the cable connection and/or a comparison of the reference movement with the movement actually occurring is preferably carried out (this allows the the actual needs of the respective user can be determined precisely)
- - an adapted target value trajectory is determined from the user's movement model and the force curve for the support is specified so that the adapted target value trajectory is achieved (this allows the support to be precisely adapted to the user's actual needs)
- - the force curve and/or the control signal of a controller on which the force curve is based is evaluated with a safety heuristic regarding biomechanical safety and, if a critical value is exceeded, the output setpoint trajectory is used and the force curve for the support is specified in such a way that the output setpoint trajectory is achieved. (This makes the support particularly safe)
Die Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigen rein schematisch:
-
1 das erfindungsgemäße System in Verbindung mit einem Benutzer in einer Frontansicht, -
2 das System nach 1 in einer Rückansicht, -
3 das System nach 1 in einer Seitenansicht, -
4 ein Teil des Systems nach1 in einer perspektivischen Ansicht ohne Benutzer und -
5 der Teil nach4 in einer Blockbilddarstellung der Funktionsstruktur.
-
1 the system according to the invention in connection with a user in a front view, -
2 thesystem 1 in a rear view, -
3 thesystem 1 in a side view, -
4 part of thesystem 1 in a perspective view without users and -
5 the part after4 in a block diagram representation of the functional structure.
In den
Es ist zu erkennen, dass das exoskelettale Bewegungsunterstützungssystem 10 an den Beinen 12, 12' eines Benutzers 14 angeordnet ist, wobei es sich um zwei Teile 16, 16' handelt, die prinzipiell identisch, aber spiegelverkehrt aufgebaut sind. Daher wird im Folgenden nur ein Teil 16 des Systems 10 beschrieben werden, wobei das dargestellte identisch auch für den anderen Teil 16' gilt.It can be seen that the exoskeletal
Jedes Teil 16, 16' besteht, wie am besten in
Das erste Segment 18 weist eine Oberschenkelschiene 24 auf, die mit einer ersten Halterung 26 an dem Oberschenkel 28 des Beines 12 des Benutzers 14 angeordnet werden kann. Mit der ersten Halterung 26 fest verbunden ist eine Antriebseinheit 30, die neben dem eigentlichen Aktor (bevorzugt einem Elektromotor) noch eine Energieversorgung in Form eines elektrischen Akkumulators, eine Auswertungs- und Steuerungsvorrichtung und einen Brems-Chopper aufweist (alles nicht gezeigt).The
Die erste Halterung 26 kann zusammen mit der Antriebseinheit 30 entlang der Oberschenkelschiene 24 verschoben werden, so dass für jede Beingeometrie die optimale Einstellung gefunden werden kann. Zum schnellen Befestigen und Lösen der ersten Halterung 26 weist diese einen flexiblen Teil 32 mit zwei elastischen Gurten 34 auf, die mit Verschlüssen (bspw. Magnetverschlüssen) an einem festen Teil 36 gehalten werden. Die Gurte 34 in ihrer Länge einstellbar und durch eine nachgiebige Platte 38 (vgl.
An der Oberschenkelschiene 24 ist weiterhin ein Ausleger 40 fest angeordnet, der aus drei Stangen 42a, 42b, 42c besteht, wie am besten in
Zwischen dem ersten Segment 18 und dem zweiten Segment 20 besteht eine erste Gelenkverbindung 48, die als Rotationsverbindung nur einen Freiheitsgrad aufweist und das Kniegelenk 50 des Benutzers 14 nachbildet. Dabei wird das Teil 16 so justiert, dass sich die erste Gelenkverbindung 48 vertikal auf Höhe des Kniegelenks 50 befindet.Between the
Das zweite Segment 20 weist eine teleskopierbare Unterschenkelschiene 52 auf, die einen ersten Teil 52a und einen zweiten Teil 52b umfasst. Die Teleskopierfunktion kann über eine Knebelschraube 54 gelöst bzw. fixiert werden.The second segment 20 has a telescopic
An dem ersten Teil 52a der Unterschenkelschiene 52 ist die zweite Halterung 56 fest angeordnet, wobei auch diese zweite Halterung 56 wiederum einen festen Teil 58 und einen flexiblen Teil 60 mit elastischen Gurten 62 aufweist. An dem festen Teil 58 ist auch der Angriffspunkt (nicht gezeigt) für das Seil 46 angeordnet, wobei der Seilverlauf und dessen Angriffspunkt aus Sicherheitsgründen unter einer Abdeckung 64 verborgen ist. Dabei ist einer der Gurte 62 horizontal ausgerichtet und der andere verläuft diagonal vom horizontalen Band nach unten innen, um eine großflächige Anbindung am höchsten Punkt der Wade zu erzielen.The
Zwischen dem zweiten Segment 20 und dem dritten Segment 22 befindet sich eine zweite Gelenkverbindung 66, die an einer Fußschiene 68 mittels einer fixierbaren 70 Langlochführung in ihrer vertikalen Höhe einstellbar ist. Diese zweite Gelenkverbindung 68 ist als Rotationsverbindung ebenfalls mit nur einem Freiheitsgrad ausgebildet und bildet das Sprunggelenk 71 nach. Über die Langlochführung wird somit die vertikale Lage der zweiten Gelenkverbindung 68 so eingestellt, dass sie auf Höhe des Sprunggelenks 71 liegt.Between the second segment 20 and the
An der Fußschiene 68 ist eine Sohle 72 angeordnet, an der sich eine dritte Halterung 74 befindet, in die der Fuß 76 des Benutzers 14 hineinschlüpfen kann. Diese dritte Halterung 74 umfasst wiederum ein elastisches Gurtband 76, das öffenbar ausgestaltet ist (nicht gezeigt). Hierzu ist an der Halterung ein BOA® RevoFit 2™-Verschluss angeordnet, der dahingehend abgewandelt wurde, dass eine Fernbedienung mit einer Leine möglich ist. Diese Leine endet an der ersten Halterung 26 oder der zweiten Halterung 56, so dass sie vom Benutzer 14 leicht ergriffen und bedient werden kann. Ggf. könnte auch noch eine horizontale Verstellbarkeit, beispielsweise Teleskopierbarkeit der Sohle 72 gegenüber der Fußschiene 68 bestehen, um eine Anpassung an verschiedene Fußgrößen vernehmen zu können.A sole 72 is arranged on the
Die Fußsohle 72 ist aus einem festen, aber biegbaren Material ausgebildet, um Abrollbewegungen des Fußes 76 als auch seitliche Bewegungen in der Frontalebene zu ermöglichen.The sole of the
An dem zweiten Teil 52b befindet sich ein Energiespeicher 78 mit einer Druckfeder (nicht gezeigt), wobei die Druckfeder im Energiespeicher 78 einen ersten Fixpunkt hat und an dem dritten Segment 22 einen zweiten Fixpunkt besitzt. Dadurch kann der Energiespeicher 78 durch eine Dorsalextension mit Energie aufgeladen werden und die gespeicherte Energie bei einer Plantarflexion wieder freisetzen. Diese Druckfeder kann im Energiespeicher 78 austauschbar angeordnet sein, so dass der Energiespeicher an verschiedene Benutzer 14 angepasst werden kann.On the second part 52b there is an
Schließlich weist das erste Segment 18 einen ersten Lagesensor (beispielsweise an dem festen Teil 36 der ersten Halterung 26 angeordnet, nicht gezeigt) auf, der mit der Auswertungs- und Steuerungseinheit verbunden ist, das zweite Segment 20 weist einen zweiten Lagesensor (beispielsweise an dem festen Teil 58 der ersten Halterung 56 angeordnet, nicht gezeigt) auf, der mit der Auswertungs- und Steuerungseinheit verbunden ist, und an dem dritten Segment sind neben einem dritten Lagesensor (beispielsweise an der Langlochführung angeordnet, nicht gezeigt) noch vier Kraftsensoren (beispielsweise an der Sohle 72 angeordnet, nicht gezeigt) angeordnet, die ebenfalls mit der Auswertungs- und Steuerungseinheit verbunden ist.Finally, the
Die beiden Lagesensoren sind bevorzugt als gyroskopische Beschleunigungssensoren ausgebildet und die Kraftsensoren sind bevorzugt als Drucksensor ausgebildet. Mit Hilfe des ersten Lagesensors kann die Ausrichtung der Längserstreckung der Oberschenkelschiene 24 im Raum ermittelt werden. Mit Hilfe des zweiten Lagesensors kann die Ausrichtung der Längserstreckung der Unterschenkelschiene 52 im Raum ermittelt werden. Mit Hilfe der Kraftsensoren kann ermittelt werden, ob der Benutzer 14 mit seinem Fuß 76 auf einer Treppenstufe (nicht gezeigt) steht.The two position sensors are preferably designed as gyroscopic acceleration sensors and the force sensors are preferably designed as pressure sensors. With the help of the first position sensor, the orientation of the longitudinal extent of the
Weiterhin besteht ein Zugkraftsensor (nicht gezeigt) zwischen dem Seil 46 und dessen Angriffspunkt an dem zweiten Segment 20 angeordnet ist und der ebenfalls mit der Auswertungs- und Steuerungseinheit verbunden ist. Über diesen Zugkraftsensor kann eine Rückkopplung des Drehmoments im Knie erfolgen (Admittanzregelung). Bevorzugt wird auch der Motorstrom gemessen, um damit weitere Informationen zu gewinnen.Furthermore, there is a tensile force sensor (not shown) between the
Es ist zu erkennen, dass es sich um unilaterales rigides System 16 handelt, d.h. an jedem Bein eine einseitige Anbindung vorliegt, die bis auf die Gelenkverbindungen 48, 66 steif ausgebildet ist, um dadurch den Benutzer optimal unterstützen zu können, wobei ihm durch die flexibel ausgebildete Sohle 72 gewisse Freiheitsgrade beim Abrollen des Fußes 76 gegeben werden. Auch durch die flexiblen Teile 32, 60 wird der Anwendungskomfort für den Benutzer 14 bedeutend erhöht.It can be seen that it is a unilateral
An den Stellen der taktilen Interaktion zwischen System 10 und Benutzer 14 wurde ein biokompatibler Moosgummi aus EPDM verwendet. Alle verwendeten Gurte 34, 62 bestehen aus Polypropylen, sind 38 mm breit sowie 1,4 mm dick und haben eine maximale Bruchlast von 306 kg. Alle drei Halterungen 26, 56, 74 sind verstellbar, um einerseits die individuelle Anthropometrie zu berücksichtigen und andererseits dem Benutzer 14 die Möglichkeit zu geben, die Halterungen 26, 56, 74 zur Erhöhung des Komforts selbst zu platzieren.A biocompatible foam rubber made of EPDM was used at the points of tactile interaction between
Das System 10 ist so eingerichtet, dass der Bewegungsumfang (ROM) für die Knieflexion 113° beträgt und für die Knieextension 0° mit einstellbarem Anschlag beträgt. Durch die nachgiebige Sohle 72 können Plantarflexionswinkel von 40° sowie eine Dorsalextension von 39° erreicht werden.The
Das System 10 ist dabei speziell für die Personengruppe der Senioren vorgesehen, könnte aber natürlich auch an andere Benutzer angepasst werden. Der Benutzer 14 sollte ein maximales Körpergewicht von 100 kg aufweisen. Er sollte einen gesunden, vollständigen und intakten unteren Bewegungsapparat besitzen, um mobil zu sein. Aufgrund der altersbedingten natürlichen Abnahme der Muskelkraft kann der Benutzer 14 Probleme bei der selbstständigen und hilfsmittelfreien Überwindung von Treppen haben, wobei ihn das System 10 nun unterstützen kann.The
Das System 10 muss dazu vor dem bestimmungsgemäßen Gebrauch vor einem Treppenlauf am Körper des Benutzers 14 fixiert werden, wobei eine erstmalige Einrichtung erfolgt und anschließend das System 10 einfach unter Verwendung der drei Halterungen 26, 56, 74 an- und abgelegt wird.For this purpose, the
Das System 10 wird dadurch erstmalig am Benutzer 14 angelegt, dass jedes Teil 16, 16' nacheinander an dem jeweiligen Bein 12, 12' des Benutzers einjustiert und befestigt wird.The
Dazu wird zuerst der Fuß 76 auf die Sohle 72 gestellt und die Langlochführung so eingestellt und anschließend fixiert, dass sich die zweite Gelenkverbindung 68 auf Höhe des Sprunggelenks 71 befindet. Dann wird das dritte Segment 22 mit der dritten Halterung 74 am Fuß 76 fixiert. Ggf. wird noch die für das Gewicht des Benutzers 14 passende Druckfeder in den Energiespeicher 78 eingesetzt.To do this, the
Anschließend wird die Knebelschraube 54 gelöst und der zweite Teil 52b der Unterschenkelschiene 52 soweit gegenüber dem ersten Teil 52a der Unterschenkelschiene 52 verschoben, dass sich die erste Gelenkverbindung 48 auf Höhe des Kniegelenks 50 des Benutzers 14 befindet und die Knebelschraube 54 wird wieder festgezogen und damit die Unterschenkelschiene 52 fixiert. Anschließend wird die zweite Halterung 54 fest angezogen und damit das zweite Segment 20 am Unterschenkel des Benutzers 14 fixiert.The
Schließlich wird die erste Halterung 26 mit der Antriebseinheit 30 so gegenüber der Oberschenkelschiene 24 verschoben, dass sie möglichst nah am Schritt des Benutzers 14 sitzt ohne den Benutzer 14 zu behindern. Die erste Halterung 26 ist über mehrere Schrauben (nicht gezeigt) mit der Schiene 24 verbunden. Es ist aber auch denkbar, hier eine Knebelschraube einzusetzen, die gelöst bzw. fixiert werden kann, um eine stufen-lose Verschiebung der ersten Halterung 26 mit der Antriebseinheit 30 gegenüber der Oberschenkelschiene 24 zu ermöglichen. Die Länge des Bowdenzuges 44 kann mit zwei Stellschrauben (nicht gezeigt), welche an Schiene 42c bzw. an dem festen Teil 36 der ersten Halterung 26 angebracht sind, angepasst werden. Abschließend wird die erste Halterung 26 und damit das erste Segment 18 am Oberschenkel des Benutzers 14 fixiert und damit ist das System 10 einsatzbereit.Finally, the
Nach dem sicheren Anlegen des Systems 10 stellt sich der Benutzer 14 in eine sogenannte Neutral-Null-Stellung (vgl. Salis-Soglio, Georg Freiherr von: „Die Neutral-0-Methode“, Berlin, Heidelberg, Springer, 2015) und nimmt durch Druck auf einen Initialisierungsknopf (nicht gezeigt) eine Kalibrierung aller Sensoren vor.After the
Anschließend kann der Benutzer 14 selbstständig die Bewegung des Treppenaufstiegs oder Treppenabstiegs initialisieren. Der Treppenlauf ist dann durch stufenweises Steigen bzw. Absteigen zu überwinden.The
Nach dem bestimmungsgemäßen Gebrauch sind die drei Halterungen 26, 54, 74 zu lösen und das System 10 vom Benutzer 14 zu trennen. Die Anwendungsdauer für einen Unterstützungsvorgang mit einem angelegten System 10 soll möglichst weniger als 60 Minuten betragen. Das System 10 unterstützt den Benutzer 14 bei der Ausführung der Bewegungsaufgabe durch Bereitstellung von zusätzlichen Kraftvektoren, die durch das System 10 auf den Benutzer 14 einwirken. Dabei ist das System 10 so ausgelegt, dass mindestens 30 Auf- und Abstiege von Treppenläufen möglich sind, die aus bis zu 13 Stufen bestehen, ohne dem System 10 zwischenzeitlich elektrische Energie zuführen zu müssen.After intended use, the three
Optimalerweise wird das System 10 mit Treppen innerhalb von Gebäuden genutzt, die nach DIN 18065 genormt sind. Diese sollten frei von Unfallgefahren, wie beispielsweise abgestellten Gegenständen, sein. Eine Nutzung außerhalb von Gebäuden und an nicht genormten Treppen sollte möglichst nicht erfolgen. Das System 10 ist außerdem nicht für die Unterstützung von anderen Bewegungen, außer dem Treppenauf- und -abstieg im stufenweisen Steigen, bestimmt.
Während der Benutzung des Systems 10 wirkt die aktiv erzeugte Kraft zur Unterstützung der Treppenüberwindung zwischen erstem Segment 18 und zweitem Segment 20 anterior bezüglich des menschlichen Kniegelenks 50. Dabei kommt ein konventioneller Rotationsantrieb zum Einsatz, wobei zwischen Antrieb und Energiequelle der Brems-Chopper verwendet wird. Die Ansteuerung des Motors erfolgt über einen Servocontroller in Kombination mit einem Arduino® Mega 2560. Die Kraft auf das Seil 46 im Bowdenzug 44 wird zu jedem Zeitpunkt durch den Zugkraftsensor gemessen. Der Bowdenzug 44 hat zu jedem Zeitpunkt einen festen Abstand zur Patella des Knies 50, wodurch der Kraftvektor unabhängig vom Kniewinkel ist. Die Kraft überträgt ein externes Moment durch die rigide Struktur des System 10 auf den Bewegungsapparat, um so die Knieextension zu unterstützen.During use of the
Diese externe Kraft wird allerdings nur dann aktiv, wenn sich der Benutzer 14 mit dem entsprechenden Teil 16, 16' des Systems 10 in der Standphase befindet, was durch die vier in der Sohle 72 integrierten Drucksensoren detektiert wird. Die zusätzlich an den drei Segmenten 18, 20, 22 angebrachten Lagesensoren (inertiale Messeinheiten) ermöglichen die Ermittlung der Gelenkwinkelstellungen während des Betriebes, wodurch Auf- und Abstieg sowie dessen Phasen voneinander unterschieden werden können.However, this external force only becomes active when the
Zur Unterstützung der Bewegung beim Treppenüberwinden werden Referenztrajektorien (Ausgangs-Sollwerttrajektorie) angesetzt, die sich für den Treppenauf- und den Treppenabstieg unterscheiden. Genauer gesagt sind diese Referenztrajektorien für einen durchschnittlichen Senior mit einem durchschnittlichen Gewicht und Körperbau einschließlich einer durchschnittlichen Schrittlänge bestimmt, um damit eine durchschnittliche Treppe zu überwinden, wobei die am Zugseil angelegte Kraft in Abhängigkeit von der aktuellen Bewegungsphase des jeweiligen Beines festzulegen. Diese Referenztrajektorie wird immer dann verwendet, wenn keine genaueren Daten für den jeweiligen Benutzer vorliegen oder im Rahmen einer Risikoabwägung festgestellt wird, dass eine Änderung der entsprechenden Kraftverläufe für den Benutzer gefährlich werden könnte.To support the movement when climbing stairs, reference trajectories (initial setpoint trajectory) are used, which differ for going up and down stairs. More specifically, these reference trajectories are for an average senior with an average weight and build including an average step length, in order to overcome an average staircase, with the force applied to the pull rope being determined depending on the current phase of movement of the respective leg. This reference trajectory is always used when no more precise data is available for the respective user or when it is determined as part of a risk assessment that a change in the corresponding force curves could be dangerous for the user.
Im Laufe einer fortwährenden Benutzung des Systems durch einen bestimmten Benutzer wird aus der Referenztrajektorie eine immer genauere individuelle Sollwerttrajektorie (angepasste Sollwerttrajektorie) ermittelt und der Kraftverlauf entsprechend eingestellt, so dass diese angepasste Sollwerttrajektorie erreicht wird. Dazu werden die dem jeweiligen Bein zugeführten Kräfte mit den tatsächlich an der Seilzugverbindung wirkenden Kraft verglichen und es wird die Referenzbewegung mit der tatsächlich erfolgenden Bewegung verglichen. In diesem Zusammenhang kommt auch die Admitanzregelung zum Einsatz. Im Rahmen der angepassten Sollwerttrajektorie erfolgt dadurch eine Berücksichtigung der noch vorhandenen Fitness und Leistungsfähigkeit des Benutzers, so diesem immer nur soviel Kraft zur Unterstützung bereitgestellt wird, wie er tatsächlich benötigt. Seine noch vorhandenen Kräfte werden somit nicht überspielt, sondern weiterverwendet, so dass sukzessive eine merkliche Verbesserung seiner Leistungsfähigkeit eintreten kann, also die zugeführte Unterstützung immer weiter reduziert werden kann.In the course of continued use of the system by a specific user, an increasingly precise individual setpoint trajectory (adapted setpoint trajectory) is determined from the reference trajectory and the force curve is adjusted accordingly so that this adjusted setpoint trajectory is achieved. For this purpose, the forces supplied to the respective leg are compared with the force actually acting on the cable connection and the reference movement is compared with the movement that actually occurs. The admittance regulation is also used in this context. As part of the adjusted setpoint trajectory, the user's remaining fitness and performance are taken into account, so that the user is only ever provided with as much power to support him as he actually needs. The strength he still has is not overplayed, but rather continues to be used, so that a noticeable improvement in his performance can gradually occur, i.e. the support provided can be reduced further and further.
Im Rahmen der Trajektorien wird durch Überwachung mittels der Sensoren festgestellt, in welcher Phase der Treppenüberwindungsbewegung sich das jeweilige Bein aktuell befindet. Dabei wird beispielsweise durch die teilweise oder vollständige Belastung eines oder mehrerer Kraftsensoren ermittelt, dass das entsprechende Bein gerade auf einer Treppenstufe steht. Wenn zugleich keiner der Kraftsensoren des anderen Beines eine Belastung vermeldet, befindet sich das entsprechende Bein gerade in der vollständigen Standphase.As part of the trajectories, monitoring using the sensors determines which phase of the stair climbing movement the respective leg is currently in. For example, the partial or complete load on one or more force sensors determines that the corresponding leg is currently standing on a step. If none of the force sensors on the other leg report any load at the same time, the corresponding leg is currently in the complete stance phase.
Außerdem kann das System 10 auch selbständig unterscheiden, ob der Benutzer treppauf geht oder treppab. Auch dies erfolgt durch Auswertung der Messung der Lagesensoren und der Kraftsensoren. Das Treppaufsteigen kann dabei daran erkannt werden, dass ein Aufsetzen des Fußes bei gleichzeitig hoher Flexion und großer Extensionsgeschwindigkeit erfolgt. Ein Treppabsteigen kann daran erkannt werden, dass ein niedriger Flexionswinkel bei hoher Flexionsbewegung vorliegt.In addition, the
Für männliche und weibliche Senioren können unterschiedliche Referenztrajektorien verwendet werden. Außerdem können auch unterschiedliche Einstellungen des Systems 10 für unterschiedliche Senioren verwendet werden, die der jeweilige Senior selbst einstellen kann (beispielsweise könnten drei oder vier Personenschalter bestehen, wodurch ein Benutzer ähnlich der Sitzeinstellung in einem Kfz persönliche Vorgaben einstellt).Different reference trajectories can be used for male and female seniors. In addition, different settings of the
Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung eine Lösung geschaffen ist, die wirksame Verbesserungen bringt. Genauer gesagt bietet die erfindungsgemäße Lösung Senioren eine Unterstützung beim Treppenüberwinden. Dabei erfolgt die Unterstützung ohne große Gewichtsbelastung und zudem auch sehr komfortabel. Außerdem ist die Unterstützung an persönliche Bedürfnisse der Senioren anpassbar. Selbstverständlich lässt sich diese erfindungsgemäße Lösung mit Vorteil auch für Nichtsenioren einsetzen, wobei Senioren von ihr am meisten profitieren werden. Das erfindungsgemäße System 10 ist dabei auf die Treppenüberwindung optimiert und nur minimal aktuiert, wobei es leicht ist, einfach und intuitiv zu bedienen ist, sehr ergonomisch und energieeffizient ausgebildet ist. Es ist sehr schnell an- und ablegbar und funktioniert ohne Eingriff in die jeweilige Wohnstruktur des Benutzers 14.From the above illustration it is clear that the present invention creates a solution that brings effective improvements. More specifically, the solution according to the invention offers seniors support when climbing stairs. The support is provided without much weight and is also very comfortable. In addition, the support can be adapted to the personal needs of the seniors. Of course, this solution according to the invention can also be used with advantage for non-seniors, although seniors will benefit most from it. The
Alle in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele, den nachfolgenden Ansprüchen und in den Figuren dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. Diese Merkmale bzw. Merkmalskombinationen können jeweils eine selbständige Erfindung begründen, deren Inanspruchnahme sich ausdrücklich vorbehalten wird. Dabei müssen einzelne Merkmale aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels nicht zwingend mit ein oder mehreren oder allen anderen in der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels angegebenen Merkmale kombiniert werden, diesbezüglich ist jede Unterkombination ausdrücklich mit offenbart. Außerdem können gegenständliche Merkmale einer Vorrichtung, einer Einrichtung und/oder eines Systems umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale können umformuliert als gegenständliche Merkmale einer Vorrichtung, einer Einrichtung und/oder eines Systems Verwendung finden. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.All features shown in the general description of the invention, the description of the exemplary embodiments, the following claims and in the figures can be essential to the invention both individually and in any combination with one another. These features or combinations of features can each constitute an independent invention, the use of which is expressly reserved. Individual features from the description of an exemplary embodiment do not necessarily have to be combined with one or more or all of the other features specified in the description of this exemplary embodiment; in this regard, each subcombination is expressly disclosed. In addition, objective features of a device, a device and/or a system can also be used as process features when reformulated and process features can be used when reformulated as objective features of a device, a device and/or a system. Such a reformulation is therefore automatically disclosed.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen exoskelettalen Bewegungsunterstützungssystemspreferred embodiment of the exoskeletal movement support system according to the invention
- 12, 12'12, 12'
- Beinenlegs
- 1414
- Benutzersuser
- 16, 16'16, 16'
-
zwei Teile des Systems 10two parts of the
system 10 - 1818
- Oberschenkelsegment, erstes SegmentFemoral segment, first segment
- 2020
- Unterschenkelsegment, zweites SegmentLower leg segment, second segment
- 2222
- Fußsegment, drittes SegmentFoot segment, third segment
- 2424
- OberschenkelschieneThigh splint
- 2626
- erste Halterungfirst bracket
- 2828
- OberschenkelThigh
- 3030
- AntriebseinheitDrive unit
- 3232
-
flexibler Teil der ersten Halterung 26flexible part of the
first holder 26 - 3434
- elastische Gurteelastic straps
- 3636
-
fester Teil der ersten Halterung 26fixed part of the
first holder 26 - 3838
- nachgiebige Plattecompliant plate
- 4040
- Auslegerboom
- 42a, 42b, 42c42a, 42b, 42c
-
drei Stangen des Auslegers 40three
boom 40 rods - 4444
- BowdenzugBowden cable
- 4646
- SeilRope
- 4848
- erste Gelenkverbindung, Rotationsverbindungfirst articulated connection, rotational connection
- 5050
- Kniegelenk des Benutzers 14User's knee joint 14
- 5252
- teleskopierbare Unterschenkelschienetelescopic lower leg splint
- 52a52a
-
ersten Teil der teleskopierbaren Unterschenkelschiene 52first part of the telescopic
lower leg splint 52 - 52b52b
-
zweiter Teil der teleskopierbaren Unterschenkelschiene 52second part of the telescopic
lower leg splint 52 - 5454
- KnebelschraubeToggle screw
- 5656
- zweite Halterungsecond bracket
- 5858
-
fester Teil der zweiten Halterung 56fixed part of the
second holder 56 - 6060
-
flexibler Teil der zweiten Halterung 56flexible part of the
second holder 56 - 6262
- elastische Gurteelastic straps
- 6464
- Abdeckungcover
- 6666
- zweite Gelenkverbindung, Rotationsverbindungsecond articulated connection, rotational connection
- 6868
- FußschieneFoot splint
- 7070
- Fixierung der LanglochführungFixing the slotted hole guide
- 7171
- SprunggelenkAnkle joint
- 7272
- Sohlesole
- 7474
- dritte Halterungthird bracket
- 7676
-
Fuß des Benutzers 14User's
foot 14 - 7676
- elastisches Gurtbandelastic webbing
- 7878
- EnergiespeicherEnergy storage
- L1L1
-
Längserstreckung des ersten Segments 18Longitudinal extent of the
first segment 18 - L2L2
- Längserstreckung des zweiten Segments 20Longitudinal extent of the second segment 20
- L3L3
-
Längserstreckung des dritten Segments 22Longitudinal extent of the
third segment 22
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022114664.2A DE102022114664A1 (en) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | Exoskeletal motion support system for climbing stairs and method for climbing stairs |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022114664.2A DE102022114664A1 (en) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | Exoskeletal motion support system for climbing stairs and method for climbing stairs |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022114664A1 true DE102022114664A1 (en) | 2023-12-21 |
Family
ID=88974887
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022114664.2A Pending DE102022114664A1 (en) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | Exoskeletal motion support system for climbing stairs and method for climbing stairs |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102022114664A1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120078594A1 (en) | 2009-03-31 | 2012-03-29 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | System and method for observing a person's walking activity |
DE102016114075B3 (en) | 2016-07-29 | 2017-11-16 | Otto Bock Healthcare Products Gmbh | Orthopedic technical system and method for its control |
DE102021002999A1 (en) | 2021-06-14 | 2022-12-15 | Felix Carstens | Orthopedic device for generating forces dependent on the angle of movement |
-
2022
- 2022-06-10 DE DE102022114664.2A patent/DE102022114664A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120078594A1 (en) | 2009-03-31 | 2012-03-29 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | System and method for observing a person's walking activity |
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DE102021002999A1 (en) | 2021-06-14 | 2022-12-15 | Felix Carstens | Orthopedic device for generating forces dependent on the angle of movement |
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