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ERKLÄRUNG IN BEZUG AUF STAATLICH GEFÖRDERTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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Diese Erfindung wurde von der Regierung mit einem vom Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development verliehenen Stipendium 1R43HD080236-01; FAIN: R43HD080236 unterstützt. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil aus der am 6. April 2015 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 62/143 473 mit dem Titel "Exoskeleton Joint Actuation Device with Integral Safety Mechanism" und der am 17. Juli 2015 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 62/193 901 mit dem Titel "Exoskeleton Joint Actuation Device with Integral Safety Mechanism and Reduced Wear". Der gesamte Inhalt dieser Anmeldungen wird hier durch Verweis aufgenommen.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, welche die Kraft eines Trägers vergrößern und/oder dabei helfen, Verletzungen während des Ausführens bestimmter Bewegungen oder Aufgaben zu verhindern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Vorrichtungen, die für eine therapeutische Verwendung mit Patienten geeignet sind, welche eine beeinträchtigte neuromuskuläre/muskuläre Funktion der Gliedmaßen haben, oder Vorrichtungen, die für eine Verwendung durch Personen geeignet sind, welche schwere Werkzeuge verwenden oder gewichtstragende Aufgaben ausführen. Jede dieser Vorrichtungen weist einen Satz künstlicher Gliedmaßen auf, wobei die künstlichen Gliedmaßen von einem Steuersystem angeleitet durch Betätigungselemente bewegt werden können. Die Vorrichtungen erweitern die Funktion der Gliedmaßen eines Trägers für Aktivitäten, einschließlich des Gehens für eine behinderte Person, des Gewährleistens einer höheren Kraft und Ausdauer in den Armen des Trägers oder des Ermöglichens, dass vom Träger mehr Gewicht getragen wird, während er geht, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Tragbare Exoskelette wurden für medizinische, kommerzielle und militärische Anwendungen entwickelt. Medizinische Exoskelettvorrichtungen stellen eine geeignete Muskelfunktion für Patienten mit Störungen, welche die Muskelkontrolle beeinträchtigen, wieder her und rehabilitieren diese. Medizinische Exoskelettvorrichtungen haben Systeme motorisierter Stützen, welche Kräfte auf die Gliedmaßen eines Trägers ausüben können. In einer Rehabilitationsumgebung werden medizinische Exoskelette typischerweise von einem Physiotherapeuten gesteuert, der eines von mehreren möglichen Eingabemitteln für das Übergeben von Befehlen an ein Exoskelett-Steuersystem verwendet. Das Exoskelett-Steuersystem steuert wiederum die Position der motorisierten Stützen, was zur Ausübung von Kraft auf den Körper des Trägers und typischerweise zu einer Bewegung von diesem führt. Medizinische Exoskelette können auch außerhalb einer therapeutischen Umgebung verwendet werden, um einer behinderten Person eine verbesserte Beweglichkeit zu geben. Kommerzielle und militärische Exoskelette werden verwendet, um Lasten abzumildern, die von Arbeitern oder Soldaten während ihrer Arbeit oder anderer Aktivitäten getragen werden, um dadurch Verletzungen zu verhindern und das Durchhaltevermögen und die Kraft dieser Arbeiter oder Soldaten zu erhöhen. Werkzeuge haltende Exoskelette sind mit Werkzeughaltearmen versehen, die das Gewicht eines Werkzeugs tragen, wodurch eine Ermüdung des Benutzers verringert wird, indem eine Unterstützung beim Halten von Werkzeugen bereitgestellt wird. Jeder Werkzeughaltearm überträgt die für das Halten des Werkzeugs benötigte vertikale Kraft durch die Beine des Exoskeletts statt durch die Arme und den Körper des Trägers. Ähnlich übertragen gewichtstragende Exoskelette das Gewicht einer Exoskelettlast über die Beine des Exoskeletts statt über die Beine des Trägers. In manchen Fällen sind gewichtstragende Exoskelette dafür ausgelegt, eine spezifische Last in der Art eines schweren Rucksacks zu tragen. In anderen Fällen tragen militärische gewichtstragende Exoskelette das Gewicht von militärischer Ausrüstung. Kommerzielle und militärische Exoskelette können betätigte Gelenke aufweisen, welche die Kraft eines Trägers erhöhen, wobei diese betätigten Gelenke durch ein Exoskelett-Steuersystem gesteuert werden und der Benutzer jegliche von mehreren möglichen Eingabemitteln verwendet, um Befehle zum Exoskelett-Steuersystem zu übertragen.
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Bei angetriebenen Exoskeletten schreiben Exoskelett-Steuersysteme die Bewegungsbahnen in den Gelenken des Exoskeletts vor und steuern diese, was zur Bewegung des Exoskeletts führt. Diese Bewegungsbahnen können als positionsbasiert, kraftbasiert oder eine Kombination beider Methodologien vorgeschrieben werden, wie es bei Impedanzsteuereinrichtungen gesehen wird. Positionsbasierte Steuersysteme können direkt durch Modifikation der vorgeschriebenen Positionen modifiziert werden. Ähnlich können kraftbasierte Steuersysteme direkt durch Modifikation der vorgeschriebenen Kraftprofile modifiziert werden. Komplizierte Exoskelettbewegungen in der Art des Gehens bei einem medizinischen Geh-Exoskelett werden durch ein Exoskelett-Steuersystem durch die Verwendung einer Reihe von Exoskelett-Bewegungsbahnen vorgeschrieben, wobei zunehmend komplizierte Exoskelettbewegungen eine zunehmend komplizierte Reihe von Exoskelett-Bewegungsbahnen erfordern. Diese Reihe von Bewegungsbahnen kann zyklisch sein, wobei sie darin bestehen kann, dass das Exoskelett eine Reihe von Schritten mit jedem Bein ausführt, oder sie können diskret sein, wobei sie darin bestehen können, dass ein Exoskelett aus einer sitzenden Position in eine stehende Position aufsteht. Im Fall eines Geh-Exoskeletts ist es während einer Rehabilitationssitzung und/oder im Laufe der Rehabilitation für den Physiotherapeuten sehr vorteilhaft, wenn er die Möglichkeit hat, die vorgeschriebenen Positionen und/oder die vorgeschriebenen Kraftprofile abhängig von der bestimmten Physiologie oder Rehabilitationsstufe eines Patienten zu modifizieren. Weil Exoskelettträger unterschiedlich proportioniert sind, passen verschieden eingestellte oder eingerichtete angetriebene Exoskelette den jeweiligen Trägern etwas anders, wodurch es notwendig wird, dass das Exoskelett-Steuersystem diese Unterschiede der Trägerproportion, der Konfiguration/Einrichtung des Exoskeletts und des Sitzes des Exoskeletts am Träger, woraus sich Änderungen der vorgeschriebenen Exoskelett-Bewegungsbahnen ergeben, berücksichtigt.
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Wenngleich Exoskelett-Steuersysteme den Gelenken von Exoskeletten Bewegungsbahnen zuweisen und die Positionen dieser Gelenke steuern, werden die eigentlichen auf Exoskelettgelenke ausgeübten Kräfte durch Betätigungselemente ausgeübt. Diese Betätigungselemente können viele Formen annehmen, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, welche jeweils bei verschiedenen Anwendungen Vorteile und Nachteile aufweisen. Bei aktuellen Exoskeletten weist das Betätigungselement, das eine Kraft auf ein Gelenk ausübt, typischerweise einen Elektromotor auf, der sich in der Nähe dieses Gelenks befindet. Die Anordnung des Betätigungselements am Ort des Gelenks hat in Bezug auf die mechanische Einfachheit und die Einfachheit des Entwurfs Vorteile, dies hat jedoch auch bestimmte Nachteile. Unter diesen Nachteilen ist hervorzuheben, dass durch das Hinzufügen eines sperrigen Elektromotors zu einem Gelenk die Sperrigkeit des Gelenks erhöht wird, wodurch die Manövrierbarkeit des Gelenks und des Exoskeletts in bestimmten Umgebungen begrenzt wird. Verglichen damit sei ein menschlicher Finger betrachtet. Die Muskulatur, die eine Kraft auf die Gelenke des Fingers ausübt, befindet sich nicht in der Nähe der Gelenke des Fingers, sondern vielmehr im Unterarm, wobei eine muskuläre Kontraktion an Sehnen zieht, welche die Kraft über eine Entfernung auf die Gelenke übertragen. Dies hat den Vorteil, dass die Sperrigkeit der Finger minimiert wird, wodurch eine höhere Geschicklichkeit und eine engere Anordnung der Finger zueinander ermöglicht werden. Zusätzlich können sich im Arm mehr Muskeln befinden als an die Finger passen würden, wodurch mehr Kraft ermöglicht wird. Eine mechanische Betätigungsvorrichtung, die im
US-Patent 4 843 921 beschrieben ist, verwendet einen Antriebsmechanismus, wobei ein Elektromotor eine Kabelschleife verdrillt, wobei diese Kabelschleife eine helikale Struktur bildet und sich verkürzt, wenn sie verdrillt wird, wodurch bewirkt wird, dass die Länge der Kabelschleife verkürzt wird und die beiden Enden der Kabelschleife enger zueinander gezogen werden. Auf diese Weise wird die Aktivierung des Elektromotors verwendet, um eine Zugkraft über eine Entfernung durch die Kabelschleife auszuüben. Dies ermöglicht einen Entwurf, wobei der Motor, der die Bewegung eines Gelenks antreibt, an einer vom bewegten Gelenk fernen Position angeordnet wird.
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Es ist vorstellbar, dass ein ähnliches Motor-und-Schleifen-Antriebssystem verwendet werden könnte, um die größeren Gelenke eines menschlichen Exoskeletts in der Art des Knies eines menschlichen Exoskeletts anzutreiben. Ein Hauptvorteil dieses Entwurfs wäre ein kompaktes Exoskelettknie, wodurch die Sperrigkeit und das Gewicht des Knies verringert werden würden, wodurch ein in beengten Umgebungen besser manövrierbares Exoskelett, beispielsweise um in ein Fahrzeug einzusteigen und aus diesem auszusteigen, ermöglicht werden würde. Ein solcher Entwurf weist jedoch eine Anzahl von Nachteilen auf. Erstens ermöglichen die Mechanismen der meisten Roboter/Exoskelett-Betätigungselemente, dass das Betätigungselement eine Kraft in zwei Gelenkbewegungsrichtungen ausübt. Im Fall des Knies sind diese Bewegungsrichtungen eine Beugung und eine Streckung. Leider ist das Motor-und-Schleifen-Antriebssystem nur in der Lage, eine Zugbewegung zu bewirken, so dass eine Kraft auf ein Gelenk nur in einer Richtung ausgeübt wird. Wenngleich einige Ausführungsformen dieses Typs eines Betätigungselements Federn oder andere ähnliche Vorrichtungen verwenden könnten, um zu bewirken, dass ein Gelenk in eine Position zurückkehrt, wenn der Strom zum Motor unterbrochen wird, ist dies nicht für die Kräfte geeignet, die erforderlich sind, um die großen Gelenke eines menschlichen Exoskeletts und des Körpers eines Trägers zu bewegen. Zusätzlich kann selbst bei Kabeln mit einer hohen Zugstärke das Risiko eines Reißens auftreten, nachdem sie viele Male verdrillt und entdrillt wurden oder Belastungen durch einen Sturz oder Fehlschritt ausgesetzt waren. Ein Versagen des Kabels würde zu einer unkontrollierten Gelenkbewegung und zu einer inakzeptablen Möglichkeit einer Verletzung eines Exoskelettträgers führen. Im Fall medizinischer Exoskelette ist diese Verletzungssorge besonders wichtig, weil Träger Bedingungen ausgesetzt werden können, die nur zu einer geringen oder keiner Kontrolle über die Bewegung des Knies oder anderer Gelenke führen. Ferner fordern Regulierungseinrichtungen in der Art der Food and Drug Administration, dass medizinische Vorrichtungen Sicherheitsrichtlinien erfüllen. Sofern nicht die Risiken eines solchen Entwurfs adressiert werden, ist es unwahrscheinlich, dass er durch diese Behörden für den Gebrauch genehmigt wird.
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Auf der Grundlage des vorstehend Erwähnten sei bemerkt, dass auf dem Fachgebiet ein Bedarf an einem Exoskelett besteht, bei dem ein Betätigungselement einen Motor für das Verdrillen einer Kabelschleife verwendet, um eine Bewegung eines Exoskelettgelenks in einem Abstand vom Motor hervorzurufen, wobei das Gelenk bidirektionalen Bewegungen unterzogen wird und wobei eine Bewegung des Gelenks im Fall eines Reißens des Kabels unterbunden wird, wodurch eine Verletzung eines Trägers des Exoskeletts oder eine weitere Beschädigung des Exoskeletts verhindert wird. Es besteht auch ein nicht erfüllter Bedarf an einem Exoskelett, bei dem ein Gelenk bidirektionalen Bewegungen durch die Wirkung eines einzigen Motors unterzogen wird. Zusätzlich existiert ein nicht erfüllter Bedarf an einer Vorrichtung, welche die Position und Trennung der vom Betätigungselement verdrillten Kabelschleifenstränge steuert, wobei diese Vorrichtung so wirkt, dass die Kabelschleifenstränge bei jedem Verdrillungszyklus einer geringeren Abnutzung ausgesetzt sind, wodurch die Funktionslebensdauer der Kabelschleife verlängert wird.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Exoskelett bereitzustellen, wobei durch ein System von Kabelschleifen, die, wenn sie durch einen Elektromotor verdrillt werden, verkürzt werden, eine Kraft auf ein Gelenk des Exoskeletts ausgeübt wird, woraus sich die Bewegung des Gelenks ergibt. Zwei entgegengesetzte Sätze von Kabelschleifen und Motoren ermöglichen eine Bewegung des Gelenks in entgegengesetzte Richtungen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Exoskelett bereitzustellen, bei dem die Bewegung des Gelenks im Fall eines Kabelrisses angehalten wird, um dadurch eine Verletzung eines Exoskelettträgers zu verhindern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Exoskelett bereitzustellen, bei dem das Gelenk durch die Wirkung nur eines einzigen Motors bidirektionalen Bewegungen unterzogen wird. Um dies zu erreichen, weist das Exoskelett ein oder mehrere Federelemente auf, die eine Schlaffheit in der Kabelschleife verhindern, welche sich andernfalls über einen Bereich von Kabelschleifen-Verdrillungsbeträgen durch eine nichtlineare Kabelschleifenverkürzung als Funktion der Verdrillung ergeben könnte. Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Exoskelett bereitzustellen, bei dem eine Vorrichtung ausgebildet ist, um die an einem Übergangsbereich der Kabelschleife zwischen verdrillten und nicht verdrillten Abschnitten gebildete helikale Kabelstruktur unter Verwendung dieser Vorrichtung zu führen und zu begrenzen, wodurch sich eine verringerte Kabelschleifenabnutzung und eine erhöhte Funktionslebensdauer der Kabelschleife ergeben.
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Es wurden Konzepte für ein Exoskelettgelenk und eine Betätigungsvorrichtung entwickelt, bei denen der Hauptantriebsmechanismus des Betätigungselements eine Scheiben-und-Nocken-Anordnung ist, die an zwei entgegengesetzten Sätzen von Kabelschleifen angebracht ist, wodurch, wenn eine Kabelschleife in Bezug auf die andere verkürzt wird, das Gelenk in entgegengesetzte Richtungen bewegt wird. Wenn die Kabelschleifen durch die verbundenen Elektromotoren verdrillt werden, bilden sie helikale Strukturen, die mit zunehmender Verdrillung verkürzt werden, was zu einer zunehmenden Spannung zwischen einem Anbringungspunkt der Kabelschleife am Elektromotor und einem Anbringungspunkt der Kabelschleife an einem Gelenknocken führt. Jeder der beiden Motoren ist mit einer der Kabelschleifen verbunden, und jede Kabelschleife ist an einem entgegengesetzten Ende des Gelenknockens angebracht, so dass die Wirkung eines Motors zu einer Bewegung des Gelenks entgegengesetzt zu jener, die durch den anderen Motor hervorgerufen wird, führt.
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Es wurden Konzepte für die Aufnahme eines normalerweise eingeschalteten Bremsmechanismus entwickelt, wobei die auf jeder Seite des Nockengelenks angebrachte Kabelschleifen über eine federbelastete Scheibe geführt sind und ihre Position festhalten. Die Scheiben sind über einen kleinen Bewegungsbereich auslenkbar, und ein Satz federgetriebener Sperrklinken ist mit den Scheiben gekoppelt. Im Fall eines Spannungsverlusts in einer der Kabelschleifen werden die Scheibe und die Sperrklinken durch die Federn nach vorne getrieben, und die Sperrklinken greifen in einen Abschnitt eines Zahnrads ein, der mit dem Gelenknocken verbunden ist, wodurch die Gelenkdrehung unterbrochen wird.
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Es wurden Konzepte für die Aufnahme von Mechanismen zum Verhindern einer Kabelschleifenverwirrung entwickelt, wobei die Verdrillung der Kabelschleife auf einen linearen Teil der Kabelschleife isoliert wird, wodurch ermöglicht wird, dass der Teil der Kabelschleife, der in die Scheibe und den Nocken eingreift, entdrillt bleibt und dadurch eine bessere Führung der Kabelschleife und eine geringere Abnutzung bereitgestellt werden.
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Es wurden Konzepte für eine Variante des Bremsmechanismus entwickelt, wobei der normalerweise eingeschaltete Bremsentwurf so ausgelegt ist, dass beide Scheiben mit einer einzigen Bremsanordnung verbunden werden. Diese Bremsanordnung ist federbelastet, und die Kabelschleifen des Betätigungselements werden durch die Scheiben geleitet und gespannt, so dass die Bewegung der Bremsanordnung beschränkt wird und die Feder komprimiert wird. Falls eine der Kabelschleifen reißt, ist die Kraft der Feder derart, dass die einzige verbliebene Kabelschleife eine ungenügende Spannung bereitstellt, um die Bewegung der Bremsanordnung zu beschränken, und die Bremsanordnung wird durch die Feder nach vorne getrieben, bis ein Abschnitt des Zahnrads, das an der Bremsanordnung angebracht ist, in Kontakt mit einem Abschnitt des Zahnrads gelangt, das mit dem entgegengesetzten Gelenknocken verbunden ist, wodurch das Gelenk am Ort verriegelt wird und die Gelenkdrehung unterbrochen wird.
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Es wurden ferner Konzepte für die Aufnahme von Strukturen in Kabelschleifenspindeln und Kabelstrangtrennern entwickelt, welche die Stränge der Kabelschleifen und die helikalen Strukturen, die an Übergangszonen zwischen verdrillten und nicht verdrillten Abschnitten der Kabelschleifen ausgebildet sind, führen und beschränken, um eine geringere Kabelschleifenabnutzung, insbesondere an den Übergangszonen, bereitzustellen.
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Es wurden Konzepte für eine Variante des Exoskelettgelenks und der Betätigungsvorrichtung entwickelt, bei denen nur ein Elektromotor verwendet wird, um das System in bidirektionalen Gelenkbewegungen anzutreiben, wobei dieser Motor mit jeder Kabelschleife durch die Verwendung mit jeder Kabelschleifenspindel verbundener Zahnräder interagiert. Die Zahnräder sind so ausgelegt, dass die Wirkung des Elektromotors gleichzeitig eine Kabelschleifenspindel im Uhrzeigersinn antreibt und die andere Spindel entgegen dem Uhrzeigersinn antreibt, wobei die Kabelschleifen und Spindeln so ausgelegt sind, dass eine Kabelschleife verkürzt wird, wenn die entgegengesetzte Kabelschleife verlängert wird. Die Spindeln in dieser Vorrichtung werden durch Federelemente gespannt, die eine Schlaffheit in der Kabelschleife verhindern, die sich andernfalls infolge einer nichtlinearen Kabelschleifenverkürzung als Funktion der Verdrillung über einen Bereich von Kabelschleifenverdrillungsbeträgen ergeben würde.
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Auf der Grundlage dieser Konzepte wurde ein Exoskelett entwickelt, das eine Exoskelett-Kniebetätigungsvorrichtung mit einem Bremsmechanismus aufweist, der bei einem Kabelschleifenriss automatisch eingreift, wodurch die Kniebewegung angehalten wird. Bei dieser Anordnung werden Ober- und Unterschenkelstützen durch das Kniegelenk des Exoskeletts verbunden, und die Betätigungselemente, welche die Bewegung des Knies bewirken, befinden sich in der Nähe der Hüfte des Exoskeletts.
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Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Exoskelett mit einer ersten und einer zweiten Stützstruktur, die dafür ausgelegt sind, mit einem Träger des Exoskeletts gekoppelt zu werden. Ein Gelenk verbindet die erste und die zweite Stützstruktur, wobei das Gelenk dafür ausgelegt ist, eine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Struktur zu ermöglichen. Eine erste und eine zweite Kabelschleife verbinden die erste und die zweite Stützstruktur. Zumindest ein Motor ist dafür ausgelegt, die erste und die zweite Kabelschleife zu verdrillen und dadurch zu verkürzen, wobei das Verkürzen der ersten Kabelschleife eine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Stützstruktur um das Gelenk in einer ersten Richtung bewirkt und das Verkürzen der zweiten Kabelschleife eine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Stützstruktur um das Gelenk in einer zweiten entgegengesetzten Richtung bewirkt. Ein Bremsmechanismus ist dafür ausgelegt, eine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Stützstruktur um das Gelenk in zumindest einer von der ersten und der zweiten Richtung zu verhindern, falls eine von der ersten und der zweiten Kabelschleife reißt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Bremsmechanismus ein Zahnrad, das mit der zweiten Stützstruktur gekoppelt ist, und eine erste Sperrklinke, die mit der ersten Stützstruktur gekoppelt ist, auf. Der Bremsmechanismus ist so ausgelegt, dass die erste Sperrklinke in Kontakt mit dem Zahnrad gelangt, falls die erste Kabelschleife reißt. Der Kontakt zwischen der ersten Sperrklinke und dem Zahnrad verhindert eine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Stützstruktur um das Gelenk in zumindest einer von der ersten und der zweiten Richtung. Der Bremsmechanismus weist ferner eine erste Scheibe, die dafür ausgelegt ist, in Kontakt mit der ersten Kabelschleife zu gelangen, und eine erste Feder, die dafür ausgelegt ist, eine Kraft auf die erste Sperrklinke auszuüben, auf. Der Bremsmechanismus ist so ausgelegt, dass der Kontakt zwischen der ersten Scheibe und der ersten Kabelschleife einen Kontakt zwischen der ersten Sperrklinke und dem Zahnrad verhindert. Die erste Feder bewirkt, dass die erste Sperrklinke in Kontakt mit dem Zahnrad gelangt, falls die erste Kabelschleife reißt.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist der Bremsmechanismus ferner eine zweite Sperrklinke, eine zweite Scheibe, die dafür ausgelegt ist, in Kontakt mit der zweiten Kabelschleife zu gelangen, und eine zweite Feder, die dafür ausgelegt ist, eine Kraft auf die zweite Sperrklinke auszuüben, auf. Der Bremsmechanismus ist so ausgelegt, dass die zweite Sperrklinke in Kontakt mit dem Zahnrad gelangt, falls die zweite Kabelschleife reißt. Der Kontakt zwischen der zweiten Sperrklinke und dem Zahnrad verhindert eine Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Stützstruktur um das Gelenk in zumindest einer von der ersten und der zweiten Richtung. Der Bremsmechanismus ist auch so ausgelegt, dass der Kontakt zwischen der zweiten Scheibe und der zweiten Kabelschleife einen Kontakt zwischen der zweiten Sperrklinke und dem Zahnrad verhindert. Die zweite Feder bewirkt, dass die zweite Sperrklinke in Kontakt mit dem Zahnrad gelangt, falls die zweite Kabelschleife reißt.
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Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst der zumindest eine Motor einen ersten Motor, der dafür ausgelegt ist, die erste Kabelschleife zu verdrillen, und einen zweiten Motor, der dafür ausgelegt ist, die zweite Kabelschleife zu verdrillen. Gemäß anderen Ausführungsformen umfasst der zumindest eine Motor einen einzigen Motor, der dafür ausgelegt ist, sowohl die erste als auch die zweite Kabelschleife gleichzeitig in entgegengesetzten Drehrichtungen zu verdrillen. Wenn ein einziger Motor verwendet wird, kann das Exoskelett ferner eine Eingangswelle, eine erste Spindel, die mit der ersten Kabelschleife gekoppelt ist, und eine zweite Spindel, die mit der zweiten Kabelschleife gekoppelt ist, aufweisen. Der Motor ist dafür ausgelegt, eine Drehung der Eingangswelle zu bewirken, und die Eingangswelle ist dafür ausgelegt, eine Drehung der ersten und der zweiten Spindel zu bewirken. Die erste Spindel verdrillt die erste Kabelschleife, und die zweite Spindel verdrillt die zweite Kabelschleife. Vorzugsweise verringert eine erste Feder eine Schlaffheit in der ersten Kabelschleife und verringert eine zweite Feder eine Schlaffheit in der zweiten Kabelschleife.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Exoskelett ferner eine Spindel auf, die mit einer von der ersten und der zweiten Kabelschleife gekoppelt ist, wobei die Spindel einen Kabelschlitz und eine erste Kabelführung aufweist, wobei die eine von der ersten und der zweiten Kabelschleife durch den Kabelschlitz läuft und in Kontakt mit der ersten Kabelführung gelangt. Vorzugsweise ist die erste Kabelführung keilförmig, so dass zwischen der ersten Kabelführung und einer verdrillten helikalen Kabelstruktur der einen von der ersten und der zweiten Kabelschleife kein Zwischenraum existiert, wenn die eine von der ersten und der zweiten Kabelschleife durch den zumindest einen Motor verdrillt ist. Das Exoskelett kann auch einen Strangtrenner mit einer zweiten Kabelführung aufweisen. Die eine von der ersten und der zweiten Kabelschleife läuft durch den Strangtrenner und gelangt in Kontakt mit der zweiten Kabelführung. Der Strangtrenner ist so ausgelegt, dass eine verdrillte helikale Kabelstruktur der einen von der ersten und der zweiten Kabelschleife nur zwischen der Spindel und dem Strangtrenner existiert, wenn die eine von der ersten und der zweiten Kabelschleife durch den wenigstens einen Motor verdrillt ist. Vorzugsweise ist die zweite Kabelführung keilförmig, so dass zwischen der zweiten Kabelführung und der verdrillten helikalen Kabelstruktur kein Zwischenraum existiert, wenn die eine von der ersten und der zweiten Kabelschleife durch den wenigstens einen Motor verdrillt ist.
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Zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit der Zeichnung verständlicher werden, worin sich gleiche Bezugszahlen in den mehreren Ansichten auf entsprechende Teile beziehen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer behinderten Person, die mit einem Geh-Exoskelett gekoppelt ist, wobei Betätigungselemente, die ein Gelenk steuern, in unmittelbarer Nähe zum Gelenk dargestellt sind,
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2 eine perspektivische Ansicht einer vereinfachten Agonist-Antagonist-Betätigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Position eines Gelenks durch die relative Verkürzung einer der beiden Kabelschleifen geändert wird, wenn die Kabelschleifen durch entsprechende Elektromotoren verdrillt werden, wobei die Wirkung jedes Motors zu einer Gelenkbewegung entgegengesetzt zu jener, die durch den anderen Motor hervorgerufen wird, führt,
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3A eine Seitenansicht einer behinderten Person, die mit einem Geh-Exoskelett gekoppelt ist, wobei ein Kniegelenk durch eine Betätigungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betätigt wird,
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3B eine Seitenansicht der behinderten Person und des Geh-Exoskeletts aus 3A, wobei eine Abdeckung einer Knieanordnung entfernt wurde,
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4A eine vereinfachte Ansicht der Betätigungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
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4B eine vereinfachte Ansicht der Betätigungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, worin die Position von Bremskomponenten ansprechend auf ein Reißen einer der Kabelschleifen dargestellt ist,
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5 eine detaillierte Explosionsansicht einer gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Betätigungsvorrichtung,
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6 eine vereinfachte Ansicht einer Betätigungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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7A eine Schnittansicht einer Spindel, um die eine Kabelschleife gemäß der vorliegenden Erfindung verdrillt wird, gemäß einer ersten Spindelausführungsform,
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7B eine Seitenansicht der Spindel aus 7A, die in einer vertikalen Ebene um 90 Grad in Bezug auf 7A gedreht ist,
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7C eine perspektivische Ansicht der Spindel aus 7A,
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8A eine Schnittansicht einer Spindel, um die eine Kabelschleife gemäß der vorliegenden Erfindung verdrillt wird, gemäß einer zweiten Spindelausführungsform,
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8B eine Seitenansicht der Spindel aus 8A, die in einer vertikalen Ebene um 90 Grad in Bezug auf 8A gedreht ist,
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8C eine perspektivische Ansicht der Spindel aus 8A,
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9A eine Schnittansicht der Spindel aus 7A, wobei eine Kabelschleife als um die Spindel verdrillt dargestellt ist,
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9B eine Schnittansicht der Spindel aus 8A, wobei eine Kabelschleife als um die Spindel verdrillt dargestellt ist,
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10A eine Schnittansicht eines Kabelschleifen-Strangtrenners gemäß der vorliegenden Erfindung,
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10B eine perspektivische Ansicht des Kabelschleifen-Strangtrenners aus 10A,
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11A eine vereinfachte Ansicht einer Betätigungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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11B eine vereinfachte Ansicht der Betätigungsvorrichtung aus 11A, worin innere Spindelkomponenten dargestellt sind, und
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12 eine detaillierte Explosionsansicht einer gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Betätigungsvorrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Hier werden detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart. Es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele der Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen verwirklicht werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische hier offenbarte strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend, sondern lediglich als repräsentative Grundlage zu interpretieren, um es Fachleuten zu lehren, die vorliegende Erfindung einzusetzen.
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Zunächst mit Bezug auf 1 ist ein Exoskelett 100 mit einer Torsostütze 105 und Unterschenkelstützen 110 und 111 dargestellt. Das Exoskelett 100 wird in Kombination mit einem Paar von Krücken verwendet, wobei die linke Krücke 115 davon eine untere Bodeneingriffsspitze 120 und einen Griff 125 aufweist. In Verbindung mit dieser Ausführungsform kann ein Patient (oder allgemeiner ein Benutzer oder Träger) 130 durch die Verwendung des Exoskeletts 100 gehen. In einer auf dem Fachgebiet bekannten Weise ist die Torsostütze 105 dafür ausgelegt, mit dem Torso 135 des Patienten 130 gekoppelt zu werden, während die Beinstützen 110 und 111 dafür ausgelegt sind, mit den unteren Gliedmaßen 140 und 141 des Patienten 130 gekoppelt zu werden. Zusätzlich sind Betätigungselemente zwischen Teilen der Beinstützen 110 und 111 sowie zwischen den Beinstützen 110 und 111 und der Torsostütze 105 angeordnet, wobei diese Betätigungselemente dafür ausgelegt sind, die Beinstützen 110 und 111 in Bezug auf die Torsostütze 105 zu verschieben, um eine Bewegung der unteren Gliedmaßen 140 und 141 des Patienten 130 zu ermöglichen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Torsostütze 105 recht klein sein und ein Beckengelenk (nicht dargestellt) aufweisen, das um das Becken des Patienten 130 gewickelt ist. Beim in 1 dargestellten Beispiel sind die Betätigungselemente insbesondere als ein Hüftbetätigungselement 145, das verwendet wird, um ein Hüftgelenk 150 in Beugung und Streckung zu bewegen, und ein Kniebetätigungselement 155, das verwendet wird, um ein Kniegelenk 160 in Beugung und Streckung zu bewegen, dargestellt. Die Betätigungselemente 145 und 155 werden durch eine Steuereinrichtung (oder ein Steuersystem oder eine CPU) 165 auf mehrere Fachleuten auf dem Gebiet der Exoskelettsteuerung bekannte Arten gesteuert. Wenngleich dies in 1 nicht dargestellt ist, stehen verschiedene Sensoren in Kommunikation mit der Steuereinrichtung 165, so dass die Steuereinrichtung 165 die Orientierung des Exoskeletts 100 überwachen kann. Diese Sensoren können ohne Einschränkung beispielsweise Encoder, Potentiometer, Beschleunigungsmesser und Gyroskope einschließen. Zusätzlich steht die Steuereinrichtung 165 entweder in kontinuierlicher oder intermittierender Kommunikation mit einer Datenverbindung 170 und überträgt ausgewählte Exoskelettzustandsdaten dazu. Die Datenverbindung 170 ist eine drahtlose Übertragungsvorrichtung, die dafür ausgelegt ist, von der Steuereinrichtung 165 empfangene Daten zu einem zentralen Server 175 zu übertragen. Weil die zusätzlichen strukturellen Einzelheiten des Exoskeletts verschiedene Formen annehmen können, welche auf dem Fachgebiet bekannt sind und nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind, werden sie hier nicht weiter detailliert dargelegt. Stattdessen soll das Exoskelett 100 als ein Beispiel eines Exoskeletts aus dem Stand der Technik dienen, das Betätigungselemente aufweist, die in der Nähe der betätigten Gelenke angeordnet sind. Insbesondere befindet sich, wie vorstehend erörtert wurde, das Hüftbetätigungselement 145 am Ort des Hüftgelenks 150 und befindet sich das Kniebetätigungselement 155 am Ort des Kniegelenks 160.
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2 zeigt ein vereinfachtes Agonist-Antagonist-Betätigungselement 200, wobei eine untere Struktur 205 durch ein Gelenklager 215 an einem Gelenk 220 drehbar mit einer oberen Struktur 210 verbunden ist. Die Position der unteren Struktur 205 in Bezug auf die obere Struktur 210 wird durch die relativen Kräfte gesteuert, die durch einen linken Elektromotor 225 und einen rechten Elektromotor 226 ausgeübt werden, welche mit der oberen Struktur 210 gekoppelt sind. Der linke Elektromotor 225 steuert die Drehung einer linken Spindel 230. Eine linke Kabelschleife 235 läuft durch die linke Spindel 230, wobei die linke Kabelschleife 235 einen ersten Kabelstrang 240 und einen zweiten Kabelstrang 245 aufweist. Der erste Kabelstrang 240 und der zweite Kabelstrang 245 sind mit einer linken Kabelannahme 250 gekoppelt, die mit einer unteren Struktur 205 gekoppelt ist. Der rechte Elektromotor 226 steuert die Drehung einer rechten Spindel 231. Eine rechte Kabelschleife 236 läuft durch die rechte Spindel 231, wobei die rechte Kabelschleife 236 einen ersten Kabelstrang 241 und einen zweiten Kabelstrang 246 aufweist. Der erste Kabelstrang 241 und der zweite Kabelstrang 246 sind mit einer rechten Kabelannahme 251 gekoppelt, die mit der unteren Struktur 205 gekoppelt ist. In 2 ist das Gelenk 220 so gedreht dargestellt, dass die untere Struktur 205 links des Zentrums in Bezug auf die obere Struktur 210 positioniert ist, was sich dadurch ergibt, dass der linke Elektromotor 225 betätigt wird und bewirkt, dass die linke Spindel 230 die linke Kabelschleife 235 verdrillt. Dies führt zur Bildung einer verdrillten helikalen Kabelstruktur 255, verkürzt die linke Kabelschleife 235 und erhöht die Spannung entlang der linken Kabelschleife 235, so dass die linke Kabelschleife 235 eine Zugkraft auf die linke Kabelannahme 250 ausübt. Die auf die linke Kabelannahme 250 und daher auch auf die untere Struktur 205 ausgeübte Kraft führt zu einem Drehmoment um das Gelenk 220. Falls umgekehrt der linke Elektromotor 225 deaktiviert wird und der rechte Elektromotor 226 betätigt wird, verdrillt die rechte Spindel 231 die rechte Kabelschleife 236, was zu einer Verkürzung der rechten Kabelschleife 236 und einem Drehmoment um das Gelenk 220 führt, so dass sich die untere Struktur 205 entgegen dem Uhrzeigersinn in Bezug auf die obere Struktur 210 dreht. Diese Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn bewirkt, dass sich die linke Spindel 230 dreht und sich die helikale Kabelstruktur 255 entdrillt, so dass die Länge der linken Kabelschleife 236 zunimmt.
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Falls das Betätigungselement 200 in ein Exoskelett aufgenommen wäre, würden beide Kabelschleifen 235 und 236 unter einer verhältnismäßig hohen Spannung gehalten werden, und eine Verkürzung einer Schleife sollte deshalb durch eine Verlängerung der entgegengesetzten Schleife kompensiert werden. Dabei kann ein Exoskelett-Steuersystem, das den Strom für jeden Elektromotor 225 und 226 genau steuert, die Position des Gelenks 220 genau steuern. Dies ermöglicht es, dass die Motoren 225 und 226 in einem gewissen Abstand vom zu betätigenden Gelenk, d.h. vom Gelenk 220, angeordnet werden. Beim vereinfachten Beispiel aus 2 sind beide Motoren 225 und 226 an der oberen Struktur 210 dargestellt. Es sind jedoch viele Ausführungsformen möglich, welche beispielsweise beide Motoren 225 und 226 auf der linken Seite des Gelenks 220 aufweisen, wobei sich einer der Motoren 225 und 226 an der oberen Struktur 210 befindet und sich einer an der unteren Struktur 205 befindet. Gemäß einigen Ausführungsformen sind mehrere Motoren und Schleifen parallel angeordnet, um die auf ein Gelenk ausgeübte Kraft zu erhöhen. Gemäß einigen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Federelemente in ein Gelenk aufgenommen, um beim Rückstellen in eine spezifische Position zu helfen.
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Die 3A, 3B, 4A und 4B zeigen ein Betätigungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung etwas vereinfacht, um das Verständnis der Funktion des Betätigungselements zu erleichtern. Die 3A und 3B zeigen das Betätigungselement in Zusammenhang mit einem von einer Person getragenen Exoskelett, während die 4A und 4B die inneren Funktionselemente der Hauptfunktionskomponenten des Betätigungselements, die in den 3A und 3B nicht klar ersichtlich sind, zeigen. Wenngleich dargestellt ist, dass das Betätigungselement verwendet wird, um ein Kniegelenk eines Exoskeletts anzutreiben, kann ein Betätigungselement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eine Betätigung eines anderen Gelenks als des Knies eines Exoskeletts oder einer anderen ähnlichen Robotervorrichtung bereitzustellen. Eine viel detailliertere Darstellung eines Betätigungselements gemäß der ersten Ausführungsform erscheint in 5, welche eine Explosionsansicht eines bestimmten gemäß der Erfindung aufgebauten Betätigungselements ist.
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Zu den 3A und 3B zurückkehrend sei bemerkt, dass dort ein von einem Benutzer oder Träger 305 getragenes Exoskelett 300 dargestellt ist. Das Exoskelett 300 weist ein Hüftbetätigungselement 310, eine Oberschenkelstütze 315 und eine Unterschenkelstütze 320 auf. Das Hüftbetätigungselement 310 ist drehbar mit der Oberschenkelstütze 315 verbunden und dafür ausgelegt, eine Drehung der Oberschenkelstütze 315 um ein Hüftgelenk 325 zu bewirken, das sich am Ort der Hüfte 330 des Benutzers 305 befindet. Die Oberschenkelstütze 315 ist an einem Kniegelenk 335, das sich am Ort eines Knies 340 des Benutzers 305 befindet, drehbar mit der Unterschenkelstütze 320 verbunden. Die Unterschenkelstütze 320 ist dafür ausgelegt, selektiv mit einem Unterschenkel 345 des Benutzers 305 gekoppelt zu werden, während die Oberschenkelstütze 315 dafür ausgelegt ist, selektiv mit einem Oberschenkel 346 des Benutzers 305 gekoppelt zu werden (wenngleich dieses letztgenannte Merkmal aus Gründen der Klarheit nicht in den Figuren dargestellt ist). Vordere und hintere Betätigungsmotoren 350 und 351 steuern die Relativposition der Oberschenkelstütze 315 und der Unterschenkelstütze 320 durch die Verwendung von Kabelschleifen, die in den 3A und 3B nicht ersichtlich sind, jedoch in Zusammenhang mit den 4A und 4B dargestellt sind und vollständiger erörtert werden. Die Kabelschleifen laufen durch das Zentrum der Oberschenkelstütze 315, wobei diese Kabelschleifen durch eine vordere Bremsscheibe 355 und eine hintere Bremsscheibe 356 geführt und ihre Positionen festgehalten werden, woraufhin die Kabelschleifen mit einem Knienocken 360 verbunden sind, der mit der Unterschenkelstütze 320 gekoppelt ist. Eine Abdeckung 365 bedeckt die inneren Funktionselemente des Kniegelenks 335, um zu verhindern, dass Kleidung oder andere Materialien am Knienocken 360 oder anderen Bremskomponenten eingeklemmt werden. In den 3A und 3B sind die Motoren 350 und 351 als sich am Ort der Hüfte 330 des Benutzers 305 befindend dargestellt. Gemäß anderen Ausführungsformen können sich die Motoren 350 und 351 jedoch an anderer Stelle entlang der Oberschenkelstütze 315 befinden, um die Sperrigkeit zu verringern oder die Platzausnutzung auf andere Weise zu optimieren. Alternativ können sich einer oder beide der Motoren 350 und 351 an der Unterschenkelstütze 320 befinden.
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Mit besonderem Bezug auf 4A sei bemerkt, dass der vordere Elektromotor 350 als mit einer vorderen Spindel 400 verbunden dargestellt ist. Eine vordere Kabelschleife 405 läuft durch die vordere Spindel 400 und einen vorderen Strangtrenner 410. Überdies steht die vordere Kabelschleife 405 in Kontakt mit der vorderen Bremsscheibe 355, die sich um einen vorderen Scheibenstift 415 dreht. Die vordere Kabelschleife 405 ist mit dem Knienocken 360 der Unterschenkelstütze 320 an einem vorderen Kabelschleifen-Anbringungspunkt 420 gekoppelt. Ähnlich ist der hintere Elektromotor 351 mit einer hinteren Spindel 401 verbunden. Eine hintere Kabelschleife 406 läuft durch die hintere Spindel 401 und einen hinteren Strangtrenner 411. Überdies steht die hintere Kabelschleife 406 in Kontakt mit einer hinteren Bremsscheibe 356, die sich um einen hinteren Scheibenstift 416 dreht. Die hintere Kabelschleife 406 ist an einem hinteren Kabelschleifen-Anbringungspunkt 421 mit dem Knienocken 360 gekoppelt. Der vordere Elektromotor 350 und der hintere Elektromotor 351 sind mit der Oberschenkelstütze 315 gekoppelt (wie in den 3A und 3B dargestellt ist), so dass zwischen den Motoren 350 und 351 und dem Kniegelenk 335 ein fester Abstand eingehalten ist. Eine Zahnstange oder ein Zahnrad 425 (beispielsweise ein Stirnrad) ist mit dem Knienocken 360 gekoppelt, wobei sich das Zahnrad 425 und der Knienocken 360 gemeinsam um das Kniegelenk 335 drehen. Eine vordere Bremsanordnung 430 weist eine vordere Bremsscheibe 355, eine vordere Sperrklinke 435, einen vorderen Drehstift 440 und eine vordere Feder 445 auf. Die vordere Bremsscheibe 355 ist durch den vorderen Scheibenstift 415 drehbar mit der vorderen Sperrklinke 435 gekoppelt. Eine hintere Bremsanordnung 431 weist eine hintere Bremsscheibe 356, eine hintere Sperrklinke 436, einen hinteren Drehstift 441 und eine hintere Feder 446 auf. Die hintere Bremsscheibe 356 ist durch einen hinteren Scheibenstift 416 drehbar mit einer hinteren Sperrklinke 436 gekoppelt. Die vordere Bremsanordnung 430 und die hintere Bremsanordnung 431 sind am vorderen Drehstift 440 bzw. am hinteren Drehstift 441 drehbar mit der Oberschenkelstütze 315 gekoppelt (in den 3A und 3B dargestellt). Die vordere Feder 445 und die hintere Feder 446 werden durch die vordere Sperrklinke 435 und die hintere Sperrklinke 436 unter Druck gegen die Oberschenkelstütze 315 gehalten. Die für das Komprimieren der Federn 445 und 446 erforderliche Kraft wird durch die gespannten Kabelschleifen 405 und 406, die gegen die Bremsscheiben 355 und 356 wirken, ausgeübt.
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In 4A ist das Kniegelenk 335 gebeugt dargestellt, was sich durch die Wirkung des hinteren Elektromotors 351 ergibt. Insbesondere bewirkt der hintere Elektromotor 351 eine Drehung der hinteren Spindel 401, welche ein Verdrillen der hinteren Kabelschleife 406 zu einer verdrillten helikalen Kabelstruktur 450 und eine Verkürzung der hinteren Kabelschleife 406 bewirkt. Dadurch wird eine Kraft auf den Knienocken 360 ausgeübt, so dass sich die Unterschenkelstütze 320 entgegen dem Uhrzeigersinn um das Kniegelenk 335 dreht. Die helikale Kabelstruktur 450 erstreckt sich nur zum hinteren Strangtrenner 411, der so an seinem Ort gehalten wird, dass verhindert wird, dass sich der hintere Strangtrenner 411 dreht. Der Abschnitt der hinteren Kabelschleife 406 unterhalb des hinteren Strangtrenners 411 ist nicht verdrillt, wodurch die hintere Kabelschleife 406 einfacher und bei geringerer Abnutzung oder Klemmmöglichkeit über die hintere Bremsscheibe 356 zum hinteren Kabelschleifen-Anbringungspunkt 421 geführt werden kann. Gemäß der Ausführungsform aus den 3A, 3B, 4A und 4B führt die Aktivierung des vorderen Elektromotors 350 zur Verkürzung der vorderen Kabelschleife 405. Dadurch wird eine Kraft auf den Knienocken 360 ausgeübt, wodurch bewirkt wird, dass sich die Unterschenkelstütze 320 in die Streckung bewegt. Daher können der vordere Elektromotor 350, die vordere Kabelschleife 405 und der Knienocken 360 auch als ein Streckbetätigungselement beschrieben werden. Ähnlich führt eine Aktivierung des hinteren Elektromotors 351 zu einer Verkürzung der hinteren Kabelschleife 406. Dadurch wird eine Kraft auf den Knienocken 360 ausgeübt, wodurch bewirkt wird, dass sich die Unterschenkelstütze 320 in die Beugung bewegt. Daher können der hintere Elektromotor 351, die hintere Kabelschleife 406 und der Knienocken 360 auch als Beugungsbetätigungselement beschrieben werden.
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In 4B ist ein Brechen der hinteren Kabelschleife 406 dargestellt. Sobald dies geschieht, wird die hintere Bremsscheibe 356 nicht mehr durch die hintere Kabelschleife 406 festgehalten, und die hintere Feder 446 bewirkt, dass sich die hintere Sperrklinke 436 um den hinteren Drehstift 441 dreht, bis die hintere Sperrklinke 436 in Kontakt mit dem Zahnrad 425 gerät. An diesem Punkt greifen die Zähne der hinteren Sperrklinke 436 in die Zähne des Zahnrads 425 ein. Weil die hintere Sperrklinke 436 mit der Oberschenkelstütze 315 gekoppelt ist und das Zahnrad 425 mit der Unterschenkelstütze 320 gekoppelt ist, verhindert der Eingriff dieser Zähne, dass sich die Unterschenkelstütze 320 und die Oberschenkelstütze 315 am Kniegelenk 335 in Bezug zueinander drehen. In Zusammenhang mit den 3A und 3B fixiert die Verriegelung des Kniegelenks 335 die relativen Positionen zwischen dem Unterschenkel 345 und dem Oberschenkel 346 des Benutzers 305.
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Als ein Beispiel der ersten Ausführungsform sei ein Exoskelett betrachtet, das von einem seit kurzer Zeit behinderten Patienten in einer Rehabilitationsumgebung getragen wird. Der Patient nimmt mit Hilfe eines Physiotherapeuten an einer Exoskeletttherapie teil, und das Exoskelett ist mit zumindest einem Gelenk, das durch ein Kabelschleifen-Betätigungselement angetrieben wird, versehen. Falls eine Kabelschleife des Betätigungselements reißen sollte und das Exoskelett nicht mit dem Bremsmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform versehen wäre, wäre das Exoskelettgelenk, bei dem der Fehler aufgetreten ist, nicht festgehalten und könnte sich frei bewegen. Der das Exoskelett tragende Patient, der möglicherweise im Gelenk, das sich am Ort des Exoskelettgelenks befindet, wo der Fehler aufgetreten ist, nur eine geringe oder keine Kraft hat, wäre einem erheblichen Verletzungs- oder Sturzrisiko ausgesetzt. Falls ein Kabelriss auftreten sollte, würde bei Verwendung des Bremsmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform der Bremsmechanismus automatisch eingreifen und das Gelenk am Ort verriegeln und das Risiko einer Verletzung des Patienten stark verringern. Bei Verwendung von Exoskeletten als medizinische Vorrichtungen in der Art jener, die beim Gehtraining oder einer anderen Exoskeletttherapie verwendet werden, ist die Gewährleistung der Sicherheit eine Vorbedingung für eine Genehmigung durch die Food and Drug Administration und andere Regulierungseinrichtungen. Die normalerweise eingeschaltete Natur des Bremsmechanismus hat auch den Vorteil, dass Batterieenergie gespart wird, wenn ein fester Positionszustand am Knie oder einem anderen Gelenk erwünscht ist, weil anders als bei einem typischen Exoskelettgelenk-Betätigungselement kein Strom zu Motoren gesendet werden muss, um auf einwirkende äußere Kräfte zu reagieren. Dieses Nichtvorhandensein der Notwendigkeit einer Stromzufuhr dient als ein weiteres Sicherheitsmerkmal, weil der Bremsmechanismus bei einem Stromausfall des Exoskeletts weiter funktionieren kann. Weil diese therapeutischen Exoskelette außerhalb einer Klinik als Beweglichkeitsvorrichtungen verwendet werden können (beispielsweise als ein Rollstuhlersatz), ist auch die verringerte Sperrigkeit des Gelenks vorteilhaft, um zu verhindern, dass das Gelenk an Kleidungsstücken oder Hindernissen klemmt und um beispielsweise das Einsteigen in Automobile und das Aussteigen aus diesen zu erleichtern.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, ist das in den 3A, 3B, 4A und 4B dargestellte Exoskelett eine etwas vereinfachte Repräsentation, wodurch das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtert werden soll. Eine detailliertere Repräsentation ist in 5 bereitgestellt, worin eine gemäß der ersten Ausführungsform aufgebaute Vorrichtung dargestellt ist. Anders als das Exoskelett 100 aus den 3 und 4 weist die in 5 dargestellte Vorrichtung zwei Zahnräder, nämlich eines auf jeder Seite des Gelenknockens, und vier Sperrklinken, die jeweils in Kontakt mit einer von vier Federn stehen, auf, wobei sich zwei Sperrklinken auf jeder Seite der Bremsanordnung befinden. Dadurch lässt eine Bremsanordnung im Fall eines Kabelschleifenrisses eine Sperrklinke in jedes Zahnrad einrasten. Zusätzlich wirken die Zahnräder auf jeder Seite des Gelenknockens als Führung für die Kabelschleife zu den Nockenanbringungspunkten. Es sei bemerkt, dass in einigen Fällen nur die gepaarten Teile für die Streckungs- oder Beugungskomponente in weiteren Einzelheiten dargestellt sind, wobei beispielsweise die Streckungsbremsanordnung in einer Explosionsansicht dargestellt ist, während die Beugungsbremsanordnung als eine zusammengesetzte Einheit dargestellt ist. In 5 sind auch Sensoren dargestellt, die Informationen über den Gelenkzustand zu einem Exoskelett-Steuersystem weiterleiten. Bei der Anordnung aus 5 sind die Sperrklinken unidirektional, wobei die Sperrklinke an einer Gelenkstreckungsscheibe der Gelenkbeugung entgegenwirkt und umgekehrt. Gemäß anderen Ausführungsformen ist der Bremsmechanismus so ausgelegt, dass die Sperrklinken die Bewegung in jeweils einer Richtung unterbrechen oder eine einzige Sperrklinke mit beiden Scheiben gekoppelt ist und wirkt, wenn die Spannung in einer Kabelschleife (oder beiden Kabelschleifen) verloren geht. Die in 5 gezeigte Anordnung wurde zumindest teilweise ausgewählt, um selbstsperrende Situationen zu vermeiden und den Steueralgorithmusentwurf zu vereinfachen.
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Insbesondere weist ein Kabelschleifen-Betätigungselement 500 aus 5 einen Streckungselektromotor 501 und einen Beugungselektromotor 502 auf, die mit einem ersten Zahnrad 503 bzw. einem zweiten Zahnrad 504 verbunden sind. Das Zahnrad 503 ist eine Komponente einer Streckungsspindel 505, die eine Unterlegscheibe 506, ein Rollenlager 507, eine Direktantriebsspindel 508 und ein Drucklager 509 aufweist. Stellschrauben 510 und 511 befestigen die Komponenten der Streckungsspindel 505 aneinander. Elektromotoren 501 und 502 sind durch Befestigungselemente (allgemein mit 513 bezeichnet) mit einer Motorhalterung 512 gekoppelt, wobei die Motorhalterung 512 mit einem extrudierten Rohr 514 gekoppelt ist, das wiederum mit einem Gelenkkörper 515 gekoppelt ist. Innerhalb des extrudierten Rohrs 514 befindet sich eine Streckungstrennerführung 516, die eine Streckungskabelschleife 517 hoher Stärke enthält, welche die Streckungsspindel 505 mit einem Streckungskabelschleifenverbinder 518 verbindet. Die Streckungskabelschleife 517 läuft durch einen Streckungsstrangtrenner 519, der entlang der Streckungstrennerführung 516 gleiten kann, wobei die Streckungstrennerführung 516 eine Drehung des Streckungsstrangtrenners 519 verhindert. Ein Gelenk 520 (das bei diesem Beispiel ein Kniegelenk ist) verbindet den Gelenkkörper 515 mit einem Gelenknocken 521. Das Gelenk 520 weist ein Rheostatpotentiometer 522, eine Potentiometerhalterung 523, ein Nadelrollenlager 524 und eine Gelenkachse 525 auf. Eine Zapfenschraube 526 beschränkt die Bewegung des Gelenknockens 521 in Bezug auf den Gelenkkörper 515, indem sie die zulässigen Endpunkte für die Streckung und Beugung des Kniegelenks festlegt.
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Eine Beugungsbremsanordnung 527 ist mit dem Gelenkkörper 515 zusammengesetzt und positioniert dargestellt, während die Komponenten einer Streckungsbremsanordnung 528 in einer Explosionsansicht dargestellt sind. Die Streckungsbremsanordnung 528 weist ein Bremsbefestigungselement 529, Scheibenkappen 530 und 531, Rollenlager 532 und 533, Bremssperrklinken 534 und 535, eine Riemenscheibe 536, einen Dübelstift 537, ein Lager 538 und einen Dübelstift 539 auf. Der Dübelstift 539 bildet das Drehgelenk für die Streckungsbremsanordnung 528. Eine untere Gelenkanordnung 540 weist einen Gelenknocken 521 auf, der einen Streckungskabelschleifen-Anbringungspunkt 541 und einen Beugungskabelschleifen-Anbringungspunkt 542 aufweist. Kabelschleifenendabdeckungen 542 und 543 sind durch Befestigungselemente (allgemein mit 544 bezeichnet) mit dem Gelenknocken 521 gekoppelt. Zahnräder 545 und 546 sind durch Federstifte (allgemein mit 547 bezeichnet) und Befestigungselemente (allgemein mit 548 und 549 bezeichnet) mit dem Gelenknocken 521 gekoppelt. Unterlegscheiben 550 und 551 stehen in Kontakt sowohl mit dem Gelenknocken 521 als auch dem Gelenkkörper 515.
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Wenngleich das Betätigungselement 500 zwei Gelenkabdeckungen aufweist, ist aus Gründen der Klarheit nur eine dargestellt. Insbesondere ist eine Gelenkabdeckung 552 mit Befestigungselementen (allgemein mit 553 bezeichnet) mit dem Gelenkkörper 515 gekoppelt und bedeckt sowohl den Gelenkkörper 515 als auch die untere Gelenkanordnung 540. Ein Ringpotentiometer 554 ist mit der Innenfläche der Gelenkabdeckung 552 gekoppelt, und ein Federstößel 555 ist mit dem Ringpotentiometer 554 verbunden, um eine Messung des Gelenkwinkels zu ermöglichen. Es sei bemerkt, dass das Betätigungselement 500 redundante Gelenkwinkel-Messsysteme, insbesondere das Rheostatpotentiometer 522 und das Ringpotentiometer 554, aufweist. Vorzugsweise ist in der Praxis nur das Ringpotentiometer 554 aufgenommen. Die Aufnahme des Rheostatpotentiometers 522 kann als vorteilhaft angesehen werden, weil das Rheostatpotentiometer 522 auch ohne die sich an ihrer Stelle befindende Gelenkabdeckung 552 funktionsfähig ist. Es ist auch zu verstehen, dass die Zahnräder 545 und 546 zusätzlich dazu, dass sie als Teil des Bremsmechanismus wirken, auch die Streckungskabelschleife 517 und die entsprechende Beugungskabelschleife 556 auf den Gelenknocken 521 führen.
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Mit Bezug auf 6 wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in den 3A, 3B, 4A und 4B ist der vordere Elektromotor 350 mit der vorderen Spindel 400 verbunden und läuft die vordere Kabelschleife 405 durch die vordere Spindel 400 und den vorderen Strangtrenner 410. Auch steht die vordere Kabelschleife 405 in Kontakt mit einer vorderen Bremsscheibe 600, welche sich um einen vorderen Scheibenstift 605 dreht. Die vordere Kabelschleife 405 ist mit dem Knienocken 360 der Unterschenkelstütze 320 an einem vorderen Kabelschleifen-Anbringungspunkt 420 gekoppelt. Ähnlich ist der hintere Elektromotor 351 mit der hinteren Spindel 401 verbunden. Die hintere Kabelschleife 406 läuft durch die hintere Spindel 401 und den hinteren Strangtrenner 411. Auch steht die hintere Kabelschleife 406 in Kontakt mit einer hinteren Bremsscheibe 601, welche sich um einen hinteren Scheibenstift 606 dreht. Die hintere Kabelschleife 406 ist am hinteren Kabelanbringungspunkt 421 mit dem Knienocken 360 gekoppelt. Der vordere Elektromotor 350 und der hintere Elektromotor 351 sind mit der Oberschenkelstruktur 315 gekoppelt (wie in den 3A und 3B dargestellt), so dass zwischen den Motoren 350 und 351 und dem Kniegelenk 335 ein fester Abstand eingehalten wird. Ein Zahnrad 425 ist mit dem Knienocken 360 gekoppelt, wobei sich das Zahnrad 425 und der Knienocken 360 gemeinsam um das Kniegelenk 335 drehen. Eine Bremsanordnung 610 weist eine vordere Bremsscheibe 600, eine hintere Bremsscheibe 601, ein Zahnrad 615, einen Schlitz 620, eine Schlitzführung 625 und eine Feder 630 auf. Die Schlitzführung 625 befindet sich an einer festen Position zwischen dem Kniegelenk 335 und den Motoren 350 und 351. Auch steht die Schlitzführung 625 in engem Kontakt mit den Seiten des Schlitzes 620, so dass sich die Bremsanordnung 610 nicht in Bezug auf die Schlitzführung 625 drehen kann. Die Bremsanordnung 610 ist jedoch in der Lage, innerhalb der Länge des Schlitzes 620 eine kurze Strecke entlang der Schlitzführung 625 zu gleiten. Die Feder 630 grenzt an einen Teil des Exoskeletts (beispielsweise die Oberschenkelstütze 315) an und übt eine Kraft auf die Bremsanordnung 610 aus, wobei dieser Kraft durch die Spannung, die auf die vordere Bremsscheibe 600 und die hintere Bremsscheibe 601 durch die vordere Kabelschleife 405 und die hintere Kabelschleife 406 ausgeübt wird, Widerstand entgegengesetzt wird und die Bewegung der Bremsanordnung 610 entlang der Schlitzführung 625 beschränkt wird. Im Fall eines Reißens entweder der vorderen Kabelschleife 405 oder der hinteren Kabelschleife 406 ist die durch die restliche Kabelschleife ausgeübte Spannung nicht ausreichend, um der Kraft der Feder 630 entgegenzuwirken, so dass die Bremsanordnung 610 entlang der Schlitzführung 625 nach vorne getrieben wird, bis das Zahnrad 615 in Kontakt mit dem Zahnrad 425 gelangt. Dies führt zu einer Verriegelung des Kniegelenks 335, wobei eine Bewegung des Kniegelenks 335 in beiden Richtungen verhindert wird.
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Als ein Beispiel der zweiten Ausführungsform sei ein Exoskelett betrachtet, das von einem seit kurzer Zeit behinderten Patienten in einer Rehabilitationsumgebung getragen wird. Der Patient nimmt mit Hilfe eines Physiotherapeuten an einer Exoskeletttherapie teil, und das Exoskelett ist mit zumindest einem Gelenk, das durch ein Kabelschleifen-Betätigungselement angetrieben wird, versehen. Falls eine Kabelschleife des Betätigungselements reißen sollte und das Exoskelett nicht mit dem Bremsmechanismus gemäß der zweiten Ausführungsform versehen wäre, wäre das Exoskelettgelenk, bei dem der Fehler aufgetreten ist, nicht festgehalten und könnte sich frei bewegen. Der das Exoskelett tragende Patient, der möglicherweise im Gelenk, das sich am Ort des Exoskelettgelenks befindet, wo der Fehler aufgetreten ist, nur eine geringe oder keine Kraft hat, wäre einem erheblichen Verletzungs- oder Sturzrisiko ausgesetzt. Falls ein Kabelriss auftreten sollte, würde bei Verwendung des Bremsmechanismus gemäß der zweiten Ausführungsform der Bremsmechanismus automatisch eingreifen und das Gelenk am Ort verriegeln und das Risiko einer Verletzung des Patienten stark verringern. Bei Verwendung von Exoskeletten als medizinische Vorrichtungen in der Art jener, die beim Gehtraining oder einer anderen Exoskeletttherapie verwendet werden, ist die Gewährleistung der Sicherheit eine Vorbedingung für eine Genehmigung durch die Food and Drug Administration und andere Regulierungseinrichtungen.
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In den 7A–C und 8A–C sind eine erste und eine zweite Spindelausführungsform zur Verwendung in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung dargestellt. Insbesondere weist in den 7A–C eine Spindel 700 einen Kabelschlitz 705 und eine abgerundete Kabelführung 710 auf. In den 8A–C weist eine Spindel 800 einen Kabelschlitz 805 und eine keilförmige Kabelführung 810 auf. Die 9A und 9B zeigen jeweils Spindeln 700 und 800 mit einer Kabelschleife 900 mit einer hohen Verdrillung durch die Wirkung eines Elektromotors, was zur Bildung einer verdrillten helikalen Kabelstruktur 905 führt (wie vorstehend erörtert). Die Spindel 700 hat infolge der runden Form der Kabelführung 710 einen Zwischenraum 910 zwischen ihrer Oberfläche und der helikalen Kabelstruktur 905. Demgegenüber weist die Spindel 800 zwischen ihrer Oberfläche und der helikalen Kabelstruktur 905 infolge der Keilform der Kabelführung 810 keinen Zwischenraum auf. Das Fortlassen dieses Zwischenraums ist infolge der zusätzlichen Steuerung und der zusätzlichen Unterstützung vorteilhaft, und es wird dadurch die Abnutzung verringert. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Kabelführung 810 ein mit der Spindel 800 gekoppeltes getrenntes Stück. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kabelführung 810 aus einem weichen Material, das einen gewissen Verformungsgrad ermöglicht.
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Die 10A und 10B zeigen einen Kabelschleifen-Strangtrenner 1000 zur Verwendung in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung. Wie vorstehend erörtert wurde, läuft eine Kabelschleife durch einen Strangtrenner, wobei sich eine verdrillte helikale Kabelstruktur der Kabelschleife zwischen einer Spindel an einem Ende und dem Strangtrenner am anderen Ende befindet. Der Strangtrenner ist dafür ausgelegt, die Stränge der Kabelschleife zu trennen, so dass sich die helikale Kabelstruktur nicht über den Strangtrenner hinaus erstreckt, d.h. der Teil der Kabelschleife hinter dem Strangtrenner nicht verdrillt wird. Dies ermöglicht es, dass die Kabelschleife einfacher und mit einer geringeren Abnutzung oder Möglichkeit eines Einklemmens über eine Bremsscheibe zu einem Kabelschleifen-Anbringungspunkt geführt wird. Insbesondere zum Strangtrenner 1000 zurückkehrend sei bemerkt, dass der Strangtrenner 1000 eine keilförmige Kabelführung 1005 aufweist, die ähnlich funktioniert wie die Kabelführung 810. Insbesondere verhindert die Kabelführung 1005 ebenso wie die Kabelführung 810 die Bildung eines Zwischenraums zwischen der helikalen Kabelstruktur und der Oberfläche des Strangtrenners 1000.
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Als ein Anwendungsbeispiel der Spindeln und Kabelschleifen-Strangtrenner gemäß der vorliegenden Erfindung sei ein Exoskelett mit einem Kniegelenk und einem Betätigungselement des in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellten Typs betrachtet. Über viele Zyklen des Verdrillens und Entdrillens der Kabelschleife beginnt sich die Oberfläche der Kabelschleife zu verschlechtern, und zwar insbesondere an den Übergangsbereichen zwischen verdrillten und nicht verdrillten Teilen der Kabelschleife. Durch die Verwendung der Spindeln und der Strangtrenner gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Abnutzung an der Kabelschleife in diesen Übergangsbereichen zwischen verdrillten und nicht verdrillten Gebieten erheblich verringert. Tests dieser Strukturen haben gegenüber einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wobei sie nicht verwendet werden, eine geringere Kabelschleifenabnutzung gezeigt, wobei die Kabelschleifenabnutzung unmittelbar als Funktion des Ausfransens und Reißens von Fasern an der Oberfläche der Kabelschleife beobachtbar ist. Eine geringere Kabelschleifenabnutzung verringert die Wartungsanforderungen des Exoskeletts und die Möglichkeit, dass das Exoskelett infolge eines Kabelschleifenrisses während der Verwendung vorübergehend deaktiviert wird. Die Kabelschleifen gemäß der vorliegenden Erfindung können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Bevorzugte Materialien umfassen jedoch HMPE (Hochmodul-Polyethylen), LCP (Flüssigkristallpolymer), ARAMID (aromatisches Polyamid) und PBO (Polybenzoxazol).
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Die 11A und 11B zeigen ein Betätigungselement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein bidirektionaler Elektromotor 1100 treibt die Drehung einer Eingangswelle 1105 an. Ein Antriebszahnrad 1110 an der Eingangswelle 1105 berührt ein vorderes Zahnrad 1115 einer vorderen Spindel 1120. Eine hintere Spindel 1121 weist ein hinteres Zahnrad 1116 auf, das in Kontakt mit dem vorderen Zahnrad 1115 steht. Die vordere Spindel 1120 weist eine vordere Elastomerfeder 1125 und einen vorderen Federendstift 1130 auf. Der vordere Federendstift 1130 läuft durch die vordere Kabelschleife 405 und begrenzt die Position der vorderen Kabelschleife 405 und der Spitze 1135 der vorderen Kabelschleife. Die hintere Spindel 1121 weist eine hintere Elastomerfeder 1126 und einen hinteren Federendstift 1131 auf. Der hintere Federendstift 1131 läuft durch die hintere Kabelschleife 406 und begrenzt die Position der hinteren Kabelschleife 406 und einer Spitze 1136 der hinteren Kabelschleife. Durch die Verbindung zwischen dem Antriebszahnrad 1110, dem vorderen Zahnrad 1115 und dem hinteren Zahnrad 1116 bewirkt eine Drehung des Antriebszahnrads 1110 entgegen dem Uhrzeigersinn eine Drehung des vorderen Zahnrads 1115 im Uhrzeigersinn, wodurch wiederum eine Drehung des hinteren Zahnrads 1116 entgegen dem Uhrzeigersinn hervorgerufen wird. Die Drehung des vorderen Zahnrads 1115 im Uhrzeigersinn bewirkt auch eine Drehung der vorderen Spindel 1120 und des vorderen Federendstifts 1130 im Uhrzeigersinn, was zu einer Verdrillung und Verkürzung der vorderen Kabelschleife 405 führt. Die gleichzeitige Drehung der hinteren Spindel 1121 und des hinteren Federendstifts 1131 entgegen dem Uhrzeigersinn führt zu einem Entdrillen und einer Verlängerung der hinteren Kabelschleife 406. Demgemäß verlängert die Aktivierung des Motors 1100 entgegen dem Uhrzeigersinn gleichzeitig die hintere Kabelschleife 406 und verkürzt die vordere Kabelschleife 405. Weil der Motor 1100 und die Spindeln 1120 und 1121 mit der Oberschenkelstütze 315 (in den 3A und 3B dargestellt) verbunden sind, welche einen festen Abstand zwischen diesen Strukturen und dem Kniegelenk 335 einhält, führt die gleichzeitige Verlängerung der hinteren Kabelschleife 406 und Verkürzung der vorderen Kabelschleife 405 zu einer verringerten Spannung am hinteren Kabelschleifen-Anbringungspunkt 421 und einer erhöhten Spannung am vorderen Kabelschleifen-Anbringungspunkt 420, wodurch bewirkt wird, dass sich die Unterschenkelstütze 320 nach vorne um das Kniegelenk 335, d.h. im Uhrzeigersinn, dreht. Ähnlich bewirkt die Aktivierung des Motors 1100 im Uhrzeigersinn, dass sich die Unterschenkelstütze 320 nach hinten um das Kniegelenk 335, d.h. entgegen dem Uhrzeigersinn, dreht. Die vordere und die hintere Elastomerfeder 1125 und 1126 sind bei diesem Entwurf vorteilhaft, weil die Verkürzung und Verlängerung der Kabelschleifen 405 und 406 keine lineare Funktion ist. Dies ist bei der ersten und der zweiten Ausführungsform kein Problem, weil die entgegenwirkenden Motoren verwendet werden können, um eine Schlaffheit aufzunehmen. Wenn die Kabelschleifen 405 und 406 jedoch wie gemäß der dritten Ausführungsform gleichzeitig verlängert und verkürzt werden, ist die Aufnahme eines Mechanismus zum Entfernen der Schlaffheit des Kabels vorteilhaft. Insbesondere üben die Federn 1125 und 1126 in der vom Kniegelenk 335 fort weisenden Richtung Kräfte auf die Stifte 1130 und 1131 aus. Dadurch wird eine Schlaffheit in der Kabelschleife 405 oder der Kabelschleife 406 durch die Bewegung des Stifts 1130 oder des Stifts 1131 vom Kniegelenk 335 fort beseitigt. Gemäß alternativen Ausführungsformen können andere Federtypen oder andere Mechanismen verwendet werden, um eine Schlaffheit des Kabels zu beseitigen. Auch können der Motor 1100 und die Eingangswelle 1105 anders angeordnet werden. Beispielsweise können der Motor 1100 und die Eingangswelle 1105 unterhalb der Spindeln 1120 und 1121 angeordnet werden, kann die Eingangswelle 1105 zwischen den Spindeln 1120 und 1121 angeordnet werden oder kann es eine Rollenkette oder einen anderen Mechanismus geben, wodurch die Eingangswelle 1105 und die Spindeln 1120 und 1121 in irgendeiner auf dem Fachgebiet bekannten Weise drehend verknüpft werden.
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Der Antriebsmechanismus gemäß der dritten Ausführungsform soll mit einem Bremsmechanismus in der Art jener, die in der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt wurden, verwendet werden. In den 11A und 11B ist ein Bremsmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Daher läuft wie vorstehend erörtert die vordere Kabelschleife 405 durch die vordere Spindel 1120 und den vorderen Strangtrenner 410. Auch steht die vordere Kabelschleife 405 in Kontakt mit der vorderen Bremsscheibe 355, die sich um den vorderen Scheibenstift 415 dreht. Die vordere Kabelschleife 405 ist mit dem Knienocken 360 der Unterschenkelstütze 320 an einem vorderen Kabelschleifen-Anbringungspunkt 420 gekoppelt. Ähnlich läuft die hintere Kabelschleife 406 durch die hintere Spindel 1121 und den hinteren Strangtrenner 411. Auch steht die hintere Kabelschleife 406 in Kontakt mit der hinteren Bremsscheibe 356, die sich um den hinteren Scheibenstift 415 dreht. Die hintere Kabelschleife 406 ist am hinteren Kabelanbringungspunkt 521 mit dem Knienocken 360 gekoppelt. Der Motor 1110 ist mit der Oberschenkelstütze 315 verbunden (wie in den 3A und 3B dargestellt ist), so dass zwischen den Motoren 1110 und dem Kniegelenk 335 ein fester Abstand eingehalten ist. Das Zahnrad 425 ist mit dem Knienocken 360 gekoppelt, wobei sich das Zahnrad 425 und der Knienocken 360 gemeinsam um das Kniegelenk 335 drehen. Die vordere Bremsanordnung 430 weist die vordere Bremsscheibe 355, die vordere Sperrklinke 435, den vorderen Drehstift 440 und die vordere Feder 445 auf. Die vordere Bremsscheibe 355 ist durch den vorderen Scheibenstift 415 drehbar mit der vorderen Sperrklinke 435 gekoppelt. Die hintere Bremsanordnung 431 weist die hintere Bremsscheibe 356, die hintere Sperrklinke 436, den hinteren Drehstift 441 und die hintere Feder 446 auf. Die hintere Bremsscheibe 356 ist durch den hinteren Scheibenstift 416 drehbar mit der hinteren Sperrklinke 436 gekoppelt. Die vordere Bremsanordnung 430 und die hintere Bremsanordnung 431 sind am vorderen Drehstift 440 und am hinteren Drehstift 441 drehbar mit der Oberschenkelstütze 315 gekoppelt (in den 3A und 3B dargestellt). Die vordere Feder 445 und die hintere Feder 446 werden durch die vordere Sperrklinke 435 und die hintere Sperrklinke 436 unter Druck gegen die Oberschenkelstütze 315 gehalten. Die für das Komprimieren der Federn 445 und 446 erforderliche Kraft wird durch die gespannten Kabelschleifen 405 und 406, die gegen die Bremsscheiben 355 und 356 wirken, ausgeübt.
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Falls die hintere Kabelschleife 406 reißt, wird die hintere Bremsscheibe 356 nicht mehr durch die hintere Kabelschleife 406 festgehalten und bewirkt die hintere Feder 446, dass sich die hintere Sperrklinke 436 um den hinteren Drehstift 441 dreht, bis die hintere Sperrklinke 436 in Kontakt mit dem Zahnrad 425 gerät. An diesem Punkt greifen die Zähne der hinteren Sperrklinke 436 in die Zähne des Zahnrads 425 ein. Weil die hintere Sperrklinke 436 mit der Oberschenkelstütze 315 gekoppelt ist und das Zahnrad 425 mit der Unterschenkelstütze 320 gekoppelt ist, verhindert der Eingriff dieser Zähne, dass sich die Unterschenkelstütze 320 und die Oberschenkelstütze 315 am Kniegelenk 335 in Bezug zueinander drehen. In Zusammenhang mit den 3A und 3B fixiert die Verriegelung des Kniegelenks 335 die relativen Positionen zwischen dem Unterschenkel 345 und dem Oberschenkel 346 des Benutzers 305.
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Das in den 11A und 11B dargestellte Betätigungselement ist eine etwas vereinfachte Repräsentation, die das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern soll. Eine detailliertere Repräsentation ist in 12 bereitgestellt, worin eine gemäß der dritten Ausführungsform aufgebaute Vorrichtung dargestellt ist. Insbesondere weist eine Vorrichtung 1200 Spindeln 1205 und 1206, einen Federendstift 1210, Kabelschleifen 1215 und 1216, Elastomerfedern 1220 und 1221, helikale Zahnräder 1225 und 1226, eine Eingangswelle 1230, Drucklager 1235 und 1236, ein Antriebsanbringungslager 1240, äußere Führungshülsen 1245 und 1246, innere Führungshülsen 1250 und 1251 und ein extrudiertes Rohr 1255 auf. Die unteren Teile der Vorrichtung 1200 (d.h. das Gelenk und der Bremsmechanismus) sind in 12 nicht dargestellt, ähneln jedoch grundsätzlich dem, was in 5 dargestellt ist. Bei der Vorrichtung 1200 sind die helikalen Zahnräder 1225 und 1226 mit einem Verhältnis 1:1 übersetzt, so dass eine Verdrillung in einer der Spindeln 1205 und 1206 im Uhrzeigersinn gleichermaßen durch eine Verdrillung in der anderen der Spindeln 1205 und 1206 entgegen dem Uhrzeigersinn kompensiert wird. Gemäß einigen Ausführungsformen ist die Federspannung einstellbar, und zwar entweder durch Austauschen der Federn oder durch die Verwendung anderer auf dem Fachgebiet bekannter Verfahren, um einen veränderlichen Kniewiderstand bereitzustellen.
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Als ein Beispiel der dritten Ausführungsform seien zwei Exoskelettvorrichtungen betrachtet. Die erste ist mit dem Betätigungselement gemäß der ersten Ausführungsform ausgerüstet, und die zweite ist mit dem Betätigungselement gemäß der dritten Ausführungsform ausgerüstet. Das zweite Exoskelett benötigt lediglich einen Elektromotor pro Betätigungselement, was entweder ein geringeres Gewicht des Exoskeletts oder eine erhöhte Motorgröße und ein erhöhtes Drehmoment beim gleichen Gewicht des Exoskeletts erfordert. Durch Verringern des Gewichts eines Exoskeletts können die Reichweite und die mögliche Geschwindigkeit des Exoskeletts vergrößert werden und andere Vorteile erzielt werden. Durch Erhöhen des Motordrehmoments können die Geschwindigkeit des Exoskeletts sowie die Hebe- oder Lasttragfähigkeit des Exoskeletts erhöht werden.
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Auf der Grundlage des vorstehend Erwähnten sollte es leicht verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung ein Exoskelett vorsieht, bei dem ein Betätigungselement einen Motor für das Verdrillen einer Kabelschleife verwendet, um eine Bewegung eines Exoskelettgelenks in einem Abstand vom Motor hervorzurufen, wobei das Gelenk bidirektionalen Bewegungen unterzogen wird und wobei eine Bewegung des Gelenks im Fall eines Reißens der Kabelschleife unterbunden wird, wodurch eine Verletzung eines Trägers des Exoskeletts oder eine weitere Beschädigung des Exoskeletts verhindert wird. Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Exoskelett vor, bei dem ein Gelenk bidirektionalen Bewegungen durch die Wirkung eines einzigen Motors unterzogen wird. Zusätzlich sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung vor, welche die Position und Trennung der vom Betätigungselement verdrillten Kabelschleifenstränge steuert, wobei diese Vorrichtung so wirkt, dass die Kabelschleifenstränge bei jedem Verdrillungszyklus einer geringeren Abnutzung ausgesetzt sind, wodurch die Funktionslebensdauer der Kabelschleife verlängert wird. Wenngleich sie mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte leicht verständlich sein, dass an der Erfindung verschiedene Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden könnten, ohne von ihrem Gedanken abzuweichen. Die Erfindung soll generell nur durch den Schutzumfang der folgenden Ansprüche begrenzt sein.
