DE112017004560T5

DE112017004560T5 - Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017004560T5
Application number: DE112017004560.6T
Authority: DE
Inventors: Rana Soltani-Zarrin; Amin Zeiaee; Reza Langari; Reza Tafreshi
Original assignee: Qatar Foundation for Education Science and Community Development
Current assignee: Qatar Foundation for Education Science and Community Development
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-05-16
Also published as: GB201903064D0; WO2018093448A2; WO2018093448A3; GB2567999A

Abstract

Die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung (10) unterstützt die Rehabilitation eines Oberarms eines menschlichen Patienten, der sich von einem Schlaganfall oder dergleichen erholt. Die Vorrichtung (10) ist ein Exoskelett mit einer Gelenk-Schulteranordnung (12), die über fünf Freiheitsgrade verfügt, einschließlich zumindest zwei Freiheitsgrade, die die innere Schulterbewegung simulieren. Ein Oberarmelement (14) ist schwenkbar an der Schulteranordnung (12) befestigt und eine Unterarmanordnung (16) ist schwenkbar am Oberarmelement (14) befestigt. Ein aufpumpbarer Handgriff (18) erstreckt sich von der Unterarmanordnung (16). Eine Robotersteuereinheit 50 empfängt Signale von den Sensoren (52, 54, 56, 58, 60, 61) und ist ausgebildet, um die Aktuatoren (22, 24, 26, 28, 30, 32), die am Exoskelett befestigt sind, zu aktivieren, um die Oberarmbewegung nach Bedarf zu unterstützen, oder zuzulassen, dass das Exoskelett einer Oberarmbewegung entspricht, wenn keine Unterstützung benötigt wird.

Description

FACHGEBIET
Die Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung betrifft angetriebene Exoskelette zur Rehabilitation von Gliedmaßen von Schlaganfallspatienten und dergleichen, und insbesondere eine Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung einschließlich mehrerer Gelenkspunkte, die durch die Antwort auf Bewegungsrückmeldesignale angetrieben werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Nach einem Schlaganfall, wenn der Patient medizinisch stabil ist, wird das Hauptaugenmerk der Genesung des Patienten auf Rehabilitation gerichtet. Aktuelle Therapien stützen sich hauptsächlich auf Physio- und Ergotherapeuten. Die Kosten, die mit solchen Therapien verbunden sind, sowie die begrenzte Anzahl von verfügbarem Fachpersonal und Arbeitsintensität der Rehabilitationstherapie hemmen die Durchsetzung von hoch intensiven und langen Therapiesitzungen für Schlaganfallspatienten. Da die Intensität und Länge der Rehabilitationstherapie bekanntermaßen einen Einfluss auf die Wirksamkeit der Therapie haben, ist es sichtlich wichtig, die Therapiesitzungen, die von den Physio- und Ergotherapeuten bereitgestellt werden, zu ergänzen. Da die Anzahl der älteren Patienten immer stärker zunimmt, und da die meisten Schlaganfälle bei Menschen über 65 auftreten, wird in naher Zukunft ein enormer Bedarf an Rehabilitation bestehen. Aktuelle manuelle Therapietechniken reichen nicht aus, um diesen steigenden Bedarf zu decken.
Die inhärenten Fähigkeiten von Robotersystemen bei der Erzeugung hoch intensiver, wiederholbarer und präzise kontrollierbarer Bewegungen machen diese zu einer begehrenswerten Möglichkeit für Rehabilitationszwecke. Es wurde gezeigt, dass insbesondere Roboter-Exoskelette für das Bereitstellen einer automatisierten Therapie für die Rehabilitation von paretischen Gliedmaßen wirkungsvoll sind. Trotz der Vorteile von Roboter-Exoskeletten bestehen jedoch große Herausforderungen, die mit der kinematischen Kompatibilität mit dem menschlichen Arm verbunden sind, wodurch die Konstruktion von prothetischen Vorrichtungen herausfordernd ist. Zusätzlich zu den kinematischen Herausforderungen ist auch die Betätigung und Steuerung von Exoskeletten schwierig. Somit ist eine Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung wünschenswert, die die vorstehend erwähnten Probleme löst.
OFFENBARUNG
Bei der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung handelt es sich um ein Gelenk-Exoskelett, das für die Befestigung an einem Oberarm eines menschlichen Patienten angepasst ist. Die Oberarm-Rehabilitationsvorrichtung umfasst eine Gelenk-Schulteranordnung, die für das Anbringen auf einem externen Ständer oder einer Stütze zum Stützen des Gewichts der Vorrichtung angepasst ist, ein Oberarmelement, das schwenkbar an der Schulteranordnung befestigt ist, eine Unterarmanordnung, die schwenkbar an dem Oberarmelement befestigt ist, und einen aufpumpbaren Handgriff, der schwenkbar an der Unterarmanordnung befestigt ist. Darüber hinaus werden eine Vielzahl von Rotationsaktuatoren und eine Vielzahl von Sensoren zur Verbindung mit einer Robotersteuereinheit bereitgestellt. Bei Verwendung ist die Robotersteuereinheit ausgebildet, um nach dem Empfangen von Signalen von der Vielzahl von Sensoren, die eine normale Bewegung des Oberarms eines Benutzers anzeigen, zuzulassen, dass die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung, der Bewegung des Benutzeroberarms entspricht. Darüber hinaus ist die Robotersteuereinheit ausgebildet, um nach dem Empfangen von Signalen von den Sensoren, die eine beeinträchtigte Bewegung des Benutzeroberarms anzeigen, die Vielzahl von Aktuatoren zu aktivieren, um eine gelenkige Bewegung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung zur Unterstützung der Bewegung des Benutzeroberarms bereitzustellen.
Diese und weitere Merkmale der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung werden nach weiterer Durchsicht der folgenden Beschreibung und Zeichnungen offensichtlich.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung.
2 ist ein Blockdiagramm, in dem ein Steuersystem der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung gezeigt wird.
3 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Rotationsaktuators der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung.
4 ist eine Draufsicht der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung mit darüber gelegten physikalischen Denavit-Hartenberg-Parametern und -Koordinaten.
5 ist ein Graph, der Bewegungserfassungsdaten einer Bewegungsbereichsanalyse der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung zeigt.
6 ist ein dreidimensionaler Graph, mit dem Arbeitsspielräume einer Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung mit jenen eines gesunden menschlichen Arms während der Durchführung von Aktivitäten alltäglicher (ADL) Aufgaben verglichen werden.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausbildung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung.

In den gesamten beiliegenden Zeichnungen bezeichnen ähnliche Bezugszeichen entsprechende Merkmale.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung (RULRD) 10 ist ein Gelenk-Exoskelett, das für die Befestigung an einem Oberarm eines menschlichen Patienten angepasst ist. Wie am besten in 1 gezeigt, umfasst die Oberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 eine Gelenk-Schulteranordnung 12, ein Oberarmelement 14, das schwenkbar an der Schulteranordnung 12 befestigt ist, eine Unterarmanordnung 16, die schwenkbar am Oberarmelement 14 befestigt ist, und einen aufpumpbaren Handgriff 18, der schwenkbar an der Unterarmanordnung 16 befestigt ist und sich davon erstreckt. Die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 unterstützt die Rehabilitation des Oberarms eines menschlichen Patienten, der sich von einem Schlaganfall o.ä. erholt. Die Gelenk-Schulteranordnung 12 verfügt über fünf Freiheitsgrade einschließlich zumindest zwei Freiheitsgrade, die eine innere Schulterbewegung simulieren. Insgesamt verfügt die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 über acht Freiheitsgrade, die die Bewegung des Schultergürtels, des Glenohumeral- (GH-) Gelenks, des Ellbogens und des Handgelenks stützen. Von den acht Freiheitsgraden sind sechs Freiheitsgrade aktiv, während die anderen zwei passiv sind. Ein aktiver Freiheitsgrad wird zur Unterstützung von Beugung/Streckung des Ellbogens genutzt, wobei die fünf aktiven vorstehend erwähnten Freiheitsgrade in der Konstruktion der Gelenk-Schulteranordnung 12 genutzt werden, um die Ergonomie der gesamten Vorrichtung 10 zu verbessern. Die zwei passiven Freiheitsgrade des Handgelenks ermöglichen die Einwärtsdrehung/Auswärtsdrehung und Beugung/Streckung des Handgelenks. Die fünf Freiheitsgrade, die für die Gelenk-Schulteranordnung 12 bereitgestellt sind, unterstützen die Bewegung der GH-Gelenksmitte auf der Vorderseite des Körpers. Zusätzlich dazu, wie im Folgenden näher beschrieben wird, umfasst die Vorrichtung 10 ein Schubgelenk 25 und ein Paar von linear verstellbaren Verbindern 42, 46 mit selektiv verstellbaren Längen, wodurch die Vorrichtung einem großen Spektrum an unterschiedlichen Benutzern zugänglich gemacht werden kann.
Wie gezeigt, ist ein Stützelement 38 mit einem ersten Rotationsaktuator 22 über ein selektiv verstellbares Schubgelenk 25 verbunden. Es gilt anzumerken, dass der erste Rotationsaktuator 22 zur Befestigung an einer externen Stütze oder einem Ständer angepasst ist, der das Gewicht der Vorrichtung stützt. Außerdem gilt anzumerken, dass weder Schubgelenk 25 noch Element 38 mit dem Körper des Patienten in Kontakt kommen. Rotationsaktuator 22 und Schubgelenk 25 sind Teil der Gelenk-Schulteranordnung 12 zur Unterstützung der inneren Schulterbewegung. Die Rolle des Gleitfreiheitsgrads (d.h. Bewegung von Schubgelenk 25) ist die automatische Anpassung der Bewegung der Schultermitte (GH) während des Betriebs der Vorrichtung, da der Pfad des GH-Gelenks bekanntermaßen nicht bei allen Patienten gleich ist. In 1 stellt 20 eine Weste oder eine andere Art von Kleidungsstück oder Stütze dar, die vom Benutzer getragen wird. Diese Weste 20 ist üblicherweise lösbar an einem Rollstuhl oder dergleichen befestigt. Wenn sie angezogen ist, wird der erste Rotationsaktuator 22 vorzugsweise im Wesentlichen mittig in Bezug auf den Rücken des Patienten positioniert.
Außerdem ist ein zweiter Rotationsaktuator 24, wie gezeigt, mit dem Stützelement 38 verbunden, sodass sich das Stützelement 38 zwischen dem zweiten Rotationsaktuator 24 und dem selektiv verstellbaren Schubgelenk 25 erstreckt. Die Rotationsachse der Gelenke 22 und 24 muss nicht parallel sein, und zwischen der Ebene von Drehgelenk 24 und der Ebene von Stützelement 38 kann ein Winkel von etwa 10° und etwa 20° vorhanden sein. Vorzugsweise umfasst das selektiv verstellbare Schubgelenk 25 ein Paar von linearen Gebern 61, die in Kommunikation mit Steuerung 50 stehen (wie im Folgenden näher beschrieben wird).
Ein erstes gekrümmtes Schulterelement 34 ist am zweiten Rotationsaktuator 24 und einem drittem Rotationsaktuator 26 befestigt und erstreckt sich zwischen diesen. Die Winkellänge des gekrümmten Schulterelements 34 kann etwa zwischen 50° und 75° betragen. Beispielsweise kann die Winkelspanne 60° betragen. Ein zweites gekrümmtes Schulterelement 36 ist am dritten Rotationsaktuator 26 und einem vierten Rotationsaktuator 28 befestigt und erstreckt sich zwischen diesen. Die Winkellänge des gekrümmten Schulterelements 36 kann etwa zwischen 80° und 100° betragen. Beispielsweise kann die Winkelspanne 90° betragen. Die ersten und zweiten gekrümmten Schulterelemente 34, 36 haken die Schulteranordnung 12 über die Schulter des Patienten. Wie gezeigt, ist der vierte Rotationsaktuator 28 drehend mit dem Oberarmelement 14 verbunden. Die Schulteranordnung 12 ermöglicht die Drehung des Oberarmelements 14 entlang aller drei Achsen von 24, 26 und 28 und repliziert somit ein Kugelgelenk. Die entsprechenden Radien der ersten und zweiten gekrümmten Schulterelemente 34, 36 ermöglichen vorzugsweise eine Überschneidung aller drei Rotationsachsen an einem einzigen Punkt, der äquivalent zum Mittelpunkt des Kugelgelenks ist.
Die Verbindung von Oberarmelement 14 zum vierten Rotationsaktuator 28 ist vorzugsweise winklig, wie in 1 gezeigt, bei etwa 120° bis 150°, z.B. 125°. Der erste und wichtigste physische Interaktionspunkt zwischen dem Exoskelett und dem Arm des Patienten, der Oberarmbügel 70, befindet sich auf dieser Verbindung. Der Winkel in der Geometrie dieser Verbindung verringert den Spalt zwischen dem Oberarm und der entsprechenden Verbindung im Exoskelett, was wiederum zu einer stabileren Schnittstelle zwischen der Vorrichtung 10 und dem Arm des Benutzers führt. Vorzugsweise sind alle Verbindungen der Vorrichtung einschließlich des Stützelements 38, ersten gekrümmten Schulterelements 34, zweiten gekrümmten Schulterelements 36, Oberarmelements 14, verstellbaren Oberarmelements 42, vorderen Armelements 16 einschließlich Verbindung 40 und des verstellbaren vorderen Armelements 46 und jedes der anderen strukturellen Komponenten von Vorrichtung 10 hohl, wodurch die Innenräume jeder strukturellen Komponente zum Durchführen von Drähten, Kabeln und dergleichen genutzt werden kann.
Es gilt zu verstehen, dass jede beliebige geeignete Art von Rotationsaktuatoren verwendet werden kann. Unter Verwendung des dritten Rotationsaktuators 26 als Beispiel stellt 3 eine beispielhafte Anordnung für jeden der Rotationsaktuatoren dar. Wie gezeigt, sind ein Motor 62 und ein Drehwinkelgeber 60 in einem Gehäuse 80 angebracht. Geber 60 misst die Drehbewegung und sendet Rückmeldesignale an die Robotersteuereinheit 50. Es gilt zu verstehen, dass obwohl sie lediglich für den dritten Rotationsaktuator 26 gezeigt wird, die in 3 dargestellte Anordnung auf jeden der anderen Rotationsaktuatoren der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 angewendet werden kann. Vorzugsweise sind die Motoren 62 mit spielfreien Getriebesystemen 56 gekoppelt, wie z.B. den Spannungswellengetriebesystemen von Harmonic Drive^® LLC in Massachusetts, um das Ausgangsmoment der Motoren 62 in dem Maße zu erhöhen, der für Rehabilitationszwecke benötigt wird.
In 1 wird außerdem ein fünfter Rotationsaktuator 30 mit der Unterarmanordnung 16 bereitgestellt, einschließlich eines Unterarmelements 40, das mit dem fünften Rotationsaktuator 30 verbunden ist. Der fünfte Rotationsaktuator 30 ist außerdem, wie gezeigt, mit dem Oberarmelement 14 über einen selektiv verstellbaren ersten linear verstellbaren Verbinder verbunden 42. Ein Oberarmbügel 70 kann an dem Oberarmelement 14 über einen sechsachsigen Kraft/Drehmoment-Sensor zum lösbaren Aufnehmen eines Oberarms des Benutzers befestigt sein. Unterarmstütze 44 ist mit dem Unterarmelement 40 über einen selektiv verstellbaren zweiten linear verstellbaren Verbinder 46 verbunden. Darüber hinaus ist der aufpumpbare Handgriff 18, wie gezeigt, drehbar auf einem passiven Drehgelenk 32 angebracht, das von der Unterarmstütze 44 gestützt wird. Ein Oberarmbügel 70 kann an dem selektiv verstellbaren ersten linear verstellbaren Verbinder 42 zur lösbaren Aufnahme eines Oberarms des Benutzers befestigt sein, und ähnlich dazu kann ein Unterarmbügel 72 an dem selektiv verstellbaren zweiten linear verstellbaren Verbinder 46 zur lösbaren Aufnahme eines Unterarms des Benutzers befestigt sein. Der Oberarmbügel 70 und der Unterarmbügel 72 umfassen vorzugsweise für den Komfort des Benutzers jeweils aufpumpbare Polster. Vorzugsweise umfasst jeder der ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Rotationsaktuatoren 22, 24, 26, 28, 30 ein Paar von Drehwinkelgebern, wobei es sich bei einem um einen Absolutwertgeber 60 und bei dem anderen um einen Inkrementalgeber handelt. Die Inkrementalgeber sind vorzugsweise in die entsprechenden Motoren 62 eingebaut.
Beugung und Streckung des Ellbogens wird vom aktiven Gelenk unterstützt, das das Oberarmelement 14 mit Unterarmanordnung 16 verbindet; d.h. fünfter Rotationsaktuator 30. Die Verstellbarkeit des ersten linear verstellbaren Verbinders 42 und des zweiten linear verstellbaren Verbinders 46 ermöglichen eine enge Ausrichtung des Exoskelett-Gelenks mit dem Ellbogen des Patienten. Die Einwärtsdrehung und Auswärtsdrehung des Unterarms des Benutzers wird durch einen passiven Freiheitsgrad umgesetzt, der von der Unterarmstütze 44, die um das Handgelenkt des Benutzers positioniert ist, bereitgestellt. Der aufpumpbare Handgriff 18 ist der dritte physische Interaktionspunkt zwischen Vorrichtung 10 und dem Patienten. Die Drehkopplung des aufpumpbaren Handgriffs 18 mit Unterarmstütze 44 über das passive Drehgelenk 32 ermöglicht eine passive Beugung und Streckung des Handgelenks. Es gilt zu verstehen, dass passive Freiheitsgrade in der Konstruktion des Handgelenksabschnitts mit angetriebenen Freiheitsgraden ersetzt werden können, um eine aktive Hilfestellung bereitzustellen.
Patienten ohne ausreichend Greifkraft haben mitunter eine instabile Interaktion mit der Vorrichtung 10 über Handgriff 18, daher kann ein alternativer Schnittstellenpunkt genutzt werden. Bei Patienten, die nicht über genügend Greifkraft verfügen, kann ein Gurt oder dergleichen genutzt werden, um die Hand des Patienten locker an der Unterarmstütze 44 zu befestigen und somit einen durchgängigen Kontakt mit der Hand des Patienten sicherzustellen. Der Handgriff 18 ist aus zwei Gründen vorzugsweise aufpumpbar. Erstens kann die Greifkraft des Benutzers gemessen werden, indem der Druck der Flüssigkeit in dem aufpumpbaren Schlauch, der den aufpumpbaren Griff bildet, gemessen wird. Zweitens kann das Aufpumpen des Schlauchs zum Trainieren von Hand und Fingern des Patienten genutzt werden, insbesondere da Objekte unterschiedlicher Größe simuliert werden können.
Es gilt zu verstehen, dass die Form insgesamt und die relativen Dimensionen der beschriebenen Elemente, je nach den speziellen Bedürfnissen des Benutzers variieren können. In 7 beispielsweise wird eine alternative Konfiguration der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 dargestellt, die auf identische Weise mit der vorstehend beschriebenen funktioniert. Zusätzlich dazu umfassen die Schnittstellenpunkte mit dem menschlichen Körper (d.h. Manschetten oder Bügel 70, 72) in der Ausführungsform von 7 vorzugsweise entsprechende Kraftsensoren 61, die außerdem in Kommunikation mit Robotersteuereinheit 50 stehen. 7 kann als Umsetzung der kinematischen Konstruktion von 1 anstelle einer alternativen Ausführungsform gesehen werden, da sie lediglich Modifikationen der Grundkonstruktion von 1 darstellt, die mit dem Ziel einer tatsächlichen Produktion der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 vorgenommen wurden.
Wie bereits angemerkt und wie in 2 dargestellt, stehen die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Rotationsaktuatoren 22, 24, 26, 28, 30 und ein entsprechender Satz von ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten Sensoren 52, 54, 56, 58, 60 zusammen mit den linearen Gebern 61 und den Kraftsensoren vorzugsweise in Kommunikation mit einer Robotersteuereinheit 50. Im Betrieb ist die Robotersteuereinheit 50 ausgebildet, um nach dem Empfangen von Signalen von der Vielzahl von Sensoren 52, 54, 56, 58, 60, 61, die eine normale Bewegung des Oberarms des Benutzers anzeigen, zuzulassen, dass die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 der Bewegung eines Oberarms des Benutzers zu entspricht. Darüber hinaus ist die Robotersteuereinheit 50 ausgebildet, um nach dem Empfangen von Signalen von den Sensoren 52, 54, 56, 58, 60, 61, die eine beeinträchtigte Bewegung des Benutzeroberarms anzeigen, die Vielzahl von Rotationsaktuatoren 22, 24, 26, 28, 30 zu aktivieren, um eine gelenkige Bewegung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 zur Unterstützung der Bewegung des Benutzeroberarms bereitzustellen. Es gilt zu verstehen, dass es sich bei der Robotersteuereinheit 50 um eine beliebige Art von Steuerung, Prozessor, Computer, programmierbare Logiksteuerung oder dergleichen handeln kann. Hierin sind die ersten, zweiten, dritten, vierten und fünften Sensoren 52, 54, 56, 58, 60 vorzugsweise in Form der Geber, die in jedem aktiven Drehgelenk, wie bereits beschrieben, angebracht sind. Zusätzlich zur Steuerung der Rotationsaktuatoren 22, 24, 26, 28, 30 gilt es zu verstehen, dass das Schubgelenk 25, der erste linear verstellbare Verbinder 42 und der zweite linear verstellbare Verbinder 46 auch unter der Steuerung der Robotersteuereinheit 50 betrieben werden können, insbesondere durch die Verwendung von geeigneten linearen Aktuatoren oder dergleichen, um die automatische Anpassung des Roboters an Patienten unterschiedlicher Größe zu ermöglichen.
Wie vorstehend besprochen, verfügt die Schulteranordnung 12 über fünf Freiheitsgrade, die die Bewegung des GH-Gelenks und des Schultergürtels des Benutzers unterstützen. Jeder dieser fünf Freiheitsgrade ist der Vielzahl von Rotationsaktuatoren 22, 24, 26, 28, 30 (und deren entsprechenden Schwenk- oder Drehgelenken) zugeordnet. Die Knochengruppe, aus denen der Schultergürtel besteht, führen beim Hochheben des Arms eine sehr komplexe Bewegung durch, wobei der Nettobeitrag die Verschiebung der GH-Gelenksmitte im dreidimensionalen Raum darstellt. Somit nutzt die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 zwei aktive Freiheitsgrade (bereitgestellt vom ersten Rotationsaktuator 22 und Schubgelenk 25), um die Bewegung der GH-Gelenksmitte in der Vorderseite des menschlichen Körpers nachzuahmen. Die Bewegung der GH-Gelenksmitte ist in die Rücken/Bauch-Richtungen vernachlässigbar, und das Unterstützen dieser Bewegung ist praktisch nicht umsetzbar. Die Verwendung der zwei Freiheitsgrade ermöglicht das wirksame Nachverfolgen des Pfads der GH-Gelenksmitte auf der Vorderseite, ohne dass eine Annäherung mit einem Kreisbogen erforderlich ist. Darüber hinaus ermöglicht die automatische Anpassung der Länge der inneren Schulterverbindung über das Schubgelenk 25, wie vorstehend angemerkt, die Verwendung durch eine Vielzahl von Patienten. Es gilt anzumerken, dass die Anpassung nicht lediglich zur Berücksichtigung unterschiedlicher Patientengrößen dient, sondern auch die automatische Verschiebung der GH-Mitte während der Bewegung ermöglicht. Dieses Gelenk wird unter der Steuerung von Robotersteuereinheit 50 angetrieben, insbesondere durch die Verwendung von linearen Aktuatoren.

Um die Kinematik der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 zu untersuchen, wurde die Denavit-Hartenberg- (DH-) Konvention genutzt, die auf dem Fachgebiet der Erfindung hinreichend bekannt ist. 4 zeigt die Zuordnung der Denavit-Hartenberg-Koordinatensysteme in der vollständig ausgestreckten Konfiguration von Vorrichtung 10. Die Denavit-Hartenberg-Parameter wurden auf herkömmliche Weise berechnet, wie in nachstehend in Tabelle 1 gezeigt, wobei die physikalischen Parameter p₁, p₂, p₃, p₄, p₅ und p₆ in 4 gezeigt werden. Aus dieser Gruppe von physikalischen Parametern können p₃ und p₅ durch das Anpassen der Länge der entsprechenden Verbindungen, basierend auf den Körperdimensionen des Patienten verändert werden, d.h. durch das entsprechende Verstellen des ersten linear verstellbaren Verbinders 42 und des zweiten linear verstellbaren Verbinders 46, je nach den speziellen physischen Dimensionen des Patienten. Tabelle 1: Denavit-Hartenberg- (DH-) Parameter

Verbindung	DH-Parameter
Verbindung	a_i	a_i	d_i	θ_i
1	0	-90°	0	$θ_{1}^{*}$
2	0	100°	$d_{2}^{*}$	0
3	0	70°	p₁	$θ_{3}^{*}$
4	0	90°	0	$θ_{4}^{*}$
5	0	-35°	$- p_{2} - (\frac{p_{3}}{cos 55 °})$	$θ_{5}^{*}$
6	0	90°	p₃ tan(55°) + p₄	$θ_{6}^{*}$
7	0	-90°	-p₅	$θ_{7}^{*}$
8	p₆	0°	0	$θ_{8}^{*}$

Die Kompatibilität der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 mit der natürlichen Bewegung des menschlichen Arms wurde durch das experimentelle Untersuchen des unterstützten Bewegungsbereichs verifiziert. Die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 wurde in voller Größe 3D-gedruckt und an einen Menschen angepasst und an diesem getestet. Da die Drehachsen der Schulteranordnung 12 keine biologischen Drehachsen des Arms sind, ist die Untersuchung ihres Bewegungsbereichs zur Bestimmung des von der Vorrichtung unterstützten Bewegungsbereichs nicht entscheidend. Daher wurde der Bewegungsbereich der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 unter Verwendung eines reflektierenden Bewegungserfassungssystems bestimmt. Zwei Reflektoren wurden auf jedem Abschnitt der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 platziert, und drei Reflektoren wurden auf der Vorrichtungsbasis platziert, um das Körperkoordinatensystems zu definieren. Durch das Nachverfolgen der Position der zwei Marker wurde die Ausrichtung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 in Bezug auf das Körpergerüst bestimmt, und der erreichbare Bewegungsbereich durch die manuelle Betätigung der Exoskelett-Gelenke berechnet. 5 zeigt ein Beispiel der erfassten Daten, wobei die gestrichelten und gepunkteten Kurven die entsprechenden Pfade der Reflektoren und die Pfeile die anfängliche und finale Ausrichtung des Arms zeigen.
In der nachstehenden Tabelle 2 wird der Bewegungsbereich (ROM) der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 und der ROM eines gesunden menschlichen Arms verglichen, zusammen mit dem ROM, der zur Durchführung von Aktivitäten des täglichen Lebens (ADL) erforderlich ist. Es ist wichtig anzumerken, dass der vollständige Bewegungsbereich, der von der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 unterstützt wird, größer als die Tabelle 2 angeführten Werte ist. Die ROM-Werte in Tabelle 2, die mit einem Stern spezifiziert sind, sind die Werte, die von dem ROM eines gesunden menschlichen Arms begrenzt werden. Tabelle 2 zeigt Werte zur Schulter-Beugung/Streckung (Sh-Fl), Abduktion/Adduktion (Sh-Ab), horizontaler Abduktion/Adduktion (Sh-HA), Ellbogen-Beugung/Streckung (Elb-Fl), Unterarm-Einwärtsdrehung/Auswärtsdrehung (Arm-Pr) und Handgelenk-Beugung/Streckung (Wr-Fl). Der Bewegungsbereich der internen/externen Rotation der Schulter ist nicht umfasst, das sie vom Hochheben und horizontalen Abspreizen des Arms abhängt. Tabelle 2: Bewegungsbereich (°)

Sh-Fl Sh-Ab Sh-HA Elb-Fl Arm-Pr Wr-Fl

Vorrichtung 10 180 180* 140 150* 155 160*

ADL 110 100 130 150 150 115

Gesunder menschl. Arm 180 180 180 150 180 160

Wie in Tabelle 2 gezeigt, liegt der Bewegungsbereich der Vorrichtung sehr nahe an jenem eines gesunden menschlichen Arms und deckt den Bewegungsbereich, der für ADL-Aufgaben benötigt wird, vollständig ab. Um den gesamten Arbeitsspielraum der Vorrichtung zu identifizieren, wurden Einschränkungen des Drehbereichs für jedes Gelenk der Verbindung 10 ermittelt. Die Grenzwerte liegen an der physikalischen Beeinträchtigung der Vorrichtung mit sich selbst und dem physischen Anschlag, der in die Ellbogenkonstruktion der Vorrichtung integriert ist, um eine Überstreckung des Ellbogens zu verhindern und eine sichere Verwendung der Vorrichtung sicherzustellen. Die Gelenksrotationsgrenzwerte werden in der nachstehenden Tabelle 3 angeführt. In Tabelle 3 kennzeichnet das Symbol † einen vollen Takt des linearen Motors. Die mit einem Stern versehenen Werte kennzeichnen die Einschränkung aufgrund des physischen Anschlags. Tabelle 3: Gelenksrotationsgrenzen (Radianten)

	θ₁	$d_{2}^{†}$	θ₃	θ₄	θ₅	θ₆	θ₇	θ₈
Minimum	-π	d_min	-π	-π	$- \frac{3 π}{4}$	$- \frac{7 π}{18}$	$- \frac{3 π}{4}$	$- \frac{3 π}{2}$
Maximum	π	d_max	π	π	$\frac{3 π}{4}$	0*	$\frac{π}{4}$	$\frac{3 π}{2}$

Der gesamte Arbeitsspielraum der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 als Roboter-Manipulator wird durch das Ersetzen der Gelenksbereichswerte in der Vorwärtskinematik des Exoskeletts ermittelt. In der nachstehenden Tabelle 4 werden die Werte der Parameter gezeigt, die in den Vorwärtskinematikgleichungen zur Simulation des Arbeitsspielraums genutzt wurden. Tabelle 4: In der DH-Formel genutzte Parameter

Parameter p₁ p₂ p₃ p₄ p₅ p₆

Einheit (cm) 7,735 24,00 8,974 8,974 29,3 6,23
Um den Arbeitsspielraum von Vorrichtung 10 im Therapiemodus graphisch darzustellen (d.h. in Gegenwart des Patienten, der die Vorrichtung trägt), wurde die Bewegung des Endeffektors der Vorrichtung mit dem Bewegungserfassungssystem aufgezeichnet, wenn sie der Bewegung eines gesunden menschlichen Arms während ADL-Aufgaben entsprach. In 6 werden die zwei Arbeitsspielräume verglichen; d.h. jene der ADL-Aufgaben und jene der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung (RULRD) 10.
Da die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung 10 für das Trainieren von Schlaganfallspatienten für ADL-Aufgaben gedacht ist, müssen die benötigten Drehmomentwerte, die für die Konstruktion des Antriebssystems genutzt werden, dementsprechend ausgewählt werden. Die benötigten Kraft/Drehmoment-Berechnungen wurden für ein Worst-Case-Szenario durchgeführt, um sicherzustellen, dass Vorrichtung 10 in der Lage ist, ein großes Spektrum von Patienten mit unterschiedlichem Gewicht zu unterstützen. In der nachstehenden Tabelle 5 werden verfügbare Kraft und Drehmoment bei jedem angetriebenen Freiheitsgrad der Vorrichtung gezeigt. Tabelle 5: Kraft- und Drehmomentvoraussetzungen

Aktuator 1 2 3 4 5 6

Verfügbar 53,3 58 31,9 31,9 31,9 21,44

Einheit N·m N N·m N·m N·m N·m
Es gilt zu verstehen, dass die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nicht auf die spezifischen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern beliebige und sämtliche Ausführungsformen innerhalb des Schutzumfangs der allgemeinen Sprache der folgenden Patentansprüche umfasst, die durch die hierin beschriebenen Ausführungsformen befähigt sind, oder anderweitig in den Zeichnungen dargestellt oder vorstehend in Worten beschrieben sind, die für die Befähigung von Fachleuten auf dem Gebiet der Erfindung ausreichen, um den beanspruchten Gegenstand herzustellen und zu verwenden.

Claims

Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Gelenk-Schulteranordnung; ein Oberarmelement, das schwenkbar an der Schulteranordnung befestigt ist; eine Unterarmanordnung, die schwenkbar am Oberarmelement befestigt ist; ein aufpumpbarer Handgriff, der schwenkbar an der Unterarmanordnung befestigt ist; eine Vielzahl von Rotationsaktuatoren; ein linearer Aktuator; eine Vielzahl von Sensoren; und eine Robotersteuereinheit, wobei die Robotersteuereinheit ausgebildet ist, um nach dem Empfangen von Signalen von der Vielzahl von Sensoren, die eine normale Bewegung des Oberarms eines Benutzers anzeigen, zuzulassen, dass die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung der Bewegung des Benutzeroberarms entspricht, und ausgebildet ist, um nach dem Empfangen von Signalen von den Sensoren, die eine beeinträchtigte Bewegung des Benutzeroberarms anzeigen, die Vielzahl von Aktuatoren zu aktivieren, um eine gelenkige Bewegung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung zur Unterstützung der Bewegung des Benutzeroberarms bereitzustellen.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren erste, zweite, dritte und vierte Rotationsaktuatoren umfasst, und wobei die Gelenk-Schulteranordnung Folgendes umfasst: ein Stützelement, das mit dem ersten Rotationsaktuator über ein selektiv verstellbares Schubgelenk verbunden ist, wobei der zweite Rotationsaktuator ferner mit dem Stützelement verbunden ist, wobei sich das Stützelement zwischen dem zweiten Rotationsaktuator und dem selektiv verstellbaren Schubgelenk erstreckt; ein erstes gekrümmtes Schulterelement, das an den zweiten und dritten Rotationsaktuatoren befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt; und ein zweites gekrümmtes Schulterelement, das an den dritten und vierten Rotationsaktuatoren befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt, wobei der vierte Rotationsaktuator mit dem Oberarmelement verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren ferner einen fünften Rotationsaktuator umfasst, und wobei die Unterarmanordnung ein Unterarmelement umfasst, das mit dem fünften Rotationsaktuator verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der fünfte Rotationsaktuator mit dem Oberarmelement über einen selektiv verstellbaren ersten linear verstellbaren Verbinder verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 4, die ferner eine Unterarmstütze umfasst, die mit dem Unterarmelement über einen selektiv verstellbaren zweiten linear verstellbaren Verbinder verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren ferner eine passives Drehgelenk umfasst, und wobei der aufpumpbare Handgriff schwenkbar auf dem passiven Drehgelenk angebracht ist, wobei das passive Drehgelenk von der Unterarmstütze gestützt wird.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Oberarmbügel umfasst, der an dem Oberarmelement zum lösbaren Aufnehmen eines Oberarms des Benutzers befestigt ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Unterarmbügel umfasst, der an dem selektiv verstellbaren zweiten linear verstellbaren Verbinder zum lösbaren Aufnehmen eines Unterarms des Benutzers befestigt ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Gelenk-Schulteranordnung; ein Oberarmelement, das schwenkbar an der Schulteranordnung befestigt ist; eine Unterarmanordnung, die schwenkbar am Oberarmelement befestigt ist; eine Vielzahl von Rotationsaktuatoren; ein linearer Aktuator; eine Vielzahl von Sensoren; und eine Robotersteuereinheit, wobei die Robotersteuereinheit ausgebildet ist, um nach dem Empfangen von Signalen von der Vielzahl von Sensoren, die eine normale Bewegung des Oberarms eines Benutzers anzeigen, zuzulassen, dass die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung, der Bewegung des Benutzeroberarms entspricht, und ausgebildet ist, um nach dem Empfangen von Signalen von den Sensoren, die eine beeinträchtigte Bewegung des Benutzeroberarms anzeigen, die Vielzahl von Aktuatoren zu aktivieren, um eine gelenkige Bewegung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung zur Unterstützung der Bewegung des Benutzeroberarms bereitzustellen.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 9, die ferner einen aufpumpbaren Handgriff umfasst, der schwenkbar an der Unterarmanordnung befestigt ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren erste, zweite, dritte und vierte Rotationsaktuatoren umfasst, und wobei die Gelenk-Schulteranordnung Folgendes umfasst: ein Stützelement, das mit dem ersten Rotationsaktuator über ein selektiv verstellbares Schubgelenk verbunden ist, wobei der zweite Rotationsaktuator ferner mit dem Stützelement verbunden ist, wobei sich das Stützelement zwischen dem zweiten Rotationsaktuator und dem selektiv verstellbaren Schubgelenk erstreckt; ein erstes gekrümmtes Schulterelement, das an den zweiten und dritten Rotationsaktuatoren befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt; und ein zweites gekrümmtes Schulterelement, das an den dritten und vierten Rotationsaktuatoren befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt, wobei der vierte Rotationsaktuator mit dem Oberarmelement verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren ferner einen fünften Rotationsaktuator umfasst, und wobei die Unterarmanordnung ein Unterarmelement umfasst, das mit dem fünften Rotationsaktuator verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der fünfte Rotationsaktuator mit dem Oberarmelement über einen selektiv verstellbaren ersten linear verstellbaren Verbinder verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 13, die ferner eine Unterarmstütze umfasst, die mit dem Unterarmelement über einen selektiv verstellbaren zweiten linear verstellbaren Verbinder verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren ferner eine passives Drehgelenk umfasst, und wobei der aufpumpbare Handgriff schwenkbar auf dem passiven Drehgelenk angebracht ist, wobei das passive Drehgelenk von der Unterarmstütze gestützt wird.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 10, die ferner einen Oberarmbügel umfasst, der an dem Oberarmelement zum lösbaren Aufnehmen eines Oberarms des Benutzers befestigt ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 10, die ferner einen Unterarmbügel umfasst, der an dem selektiv verstellbaren zweiten linear verstellbaren Verbinder zum lösbaren Aufnehmen eines Unterarms des Benutzers befestigt ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Gelenk-Schulteranordnung; ein Oberarmelement, das schwenkbar an der Schulteranordnung befestigt ist; einen Oberarmbügel zur lösbaren Aufnahme eines Oberarms eines Benutzers; eine Unterarmanordnung, die schwenkbar an dem Oberarmelement befestigt ist; einen Unterarmbügel zur lösbaren Aufnahme eines Unterarms des Benutzers; einen aufpumpbaren Handgriff, der sich von der Unterarmanordnung erstreckt; eine Vielzahl von Rotationsaktuatoren; einen linearen Aktuator; eine Vielzahl von Sensoren; und eine Robotersteuereinheit, wobei die Robotersteuereinheit ausgebildet ist, um nach dem Empfangen von Signalen von der Vielzahl von Sensoren, die eine normale Bewegung des Oberarms eines Benutzers anzeigen, zuzulassen, dass die Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung, der Bewegung des Benutzeroberarms entspricht, und ausgebildet ist, um nach dem Empfangen von Signalen von den Sensoren, die eine beeinträchtigte Bewegung des Benutzeroberarms anzeigen, die Vielzahl von Aktuatoren zu aktivieren, um eine gelenkige Bewegung der Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung zur Unterstützung der Bewegung des Benutzeroberarms bereitzustellen.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren erste, zweite, dritte und vierte Rotationsaktuatoren umfasst, und wobei die Gelenk-Schulteranordnung Folgendes umfasst: ein Stützelement, das mit dem ersten Rotationsaktuator über ein selektiv verstellbares Schubgelenk verbunden ist, wobei der zweite Rotationsaktuator ferner mit dem Stützelement verbunden ist, wobei sich das Stützelement zwischen dem zweiten Rotationsaktuator und dem selektiv verstellbaren Schubgelenk erstreckt; ein erstes gekrümmtes Schulterelement, das an den zweiten und dritten Rotationsaktuatoren befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt; und ein zweites gekrümmtes Schulterelement, das an den dritten und vierten Rotationsaktuatoren befestigt ist und sich zwischen diesen erstreckt, wobei der vierte Rotationsaktuator mit dem Oberarmelement verbunden ist.
Roboteroberarm-Rehabilitationsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von Rotationsaktuatoren ferner einen fünften Rotationsaktuator umfasst, und wobei die Unterarmanordnung ein Unterarmelement umfasst, das mit dem fünften Rotationsaktuator verbunden ist, wobei der fünfte Rotationsaktuator mit dem Oberarmelement über einen selektiv verstellbaren ersten linear verstellbaren Verbinder verbunden ist.