DE19647741C1 - Anordnung zum Beeinflussen von Bewegungen mindestens eines Körperteiles eines Lebewesens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Beeinflussen von Bewegungen mindestens eines Körperteiles eines Lebewesens, bei der der Körperteil über ein Körperkopplungsglied mit ei­ nem mindestens mit dem Freiheitsgrad zwei beweglichen End­ punkt einer Gelenke und Verbindungsglieder aufweisenden, von einem festen Punkt im Raum ausgehenden kinematischen Kette koppelbar ist, bei dem die Lage und die Bewegungen der Ver­ bindungsglieder durch eine Vielzahl von Lage- und Geschwin­ digkeitssensoren erfaßbar sind, bei dem zum Erfassen von Kräften und Momenten im Bereich des Körperkopplungsgliedes mindestens ein Kraft-/Momentensensor dient und bei dem die Signale der Sensoren unter Zuhilfenahme einer Steuerung zum Beeinflussen der Bewegungen eines oder mehrerer Gelenke nutz­ bar sind.

Aus der EP 0 569 4891 B1 ist eine Anordnung der in Betracht gezogenen Art bekannt, bei der im Bereich der Gelenke der kinematischen Kette Bremseinrichtungen vorgesehen sind, durch die den Kräften, welche vom jeweiligen Körperteil auf das Körperkopplungsglied übertragen werden, ein durch den Rechner steuerbarer Wider stand entgegengesetzt wird. Bei der bekann­ ten Anordnung handelt es sich folglich um eine vom Benutzer "geführte" passive Anordnung, mit der ein bestimmtes Thera­ piekonzept verfolgt wird, das insbesondere darin besteht, zufälligen, nicht durch den Willen des jeweiligen Lebewesens beeinflußbare Körperteilbewegungen zu dämpfen. Gleichzeitig ermöglicht die bekannte Anordnung in Verbindung mit einem Monitor die Ansteuerung eines Zieles unter Überwindung von Kräften.

Der vorliegenden Erfindung liegt ein mit der Zielsetzung der bekannten Anordnung nicht in Einklang stehendes Therapiekon­ zept zugrunde. Anders als die bekannte Anordnung soll die Anordnung nach der Erfindung nämlich nicht eine passive, son­ dern eine aktive Funktion erfüllen, indem sie die Möglichkeit bietet, dem mit dem Körperkopplungsglied verbundenen Körper­ teil eine Bewegung längs einer im wesentlichen vorgegebenen Bahn aufzuzwingen. Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Verbindungsglieder miteinander verbindenden Ge­ lenke mit mindestens momenten- und positionsgeregelten An­ trieben ausgestattet sind, die im Zuge eines Bewegungsablau­ fes zur durch die Steuerung geregelten Positionierung der Verbindungsglieder nutzbar sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung bietet gegenüber der bekannten Anordnung den Vorteil, daß sie als aktiver Übungs- bzw. Trai­ ningspartner nutzbar ist. Insbesondere zur Übung und Verbes­ serung von Körpermotorik kann ein Körperteil entweder längs einer fest vorgegebenen Bahn ohne Reaktionen auf Aktionen des jeweiligen Lebewesens oder aber unter Berücksichtigung von Aktionen des Lebewesens und Zulassung begrenzter Abweichungen von der vorgegebenen Bahn entlang dieser Bahn geführt werden.

Es werden so beispielsweise nicht nur völlig neue Therapie­ möglichkeiten für partiell gelähmte Personen eröffnet, son­ dern auch die Voraussetzungen für ein muskel- und gelenkge­ rechtes Bewegungstraining und für eine Optimierung von Bewe­ gungsabläufen von Leistungssportlern geschaffen. Unter Aus­ nutzung der vom Kraft-/Momentensensor gelieferten Signale können sowohl die zulässigen Abweichungen von einer vorgege­ benen Sollbahn als auch der zeitliche Ablauf der geführten Bewegungen modifiziert werden. Darüber hinaus gestattet es die Anordnung, Bewegungen, die beispielsweise von einem Pa­ tienten vor einer Operation mit oder ohne Belastung ausge­ führt werden, zu erfassen, um sie nach der Operation zu Reha­ bilitationszwecken als Sollbewegungen zu nutzen und auf diese Art und Weise eine Überbeanspruchung von Gelenken zu vermei­ den. Schließlich lassen sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Bewegungsabläufe durch Daten bzw. Signale modi­ fizieren, die der Steuerung der Anordnung von externen, bio­ physiologische Größen erfassenden Systemen zugeführt werden, wobei es sich bei diesen Systemen beispielsweise um solche handeln kann, die den Blutdruck, den Pulsschlag oder unter­ schiedliche Körperpositionen erfassen. In allen Fällen bedarf es nicht der Übereinstimmung von Bewegungs- und Kraft­ richtung.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung einer in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungs­ form der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaubild einer Anordnung zum Beeinflussen der Bewegungen eines menschlichen Beines,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung nach dem Blockschaubild gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 wiederum in Form eines Blockschaubildes den grundsätz­ lichen Aufbau eines momenten- und positionsgeregelten Antriebes und dessen Verknüpfung mit zwei aufeinander folgen­ den Verbindungsgliedern.

In Fig. 1 stellen durchgezeichnete Linien mechanische Kopp­ lungen einzelner Komponenten dar, während gestrichelte Linien elektronischen Verbindungen entsprechen und den Daten­ austausch zwischen einzelnen Komponenten symbolisieren.

Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, ist ein Mensch 100 über ein Körperkopplungsglied 200 mit einem Kraft-/Momentensensor 300 verbunden. In aller Regel wird man aus Kostengründen Anordnungen verwenden, die eine Ankopplung an nur einen Körperteil zulassen, es ist jedoch durchaus mög­ lich, eine Anordnung so auszugestalten, daß eine Kopplung mit mehreren Körperteilen erfolgen kann. Der Kraft-/Momenten­ sensor 300 liefert Signale sowohl an eine Steuerung 500 als auch an einen mit einem Analysesystem ausgestatteten Bedien­ rechner 600, der mit der Steuerung 500 kommuniziert. Eine Kommunikation in Form eines Datenaustausches findet auch zwi­ schen der Antriebsmotorik 410 des den Hauptteil der Anordnung bildenden Manipulators 400 und der Steuerung 500 sowie zwi­ schen der Antriebssensorik 420 des Manipulators 400 und der Steuerung 500 sowie dem Bedienrechner 600 statt. Durch die punktierte Umrahmung der Antriebsmotorik 410 und der An­ triebssensorik 420 ist angedeutet, daß als Antriebe kompakte momenten- und positionsgeregelte Antriebe zum Einsatz gelan­ gen, die mit Lage- und Geschwindigkeitssensoren ausgestattet sind.

Den grundsätzlichen Aufbau des Manipulators 400 zeigt die Fig. 2. Wie ihr entnommen werden kann, weist der Manipulator 400 eine mit seiner Umgebung verbundene Manipulatorbasis 401 und eine Vielzahl von ein Gestänge bildenden Verbindungsglie­ dern 402 bis 407 auf. Die jeweils aufeinanderfolgenden Ver­ bindungsglieder sind über jeweils einen eine Vielzahl von aktiven Drehgelenken bildenden momenten- und positionsgere­ gelten Antrieben 411 bis 416 miteinander gekoppelt, wobei die durch kleine Kreise symbolisierten Drehachsen der Antriebe 411 bis 413 senkrecht zur Zeichnungsebene stehen, während die durch jeweils zwei Dreiecke symbolisierten Drehachsen 414 bis 416 in der Zeichnungsebene liegen. Der Manipulator 400 bildet in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform folglich eine unverzweigte kinematische Kette, an deren Endpunkt das mit ihm über den Kraft-/Momentensensor 300 verbundene Körper­ kopplungsglied 200 mit dem Freiheitsgrad sechs frei im Raum bewegt werden kann. Es versteht sich, daß auch andere kinema­ tische Verknüpfungen in Betracht kommen, und dies unter Ein­ beziehung geschlossener Teilstrukturen, bei denen die Antrie­ be beispielsweise nicht selbst die Gelenke bilden und bei der für ihre dynamische Ausbalancierung zusätzliche Bauteile, wie Ausgleichsgewichte oder Ausgleichsfedern, zur Anwendung ge­ langen. Angestrebt wird in jedem Fall eine Bauweise möglichst geringer Trägheit, um eine schnelle Rückkopplung der Sensor­ signale auf die Bewegungen des mit dem Manipulator verbunde­ nen Körperteiles zu erreichen. Demgegenüber halten sich die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit der Antriebe in nicht allzu engen Grenzen, so daß ein Aufbau mit ver­ gleichsweise geringer Steifigkeit möglich ist.

Bei dem das Körperkopplungsglied 200 mit dem Manipulator 400 verbindenden Kraft-/Momentensensor 300 handelt es sich um ein handelsübliches Produkt der Firma IpeA/Berlin (Typ KMS 200). Er erfaßt jeweils drei senkrecht zueinander wirkende Kräfte und Momente und ist mit einem Überlastschutz sowie einer in­ tegrierten Logik versehen, die für eine softwaremäßige Über­ wachung von maximal zulässigen Kräften und Momenten geeignet ist.

Als Steuerung 500 kann ein Mikrocomputer verwendet werden, der neben Schnittstellen für die Sensorsignalverarbeitung Schnittstellen zur Steuerung der Antriebe sowie eine bidi­ rektionale Schnittstelle zum Bedienrechner 600 aufweist. Ein in die Steuerung 500 integrierter Steuerrechner verarbeitet ihm zugeleitete Sensorsignale entsprechend einem vom Bedien­ rechner 600 vorgegebenen Programm und dient zur lage-, geschwindigkeits-, kraft- und momentenabhängigen Regelung der Antriebe 411 bis 416. Die jeweilige Steuerungsinformation wird parallel zum Bedienrechner 600 übertragen, um über des­ sen Analysesystem zeitadäquat zu den Steuerungsereignissen eine Meßdatenauswertung, -darstellung und -archivierung zu ermöglichen.

Der Bedienrechner 600 kann von einem PC mit Interfacekarten für den Empfang der Sensorsignale und mit einem Interface zum Rechner der Steuerung 500 ausgebildet sein, wobei zum PC min­ destens eine Tastatur, ein grafikfähiger Bildschirm, ein großer Massenspeicher für die Aufnahme von Daten und eine Computermaus gehören.

Fig. 3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes und als Bei­ spiel die Integration eines einzelnen Antriebs 412 in die kinematische Kette des Manipulators 400. Mit Hilfe des An­ triebs 412 läßt sich die Lage zwischen den Verbindungsglie­ dern 403 und 404 bestimmen und verändern; wobei das Verbin­ dungsglied 403 im Verhältnis zum Verbindungsglied 404 ein Vorgängerglied, letzteres hingegen ein Nachfolgeglied bildet. Die Positionierung erfolgt über eine Welle des Antriebs 412, der eine Untersetzung 432 nachgeschaltet ist, deren Ausgang drehfest mit dem Nachfolgeglied 404 in Verbindung steht. Die Relativlage und die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Vor­ gängerglied 403 und dem Nachfolgeglied 404 werden durch einen dem Antrieb 412 zugeordneten Lage-/Geschwindigkeitssensor 422 erfaßt. Eine dem Antrieb 412 zugeordnete Bremse 442 dient zum Arretieren der Verbindungsglieder 402-407 in den Fällen eines Stromausfalls oder der Abschaltung der Anordnung, die in Notsituationen beispielsweise vom Bedienrechner 600 ausge­ löst werden kann. Die Bremse 442 ist so ausgelegt, daß sie zusammen mit entsprechenden Bremsen der übrigen Antriebe 411, 413, 414, 415 und 416 den Manipulator 400 einschließlich ei­ ner zulässigen Zulast in jeder beliebigen Lage selbsthaltend hält. Die Bremse 442 wird zweckmäßigerweise auch bei einem längeren Halt wirksam, um die Antriebe zu entlasten.

Claims (4)

1. Anordnung zum Beeinflussen von Bewegungen mindestens eines Körperteiles eines Lebewesens, bei der der Körperteil über ein Körperkopplungsglied mit einem mindestens mit dem Frei­ heitsgrad zwei beweglichen Endpunkt einer Gelenke und Verbin­ dungsglieder aufweisenden, von einem festen Punkt im Raum ausgehenden kinematischen Kette koppelbar ist, bei dem die Lage und die Bewegungen der Verbindungsglieder durch eine Vielzahl von Lage- und Geschwindigkeitssensoren erfaßbar sind, bei dem zum Erfassen von Kräften und Momenten im Be­ reich des Körperkopplungsgliedes mindestens ein Kraft-/Momentensensor dient und bei dem die Signale der Sensoren unter Zuhilfenahme einer Steuerung zum Beeinflussen der Bewe­ gungen eines oder mehrerer Gelenke nutzbar sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Verbindungsglieder (402-407) mit­ einander verbindenden Gelenke mit mindestens momenten- und positionsgeregelten Antrieben (411-416) ausgestattet sind, die im Zuge eines Bewegungsablaufes zur durch die Steuerung (500) geregelten Positionierung der Verbindungsglieder (402-407) nutzbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (500) die Antriebe (411-416) so steuert, daß das Körperkopplungsglied (200) in Abhängigkeit von den Signalen des Kraft-/Momentensensors (300) eine räumlich und zeitlich vorgebbare Bewegung ausführt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Speicher für die von den Sensoren geliefer­ ten und zu Dokumentationszwecken abrufbaren Daten versehen ist.

4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Steuerung (500) ge­ steuerten Bewegungsabläufe zusätzlich durch Daten beein­ flußbar sind, die der Steuerung (500) von externen, biophysiologische Größen erfassenden Systemen zugeführt werden.