DE202013012800U1

DE202013012800U1 - Vorrichtung zum Entlasten eines Körpergewichts eines Benutzers während der körperlichen Aktivität des Benutzers, insbesondere für das Gangtraining

Info

Publication number: DE202013012800U1
Application number: DE202013012800.3U
Authority: DE
Original assignee: Reha Stim Medical Solutions AG; Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Current assignee: Reha Stim Medical Solutions AG; Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Universitaet Zuerich
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2013-02-09
Publication date: 2020-05-26
Anticipated expiration: 2023-02-10
Also published as: DE202013012799U1; CA2861575C; US9801775B2; CA2861575A1; US10470965B2; AU2013217939A1; EP2811962A1; JP2015511151A; US20150320632A1; JP5922800B2; EP2811962B1; US20180055715A1; WO2013117750A1; EP2626051A1; AU2013217939B2

Abstract

Vorrichtung, insbesondere zum Entlasten eines Körpergewichts eines Benutzers während körperlicher Betätigung des Benutzers, insbesondere für Gehübungen des Benutzers, die Folgendes aufweist:
eine Vielzahl an Seilen (41, 42, 43, 44), wobei sich jedes Seil (41, 42, 43, 44) von einer zugeordneten Antriebseinheit (510, 520, 530, 540) zu einer zugehörigen Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) erstreckt und von dieser abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) dazu ausgebildet sind, verschoben, insbesondere linear verschoben zu werden,
wobei die Antriebseinheiten (510, 520, 530, 540) dazu ausgebildet sind, das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44) einzuziehen und zu lösen, um so eine aktuelle Seilkraft (FR) entlang des jeweiligen Seils (41, 42, 43, 44) einzustellen, wobei sich die aktuellen Seilkräfte (FR) zu einer aktuellen resultierenden Kraft (F) addieren, die auf den Benutzer (4) ausgeübt wird,
um den Benutzer (4) zu entlasten und/oder eine Kraft auf den Benutzer (4) in einer horizontalen Ebene auszuüben, insbesondere bei der körperlichen Betätigung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere zum (zum Beispiel geführten) Entlasten eines Körpergewichts eines Benutzers während körperlicher Betätigung des Benutzers, insbesondere für Gehübungen des Benutzers (zum Beispiel Patienten), insbesondere für das Gangtraining.
Typischerweise wird bei bekannten Vorrichtungen dieser Art ein Benutzer statisch von einer Hebelinie gehängt, während er auf einem Laufband geht. Damit sind die Arten an körperlicher Betätigung (Übungen), die von dem Benutzer ausgeführt werden können, eher begrenzt.
Basierend auf dem Obigen liegt das Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Reihe an unterschiedlichen körperlichen Betätigungen oder Bewegungen gestattet, wobei der Benutzer gleichzeitig auf eine definierte Weise sicher gestützt wird.
Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und alternativ durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 18 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen werden in den jeweiligen Unteransprüchen angeführt und werden unten beschrieben.
Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl an Kraftsensoren zum Bestimmen der aktuellen Seilkräfte aufweisen.
Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen, die zum Steuern der Antriebseinheiten ausgebildet ist, um die aktuelle resultierende Kraft einzustellen, wobei die Steuereinheit zum Steuern der Antriebseinheiten derart ausgebildet ist, dass sich die aktuelle resultierende Kraft einer gewünschten Kraft annähert.
Die Ablenkeinrichtungen können dazu ausgebildet sein, aufgehängt zu werden, insbesondere an einem Tragrahmen oder an einer Decke eines Raumes.
Bei der Vorrichtung kann jede der Führungsschienen, insbesondere die beiden Führungsschienen dazu ausgebildet sein, mit einer Tragkonstruktion verbunden zu werden, insbesondere mit einem Tragrahmen der Vorrichtung oder mit einer Decke eines Raumes, und wobei insbesondere die beiden Führungsschienen parallel zueinander verlaufen, wobei insbesondere jede Führungsschiene um ihre Achse, insbesondere ihre Längsachse, geneigt ist, insbesondere um einen Winkel von 45°.
Vorzugsweise können eine erste und zweite Ablenkeinrichtung mit der ersten Führungsschiene und eine dritte und vierte Ablenkeinrichtung mit der zweiten Führungsschiene verschiebbar verbunden sein, so dass diese jeweils entlang der ersten bzw. zweiten Führungsschiene entlang deren Achse, insbesondere Längsachse, gleiten können.
Die Ablenkeinrichtungen können jeweils eine Basis aufweisen, über welche die jeweilige Ablenkeinrichtung mit der zugehörigen Führungsschiene verschiebbar verbunden ist, und wobei insbesondere jede Ablenkeinrichtung einen Arm aufweist, der an der Basis der jeweiligen Ablenkeinrichtung gelenkig gelagert ist, so dass der jeweilige Arm in Bezug auf die jeweilige Basis um eine parallel zu der Achse (L, L') der jeweiligen Führungsschiene verlaufende Schwenkachse schwenkbar ist, und wobei insbesondere die Ablenkeinrichtungen jeweils ein mit dem jeweiligen Arm verbundenes Ablenkelement aufweisen, um welches Ablenkelement herum das jeweilige Seil zum Umlenken des Seils gelegt ist, und wobei insbesondere das Ablenkelement eine Rolle ist, die drehbar mit dem jeweiligen Arm verbunden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist für jede Ablenkeinrichtung ein Arretierungsmittel zum Arretieren der jeweiligen Ablenkeinrichtung gegenüber der zugehörigen Führungsschiene vorgesehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Ablenkeinrichtung durch ein Verbindungselement verbunden, um eine erste Ablenkeinheit zu bilden, und die dritte und die vierte Ablenkeinrichtung durch ein Verbindungselement verbunden, um eine zweite Ablenkeinheit zu bilden.
Die Verbindungselemente können elastisch oder unelastisch sein.
Die Verbindungselemente können die gleiche Länge entlang der Achse, insbesondere der Längsachse, der jeweiligen Führungsschiene aufweisen.
Die Verbindungselemente können lösbar mit den jeweiligen Ablenkeinrichtungen verbunden sein.
Vorzugsweise ist das jeweilige Verbindungselement ein Seilelement, eine starre Stange oder eine Feder.
Die Antriebseinheiten können jeweils einen Aktuator aufweisen, der mit einer Winde verbunden ist, insbesondere über eine flexible Kupplung, wobei um die Winde das jeweilige Seil herum gewickelt ist
Der jeweilige Aktuator kann dazu ausgebildet sein, ein Drehmoment auf die jeweilige Winde auszuüben, um das jeweilige Seil einzuziehen oder zu lösen, wobei insbesondere die jeweilige Antriebseinheit eine Bremse zum Arretieren der jeweiligen Winde aufweisen kann, und wobei insbesondere die jeweilige Antriebseinheit mindestens ein Andruckelement , insbesondere eine Andruckrolle, aufweist, das dazu ausgebildet ist, das jeweilige Seil, das um die jeweilige Winde gewickelt ist, gegen die jeweilige Winde zu drücken, insbesondere um zu verhindern, dass das jeweilige Seil von der zugehörigen Winde oder über einen Strang springt.
Die Ablenkeinrichtungen sind miteinander verbunden und zwar paarweise, so dass die jeweiligen beiden Ablenkeinrichtungen zusammen entlang der Verschiebungsrichtung verschoben werden können, während ein konstanter Abstand zwischen den Ablenkeinrichtungen beibehalten wird.
Eine Verbindung zwischen zwei (oder sogar mehr) Ablenkeinrichtungen ist mittels eines (zum Beispiel getrennten) Verbindungsmittels (Elements), das austauschbar sein kann, vorgesehen. Ablenkeinrichtungen können jedoch auch integral miteinander verbunden sein (das heißt, ein Einzelstück bilden).
Die Seilkräfte können derart gesteuert werden, dass die resultierende Seilkraft eine rein vertikal wirkende Kraft ist, aber können auch Komponenten in der horizontalen Ebene aufweisen, derart dass der Benutzer bei der körperlichen Betätigung (zum Beispiel Gehübungen) in einer bestimmten Richtung geführt wird.
Bevorzugt ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung derart eingerichtet, dass ein Benutzer im Prinzip eine Bewegung in einem dreidimensionalen Raum ausführen kann, das heißt, in der Lage ist, sich horizontal, nämlich vorwärts, rückwärts und auch seitwärts, als auch vertikal (zum Beispiel Hinaufsteigen auf Stufen oder einem anderen Objekt, wie zum Beispiel eine geneigte Fläche, die in dem sich horizontal erstreckenden Raum vorgesehen ist) zu bewegen, und sich um eine vertikale Achse drehen kann, was Gehen um Kurven und Umdrehen gestattet. Natürlich kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch mit bekannten Vorrichtungen, wie zum Beispiel einem Laufband usw., kombiniert werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Ablenkeinrichtungen jedoch derart befestigt sein, dass sie sich nicht im Raum oder entlang der Führungsschienen bewegen. Insbesondere sind die Ablenkeinrichtungen dazu ausgebildet, auf lösbare Weise an den Führungsschienen befestigt zu werden, derart dass die Ablenkeinrichtungen temporär hinsichtlich ihrer Bewegung entlang der Führungsschienen arretierbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Tragrahmen einen oberen Rahmenteil, der sich entlang einer horizontalen Erstreckungsebene erstreckt, auf, wobei der Tragrahmen eine Vielzahl an sich vertikal erstreckenden Beinglieder aufweisen kann, durch die ein oberer Rahmenteil auf einem Boden getragen werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung Kraftsensoren auf, die dazu ausgebildet sind, Kräfte direkt oder indirekt in den Seilen oder direkt auf einem Benutzer zu messen. Insbesondere wirkt jedes der Seile mit einem zugeordneten Seilkraftsensor zum Bestimmen der aktuell wirkenden Seilkräfte und damit der aktuellen resultierenden Kraft auf den Benutzer zusammen. Alternativ dazu können die aktuellen Seilkräfte mittels elektrischer Stromsensoren detektiert werden, die mit den Antriebseinheiten zusammenwirken (zum Beispiel können solche Sensoren in den Aktuatoren der Winden integriert sein).
Bevorzugt stellen diese Seilkräfte (zum Beispiel analog oder digital) Ausgabesignale entsprechend der aktuell wirkenden Seilkräfte (aktuelle Seilkräfte) bereit.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Ausgabesignale über ein Verarbeitungsmittel, das die Ausgabesignale digitalisiert, zu einer Steuereinheit (auch als Steuerungseinheit bezeichnet) übertragen, die in der Lage ist, die aktuell wirkenden Seilkräfte mittels der Ausgabesignale, die von den Seilkraftsensoren bereitgestellt werden, zu bestimmen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens zwei Seile auf, bevorzugt vier Seile, nämlich ein erstes, ein zweites, ein drittes und ein viertes Seil (bevorzugt aber nicht notwendigerweise eine gerade Anzahl an Seilen).
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens eine erste Führungsschiene (zum Beispiel in dem Fall von zwei Seilen oder zwei Ablenkeinrichtungen), bevorzugt auch eine zweite Führungsschiene, die jeweils entlang einer Längsachse verlaufen, auf. Diese Längsachsen erstrecken sich bevorzugt horizontal hinsichtlich einer Betriebsposition der Vorrichtung, in der die Vorrichtung wie beabsichtigt (zum Beispiel von dem Benutzer) betrieben werden kann. Die Führungsschiene(n) können bevorzugt mit der Tragekonstruktion (zum Beispiel dem Tragrahmen oder der Decke eines Raumes, in dem die Vorrichtung angeordnet ist) verbunden sein. In dem Fall eines Tragrahmens können die Führungsschiene(n) mit dem oberen Rahmenteil verbunden sein. Die Führungsschienen sind bevorzugt derart angeordnet, dass sie parallel bezüglich einander verlaufen. Insbesondere in einem Fall von zwei Führungsschienen kann jede Führungsschiene um ihre Längsachse geneigt sein, insbesondere um einen Winkel von 45°.
Die erste und die zweite Ablenkeinrichtung können bevorzugt derart verschiebbar mit der ersten Führungsschiene verbunden sein, dass sie entlang der ersten Führungsschiene entlang der Längsachse der ersten Führungsschiene gleiten können.
Die dritte und die vierte Ablenkeinrichtung sind bevorzugt derart verschiebbar mit der zweiten Führungsschiene verbunden, dass sie entlang der zweiten Führungsschiene entlang der Längsachse der zweiten Führungsschiene gleiten können. Im Detail können die einzelnen Ablenkeinrichtungen eine Basis (zum Beispiel in der Form eines Schlittens) aufweisen, über die die jeweilige Ablenkeinrichtung verschiebbar mit der zugehörigen Führungsschiene verbunden sein kann, und wobei jede Ablenkeinrichtung insbesondere einen Arm aufweist, der an der Basis der jeweiligen Ablenkeinrichtung gelenkig gelagert ist, so dass der jeweilige Arm in Bezug auf die jeweilige Basis um eine parallel zu der Längsachse der jeweiligen Führungsschiene verlaufende Schwenkachse schwenkbar ist. Ferner können die Ablenkeinrichtungen jeweils ein Ablenkelement aufweisen, das mit dem jeweiligen Arm verbunden ist, um welches Ablenkelement herum das jeweilige Seil zum Umlenken des Seils gelegt ist, und wobei das jeweilige Ablenkelement von einer Rolle gebildet ist, die drehbar auf dem jeweiligen Arm getragen wird, so dass die Rolle um eine Drehachse, die über die Längsachse der jeweiligen Führungsschiene verläuft, gedreht werden kann. Ferner kann für jede Ablenkeinrichtung ein Arretierungsmittel zum Arretieren der jeweiligen Ablenkeinrichtung gegenüber der zugehörigen Führungsschiene vorgesehen ist, zum Beispiel bei Verwendung der Vorrichtung mit einem Laufband.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, sind die erste und zweite Ablenkeinrichtung durch ein Verbindungselement (oder durch eine integrale Verbindung) verbunden, das bevorzugt elastisch (insbesondere derart, dass die Rückstellkraft proportional zu der Dehnung des elastischen Verbindungselements ist) oder unelastisch ist, um eine erste Ablenkeinheit (auch als erster Wagen bezeichnet) zu bilden. Ähnlich sind die dritte und die vierte Ablenkeinrichtung bevorzugt durch ein weiteres Verbindungselement (oder durch eine integrale Verbindung) verbunden, das ebenfalls elastisch oder unelastisch sein kann (siehe oben), um eine zweite Ablenkeinheit (auch als zweiter Wagen bezeichnet) zu bilden, wobei insbesondere die Verbindungselemente die gleiche Länge entlang der Längsachse der jeweiligen Führungsschiene aufweisen. Ferner können die Verbindungselemente ausgebildet sein, um die zugehörigen Ablenkeinrichtungen lösbar zu verbinden, um in der Lage zu sein, ein Verbindungselement mit einem Verbindungselement, das eine unterschiedliche Länge entlang der jeweiligen Längsachse aufweist, zu ersetzten. Ferner kann das jeweilige Verbindungselement ein Seilelement oder eine starre Stange (insbesondere aus Kohlenstofffaserverbundstoff hergestellt) sein.
Bevorzugt sind die Antriebseinheiten an den Eckpunkten eines Rechtecks angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen die Antriebseinheiten jeweils einen Aktuator (insbesondere einen Servomotor) auf, der mit einer Winde, um die das jeweilige Seil gewickelt ist, verbunden ist, insbesondere über eine flexible Kupplung, wobei der jeweilige Aktuator dazu ausgebildet ist, über eine Antriebsachse der jeweiligen Winde ein Drehmoment auf die jeweilige Winde auszuüben, um das jeweilige Seil einzuziehen oder zu lösen, das heißt, die Länge des jeweiligen Seils, das von der Winde abgewickelt wird, einzustellen. Optional kann die jeweilige Antriebseinheit eine Bremse zum Arretieren der jeweiligen Winde aufweisen. Ferner weist die jeweilige Antriebseinheit bevorzugt mindestens ein Andruckelement auf, insbesondere in der Form einer Andruckrolle, das das jeweilige Seil, das um die zugehörige Winde gewickelt ist, mit einem vorbestimmten Druck gegen die Winde drückt, um zu verhindern, dass das jeweilige Seil von der zugehörigen Winde oder über einen Strang springt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Antriebseinheiten mit einem Aktuatorentlastungssystem gekoppelt sein, das dazu ausgebildet ist, das Gewicht, das entlastet werden soll derart auszugleichen, dass die Aktuatoren nicht permanent das volle Drehmoment auf die Winden ausüben müssen, sondern nur zum Unterstützen von Veränderungen in der Bewegung oder einen Teil davon benötigt werden.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung ein Sensormittel zum Bestimmen eines aktuellen Zustands der Vorrichtung als auch der Position des Benutzers hinsichtlich der Vorrichtung oder einem räumlich festgelegten Koordinatensystem auf. Insbesondere wird der aktuelle Zustand durch die Längen der Seile, die von den jeweiligen Winden abgewickelt werden, und den Positionen der Ablenkeinheiten entlang der jeweiligen Führungsschiene gegeben.
Im Detail werden die Längen, die von den Winden abgewickelt werden (das heißt die Längen des Abschnitts des jeweiligen Seils, das von der jeweiligen Winde abgewickelt wird), bevorzugt durch Multiturn-Drehgeber, die jeweils mit den Antriebsachsen der Winden gekoppelt sind, detektiert. Andere Sensoren (zum Beispiel Kabelverlängerungsmessgeber können auch zum Bestimmen der Längen eingesetzt werden).
Gemäß einem weiteren bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Antriebseinheiten zu steuern, insbesondere das Drehmoment, das von dem jeweiligen Aktuator auf die jeweilige Winde ausgeübt wird, insbesondere abhängig von einem aktuellen Zustand der Vorrichtung und/oder der räumlichen Position des Benutzers, die mithilfe der zuvor beschriebenen Sensormittel bestimmt wird, derart dass sich die aktuell resultierende Kraft auf den Benutzer der gewünschten resultierenden Kraft auf den Benutzer annähert (dieser entspricht) oder dass sich die aktuelle Position des Benutzers einer aktuell gewünschten Position (Referenz) des Benutzers annähert (dieser entspricht). Insbesondere kann die Steuereinheit diese aktuelle resultierende Kraft entweder direkt, das heißt durch Senden von Steuersignalen an die Antriebseinheiten als eine Abhängigkeit von dem Fehler (zum Beispiel Unterschied) zwischen einer (aktuellen) gewünschten resultierenden Kraft und der aktuellen resultierenden Kraft, oder indirekt, das heißt durch Steuern der aktuellen Seilkräfte oder Windenpositionen (zum Beispiel der Längen der Seilpositionen, die von den Winden abgewickelt werden) mittels einer Regelschleife, die als innere Regelschleife oder innere Schleife bezeichnet wird, steuern.
Um die aktuelle resultierende Kraft direkt, ohne eine solche innere Schleife, zu steuern, kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, ein vordefiniertes Drehmoment gleichzeitig auf eine Vielzahl der Antriebseinheiten anzulegen als eine Abhängigkeit des Fehlers in der aktuellen resultierenden Kraft, um eine schnelle Reaktion zum Beispiel in hochdynamischen Situationen bereitzustellen.
Somit kann bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Fall, dass die Gehrichtung des Benutzers zum Beispiel entlang der Längsachsen der Führungsschienen zeigt, die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, eine laterale Korrektur auf dem Benutzer durchzuführen, indem die jeweiligen Antriebseinheiten angewiesen werden, die Seile der ersten und der zweiten Ablenkeinheit gleichzeitig um die gleiche Menge zu ziehen. Ähnlich kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, eine Vorwärts- oder Rückwärtskorrektur auf dem Benutzer durchzuführen, indem die jeweiligen Antriebseinheiten angewiesen werden, diese zwei entsprechenden Seile gleichzeitig um die gleiche Menge zu ziehen, die über die Längsachsen der Führungsschienen einander entgegengesetzt sind.
Es wird ferner durch in Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung zum Entlasten insbesondere des Körpergewichts eines Benutzers bei einer körperlichen Betätigung offenbart, wobei das Verfahren eine Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte aufweisen:

- Bestimmen eines aktuellen Zustands eines Systems einer Vielzahl an Seilen, wobei die Seile jeweils auf eine entsprechende Winde gewickelt oder von dieser abgewickelt werden können, um die Seilkräfte, die entlang der jeweiligen Seile auf den Benutzer wirken, einzustellen, wobei die Seile jeweils durch eine zugehörige Ablenkeinrichtung umgelenkt werden, wobei die Ablenkeinrichtungen jeweils (bewegbar sind (zum Beispiel entlang einer ersten Richtung) und miteinander verbunden sind, insbesondere wie oben beschrieben,
- Bestimmen der Position des Benutzers (bezüglich der Vorrichtung oder einem räumlich festgelegten Koordinatensystem),
- Berechnen eines Drehmoments für jede der Winden (oder eine entsprechende Windenkraft), abhängig von dem aktuellen Zustand der Vorrichtung und/oder der Position des Benutzers, derart dass sich jeweils die Kraft auf den Benutzer der jeweiligen gewünschten Kraft auf den Benutzer annähert (dieser entspricht), dass sich die aktuelle Position des Benutzers einer (aktuell) gewünschten Position des Benutzers annähert und/oder dass sich die beweglichen Ablenkeinrichtungen (oder - einheiten) gewünschten Bewegungen annähern, und
- Ausüben des jeweiligen Drehmoments auf die zugehörigen Winden, um jeweils die aktuelle resultierende Kraft auf den Benutzer sich an die (aktuelle) gewünschte resultierende Kraft annähern zu lassen, die aktuelle Position des Benutzers sich an eine (aktuelle) gewünschte Position des Benutzers annähern zu lassen und/oder die beweglichen Ablenkeinrichtungen (oder - einheiten) sich an bestimmte gewünschte Bewegungen annähern zu lassen.

Bevorzugt sind die Ablenkeinrichtungen in Paaren gruppiert (oder können sogar mehr Ablenkeinrichtungen aufweisen), wobei die Ablenkeinrichtungen jedes Paars dazu ausgebildet sind, zusammen verschoben zu werden (das heißt, einen konstanten Abstand bezüglich einander beizubehalten), wobei die Paare als Ablenkeinheiten bezeichnet werden.
Insbesondere wird der aktuelle Zustand durch die Längen der Seile, die von den jeweiligen Winden abgewickelt werden, und der/den Position(en) der Ablenkeinheit(en) entlang der ersten Führungsschiene definiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen mittels einer detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben werden, in denen

1 einen beispielhaften Tragrahmen einer Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt;
2 eine Perspektivansicht der Seile, Antriebseinheiten, Ablenkeinheiten und der beweglichen Signalverarbeitungseinheit zeigt;
3 eine Perspektivansicht einer Antriebseinheit gemäß 2 zeigt;
4 eine Perspektivansicht der Federelemente, der Seilkraftsensoren, des Knotenpunkts und des Bügels einer Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt;
5 eine Perspektivansicht einer Ablenkeinrichtung (-einheit) der Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt;
6 eine nähere Perspektivansicht der Federelemente, des Knotenpunkts, der Seilkraftsensoren und des Bügels der Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt;
7 eine schematische Perspektivansicht der Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel bei Verwendung durch einen Benutzer zeigt;
8 eine schematische Perspektivansicht eines Arretierungsmittels zum Arretieren einer Ablenkeinrichtung der Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt; und
9 eine weitere Perspektivansicht einer Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt.

1 zeigt mit Bezug auf die 2 bis 8 eine Vorrichtung 1 nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zum geführten Entlasten eines Benutzers 2 bei körperlicher Betätigung (zum Beispiel Gehübungen wie in 7 gezeigt).
Die Vorrichtung 1 weist eine geeignete Tragekonstruktion (zum Beispiel einen Tragrahmen) 10 auf, die einen oberen Rahmenteil 100 aufweist, der von einer Vielzahl an sich vertikal erstreckenden Beingliedern 101 getragen wird, derart dass die Beinglieder 101 (zusammen mit dem oberen Rahmenteil 100) einen dreidimensionalen Arbeitsraum 3 begrenzen, in dem sich der Benutzer 4 entlang der horizontalen x-y-Ebene (als auch vertikal, falls entsprechende Objekte, zum Beispiel geneigte Flächen, Stufen usw. in dem Arbeitsraum 3 bereitgestellt sind) bewegen kann. Alternativ kann eine Decke eines Raumes als eine Tragekonstruktion verwendet werden. Der Arbeitsraum 3 erstreckt sich dann unter der Decke.
Der obere Rahmenteil 100 ist durch zwei parallele längliche Glieder 102, die sich entlang der x-Richtung erstrecken, und fünf parallele Querglieder 103, die sich entlang der y-richtung erstrecken und die zwei länglichen Glieder 102 verbinden, gebildet. Die länglichen 30 und Querglieder 102, 103 überspannen den sich horizontal erstreckenden oberen Rahmenteil 100.
Eine erste und eine zweite Führungsschiene 21, 22 sind an der Tragekonstruktion 10 (zum Beispiel dem oberen Rahmenteil 100) befestigt, wobei die zwei Führungsschienen 21, 22 sich jeweils entlang einer entsprechenden Längsachse L, L' erstrecken. Die erste Führungsschiene 21 ist dazu ausgebildet, eine erste und eine zweite Ablenkeinrichtung 31, 32 verschiebbar zu tragen, wie in 2 gezeigt, während die zweite Führungsschiene 22 dazu ausgebildet ist, eine dritte und eine vierte Ablenkeinrichtung 33, 34 verschiebbar zu tragen. Hier sind die erste und die zweite 31, 32 als auch die dritte und vierte Ablenkeinrichtung 33, 34 derart durch ein starres Verbindungsmittel 350, 360 verbunden, dass die zwei Paare von Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 jeweils eine Ablenkeinheit (Wagen) 35, 36 bilden, die entlang der jeweiligen Führungsschiene 21, 22 gleiten kann. Bevorzugt werden die Führungsschienen 21, 22 um einen Winkel W=45°C geschwenkt, wie in 5 gezeigt.
Wie bei 8 angegeben kann jede Ablenkeinrichtung 31, 32, 33, 34 bezüglich der zugehörigen Führungsschiene 21, 22 mittels eines Arretierelements C arretiert werden. Ein solches Element C kann ein getrenntes Element sein, das einen Anschlag für eine Ablenkeinrichtung 31, 32, 33, 34 vorsieht, aber es kann auch in eine Ablenkeinrichtung 31, 32, 33, 34 integriert sein und kann dazu ausgebildet sein, die jeweilige Ablenkeinrichtung 31, 32, 33, 34 an die jeweilige Führungsschiene 21, 22 zu klemmen. Insbesondere können arretierte Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 verwendet werden, wenn die Vorrichtung 1 mit einem Laufband verwendet wird.
Jede Ablenkeinheit 35, 36 ist dazu eingerichtet, zwei Seile 41, 42, 43, 44 umzulenken, wie zum Beispiel in 2 gezeigt. Die einzelnen Seile 41, 42, 43, 44 erstrecken sich jeweils von einer Antriebseinheit 510, 520, 530, 540, die jeweils eine Winde 511, 521, 531, 541 aufweist, auf die das jeweilige Seil 41, 42, 43, 44 gewickelt ist, zu einer zugehörigen Ablenkeinrichtung 31, 32, 33, 34 der jeweiligen Ablenkeinheit 35, 36. Die Seile 41, 42, 43, 44 erstrecken sich von den Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 zu einem Knotenpunkt 60 hin, an dem ein erstes freies Ende jedes Seils 41, 42, 43, 44 über ein Federelement 71, 72, 73, 74 verbunden ist, wie zum Beispiel in den 2, 4 und 6 gezeigt.
Die Befestigungspositionen D der einzelnen Antriebseinheiten 510, 520, 530, 540 sind in 1 angegeben. Jede Ablenkeinheit 35, 36 gehört zu zwei Antriebseinheiten 510, 520, 530, 540, die auf jeder Seite der jeweiligen Führungsschiene 21, 22 entlang der jeweiligen Längsachse L, L' positioniert sind.
In 5 ist eine einzelne Ablenkeinrichtung 34 gezeigt (die anderen sind analog konstruiert), wobei das Verbindungselement 360 die Einrichtung 34 mit ihrem benachbarten Gegenstück (nicht gezeigt) verbindet, was durch die gestrichelten Linien angezeigt ist. Die Ablenkeinrichtung 34 weist eine Basis 340 auf, die derart verschiebbar mit der jeweiligen Führungsschiene 22 eingreift, dass gestattet wird, dass die Basis 340 entlang der Führungsschiene gleitet. Ein u-förmiger Arm 341 ist derart schwenkbar an zwei vorstehenden Regionen 342, 343 der Basis 340 gelenkig gelagert, dass der Arm 341 um eine Schwenkachse A, die entlang der x-Richtung (Längsachse L') verläuft, geschwenkt werden kann. Der Arm 341 dient zum Lagern eines Ablenkelements 344 in der Form einer Rolle, die um eine Drehachse A' drehbar ist, um welche Rolle 344 das jeweilige Seil 44 gelegt ist, um Letzteres umzulenken.
Wie in 3 gezeigt, weist jede Antriebseinheit 510, 520, 530, 540 im Detail einen Aktuator (Servomotor) 512, 522, 532, 542 auf, der über eine (flexible) Kupplung 53 mit einer Antriebsachse 55 einer Winde 511, 521, 531, 541 verbunden ist, auf der das jeweilige Seil 41, 42, 43, 44 gewickelt ist. Die jeweilige Winde 511, 521, 531, 541 und der jeweilige Aktuator 512, 522, 532, 542 sind auf einer gemeinsamen Plattform 50 befestigt, wobei zwei Haltelemente 51, 52 von der Plattform 50 vorstehen, auf der Elemente 51, 52 der jeweiligen Winde 511, 521, 531, 541 drehbar getragen werden. Ferner weist die jeweilige Antriebseinheit 510, 520, 530, 540 mindestens eine Andruckrolle 54 zum Drücken des jeweiligen Seils 41, 42, 34, 44 gegen die zugehörige Winde 511, 521, 531, 541 auf, derart dass das jeweilige Seil 41, 42, 43, 44 auf eine definierte Weise aufgewickelt und abgewickelt werden kann.
Die Antriebseinheiten 510, 520, 530, 540 interagieren mit einem Sensormittel (das aus mehreren einzelnen Sensoren bestehen kann, siehe oben), das dazu ausgelegt ist, Ausgabesignale bereitzustellen, die die Länge sw (eines Abschnitts von) des jeweiligen Seils 41, 42, 43, 44, das aktuell von der jeweiligen Winde 511, 521, 531, 541 abgewickelt wird, die Position sT der Ablenkeinheiten 35, 36 entlang der x-Richtung (das heißt entlang der jeweiligen Führungsschiene 21, 22), als auch die Position n des Knotenpunkts 60 (Benutzers 4) repräsentieren (oder in diese umgewandelt werden können).
Wie in 6 gezeigt treffen sich die Seile 41, 42, 43, 44 an dem Knotenpunkt 60, an den sie jeweils über ein Federelement 71, 72, 73, 74 gekoppelt sind. Um in der Lage zu sein, die Seilkräfte F_R (siehe 7), die aktuell entlang der Seile 41, 42, 43, 44 auf den Knotenpunkt 60 und damit auf den Benutzer 4 wirken, zu detektieren, sind vier Seilkraftsensoren 710, 720, 730, 740 in der Form von Kabelverlängerungsmessgeber auf dem Knotenpunkt 60 vorgesehen, wobei das jeweilige Messseil 711, 721, 731, 741 des jeweiligen Messgebers 710, 720, 730, 740 mit dem ersten Ende 41a, 42a, 43a, 44a des jeweiligen Seils 41, 42, 43, 44 (entweder direkt oder über ein Verbindungselement, das das jeweilige Federelement 71, 72, 73, 74 mit dem ersten freien Ende 41a, 42a 43a, 44a des jeweiligen Seils 41, 42, 43, 44 verbindet) verbunden ist, während das entsprechende Potentiometer 712, 722, 732, 742 mit dem Knotenpunkt 60 (einem oberen Glied davon) gekoppelt ist. In dem Fall, dass ein Federelement 71, 72, 73, 74 gestreckt ist, wir das entsprechende Messseil 711, 721, 731, 741 ausgezogen und der Messgeber (das Potentiometer) 710, 720, 730, 740 erzeugt ein Ausgabesignal, das der ausgezogenen Länge des Messkabels 711, 721, 731, 741 entspricht, was der Seilkraft F_R , die aktuell auf das jeweilige Seil 41, 42, 43, 44 wirkt (und somit das jeweilige Federelement 71, 72, 73, 74 streckt) entspricht. Es kann jedoch auch jeder andere denkbare Kraftsensor zum Bestimmen der Seilkräfte angewendet werden. Ferner können dedizierte Kraftsensoren in/auf den Seilen 41, 42, 43, 44 weggelassen werden. Stattdessen können Sensoren zum Erfassen des elektrischen Stroms der Windenaktuatoren 512, 522, 532, 542 verwendet werden, um das jeweilige Windendrehmoment zu schätzen. Ein solcher Sensor kann zu jeder Antriebseinheit/Winde 510, 520, 530, 540 zugeordnet sein. Ferner können die Kraftsensoren 710, 720, 730, 740 weggelassen werden, falls die Verbindungselemente elastisch sind, da die Seilkräfte dann von der Position der Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 entlang der Führungsschienen 21, 22 bestimmt werden können. Im Fall von unelastischen Verbindungen können zumindest Komponenten der Knotenpunktkraft auch von den Positionen der Ablenkeinheiten berechnet werden (bei der beispielhaften Ausführungsform kann die Knotenpunktkraftkomponente in x-Richtung rein basierend auf Positionen der Wagen berechnet werden, unter der Annahme, dass die Wagen vernachlässigbare Dynamiken, wie zum Beispiel Masse und Reibung, aufweisen).
Ferner weist der Knotenpunkt 60 - bezüglich eines Betriebszustands der Vorrichtung 1 - ein oberes Knotenpunktglied 61, das mit den Kabelverlängerungsmessgebern 710, 720, 730, 740 verbunden ist, und ein unteres Knotenpunktglied 62, das drehbar auf dem oberen Knotenpunktglied 61 getragen wird, auf, so dass ein sich horizontal erstreckender Bügel 80, der mit dem unteren Knotenpunktglied 62 gekoppelt ist, um eine Vertikalachse z gedreht werden kann.
Der Knotenpunkt 60 kann einen Beschleunigungssensor 90 als auch ein Kreiselinstrument 91 und ein Potentiometer 92, um die Beschleunigung des Knotenpunkts 60 entlang drei orthogonaler Achsen (zum Beispiel x, y und z) zu erfassen, die Winkelgeschwindigkeit des Knotenpunkts 60 zu erfassen und einen Drehwinkel des Bügels 80 um die Vertikalachse z bezüglich des oberen Knotenpunktglieds 61 zu erfassen, aufweisen. Ferner kann der Knotenpunkt ein Magnetometer 190 zum Erfassen der Ausrichtung der um die drei Achsen aufweisen. Der Beschleunigungssensor 90, das Kreiselinstrument 91 und das Magnetometer 190 können in eine integrierte Messeinheit (IMU) 290 integriert sein, die digitale Ausgabesignale des jeweiligen Sensors bereitstellt.
Entsprechende Ausgabesignale, die diese Größen (oder Größen, die zum Bestimmen der gewünschten Größen verwendet werden können) darstellen, werden - zusammen mit den Ausgabesignalen von den Seilkraftsensoren 710, 720, 730, 740 - über eine flexiblen Datenlinie (Kabel) 93, die sich von dem Knotenpunkt 60 zu einer beweglichen Signalverarbeitungseinheit 94 erstreckt, wie in 2 gezeigt, übertragen. Die Signalverarbeitungseinheit 94 wird verschiebbar auf einer der Führungsschienen 21, 22 getragen.
Die Signalverarbeitungseinheit 94 kann durch eine weitere Antriebseinheit angetrieben werden, wobei bevorzugt die Bewegung der Signalverarbeitungseinheit (auch Signalbox genannt) 94 durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert wird, mit der die Signalverarbeitungseinheit 94 derart verbunden ist, dass die Steuereinheit in der Lage ist, die Ausgabesignale, die durch die Signalverarbeitungseinheit 94 übertragen werden, zum Steuern der Vorrichtung 1 zu verwenden. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Bewegung der Signalverarbeitungseinheit 94 derart zu steuern, dass der Abstand zwischen den Ablenkeinheiten 35, 36 oder dem Knotenpunkt 60 und der Signalverarbeitungseinheit 94 entlang der x-Richtung konstant ist. Insbesondere wird die Bewegung der Signalverarbeitungseinheit 94 entlang der jeweiligen Führungsschiene 21, 22 (x-Richtung) derart durch die Steuereinheit gesteuert, dass die Signalverarbeitungseinheit immer hinter dem Knotenpunkt 60 (Benutzer 4) bezüglich der aktuellen Gehrichtung des Benutzers 4 angeordnet ist.
Wie in 7 gezeigt, wird der Bügel 80 zum Halten des Gurtzeugs 95, das der Benutzer 4 tragen soll, verwendet. Das Gurtzeug 95 stützt dann den Benutzer 4 über zwei Verbindungselemente 96, 97, die mit den Aufnahmeelementen 81, 82, die auf den freien Enden des Bügels 80 gebildet sind, eingreifen und über den Knotenpunkt 60, mit dem der Bügel 80 gekoppelt ist.
Bezüglich der Steuerung der aktuellen resultierenden Kraft F, die auf den Knotenpunkt 60 ausgeübt wird, gibt es viele Möglichkeiten in der klassischen Steuertheorie, wie das Verfolgungsproblem für nichtlineare Systeme, wie dem vorliegenden, angegangen werden kann. Zum Beispiel könnte das System linearisiert werden und es könnte eine optimale Steuerung abgeleitet werden. Im Folgenden wird das Steuern ohne Verlust der Allgemeingültigkeit für vier Seile beschrieben, es kann aber auch analog für zwei Seile oder eine beliebige größere Anzahl an Seilen ausgeführt werden.
Eine Idee ist es, den Ausgabekraftvektor F indirekt durch Steuern einzelner Seilkräfte, die in dem Vektor F_R ∈ ℝ⁴ zusammengefasst sind, in einer inneren Regelschleife zu steuern. Diese Seilkräfte F_R stehen in Abhängigkeit von beiden Einrichtungszuständen s, das heißt die Längen sw der nicht abgewickelten (Abschnitte der) Seile 41, 42, 43, 44 (es ist anzumerken, dass die einzelnen sw der Seile 41, 42, 43, 44, die in 7 gezeigt sind, durchaus voneinander unterschiedlich sein können) und der Positionen x_T der Ablenkeinheiten 35, 36, und der Benutzerposition w: $F_{R} = h (s, w) .$
Der dreidimensionale Kraftvektor F, der auf den Gegenstand 4 wirkt, wird durch die Summe der vier einzelnen Seilkraftvektoren F_R gegeben. Somit gäbe es potenziell eine unendliche Anzahl an Lösungen für Seilkraftvektoren, die die gleiche resultierende Kraft ergeben.
Wie oben angegeben beeinflussen die Windenkräfte (die Drehmomente) jedoch nicht nur Seilkräfte, sondern sie beeinflussen auch die Bewegung des Wagens (der Ablenkeinheit).
Dies kann zum Formulieren von zwei zusätzlichen Steuerzielen verwendet werden, die beabsichtigen a) eine Lösung zu finden, die auch bei statischen Bedingungen gültig ist (Dann ist die Summe der Kräfte, die auf die Wagen 35, 36 wirken in Gleichgewicht und die Position kann beibehalten werden) und b) dass sich die Wagen 35, 36 derart auf eine ähnliche Weise bewegen, dass sie sich immer an der gleichen Position x befinden (siehe 7). Zum Beispiel, falls eine rein vertikale Kraft gewünscht ist und die Person 4 in der Mitte zwischen zwei linearen Führungsschienen 21, 22 steht, sollten die Wagen 35, 36 derart positioniert sein, dass die Person 4 unter dem Mittenpunkt eines Quadrats steht, das von den Seilrollen (Ablenkeinrichtungen) 31, 32, 33, 34 gespannt wird.
Das erste Ziel kann mathematisch dadurch formuliert werden, dass bei statischen Bedingungen, bei denen alle Geschwindigkeiten und Beschleunigungen Null sind, $\begin{array}{l} {ds}_{w} / d t = 0, d^{2} s_{w} / d t^{2} = 0, {dx}_{T} / d t = 0, d^{2} x_{T} / d t^{2} = 0, d w / d t = 0, \\ d^{2} w / d t^{2} = 0, \end{array}$
gefordert wird, dass die korrekte Kraft auf den Benutzer (das Objekt) 4 angewendet wird, das heißt, die aktuelle resultierende Kraft (Ausgabekraft) F der Steuereinheit (Steuerung) entspricht der gewünschten resultierenden Kraft F_des, was heißt, dass die Gleichung F = F_des erfüllt ist. Die Forderung wird durch das Kräftegleichgewicht auf den zwei Wagen 35, 36 begründet.
Zusammengefasst ergeben sich daraus drei Gleichungen von dem Kräftegleichgewicht auf dem Knotenpunkt, weitere zwei Gleichungen von dem Kräftegleichgewicht auf den zwei Wagen 35, 36 in x-Richtung und eine Gleichung, die die zwei Wagen 35, 36 anweist, sich an der gleichen Position x_T in x-Richtung zu befinden. Diese sechs Gleichungen können verwendet werden, um die vier gewünschten Seilkräfte F_R,des und die zwei Wagenpositionen zu finden.
Angemessene Maßnahmen (zum Beispiel Saturationen) können getroffen werden, um sicherzustellen, dass die Seile 41, 42, 43, 44 immer gespannt sind.
Die gewünschten Seilkräfte F_R können dann als eine Referenz für die einzelnen Rückkopplungsschleifen für jede Winde 511, 521, 531, 541 verwendet werden.
Zum Beispiel könnte das Steuergesetzt folgend sein: $u = i (F_{R,des} + K_{r} (F_{R,des} - F_{R})) = u_{ff},$
wobei F_{R, des} die berechneten gewünschten (Referenz-) Seilkräfte sind, i das Übersetzungsverhältnis der Aktuator-Windeneinheit (Antriebseinheit) 510, 520, 530, 540 ist, K_r ∈ℝ^4×4 eine positiv definite Seilkraft-Rückkopplungsmatrix mit Rückkopplungsverstärkungen ist, und u_ff einen möglichen Zusatzterm bezeichnet, der unter statischen Bedingungen gegen Null geht. Die ersten zwei Terme stellen sicher, dass sich das System asymptotisch der gewünschten Kräfte auf der Person 4 annähert, zumindest wenn die Person 4 still steht.
Um das System so zu gestalten, dass es schnell unter dynamischen Bedingungen reagiert, können die Terme u_ff verwendet werden. Eine Möglichkeit ist es, eine Art von „Synergiesteuerung“ zu verwenden, bei der die Aktuatoren 512, 522, 532, 542 in Gruppen arbeiten. Zum Beispiel kann unter Verwendung einer diagonalen Rückkopplungsmatrix K_C ∈ ℝ^3×3 ein virtueller Eingabevektor u* im kartesischen Raum erstellt werden: $u * = K_{C} (F_{des} - F) \in ℝ^{3} .$
Dieser dreidimensionale Vektor u* muss dann durch eine Funktion p: $u = ρ (u *)$
auf vier Windendrehmomenten u abgebildet werden.
Ähnlich zu menschlichen Muskeln könnte diese Funktion Synergien codieren, die Aktuatoren 512, 522, 532, 542 in funktionelle Gruppen zusammenfasst.
Zum Beispiel, falls die Kraftkomponente, die in Vertikalrichtung z auf den Benutzer 4 wirkt, im Vergleich zu der Referenz zu gering ist, derart dass u*_z > 0, können alle vier Winden 511, 521, 531, 541 gleich ziehen, was heißt, dass die vertikale Komponente u*_z einfach gleich alle Winden 511, 521, 531, 541 anweist. Die Komponente in der x-Richtung, die parallel zu den Führungsschienen 21, 22 läuft, könnte derart verteilt sein, dass die Winden auf einer Seite (abhängig von dem Zeichen könnte diese 511 und 531 sein, siehe 2) als ein Paar wirken und beide gleich ziehen, während das gegenüberliegende Paar 521, 541 keine zusätzlichen Drehmomente erzeugt. Notwendige Korrekturen in der Richtung orthogonal zu den Führungsschienen 21, 22 könnten auf eine analoge Weise verteilt werden, wobei entweder das Windenpaar 511, 521 oder 531, 541 zieht, abhängig von dem Zeichen. Diese Art Steuergesetz führt zu einer schnellen Korrektur der Kräfte, die auf den Benutzer (das Objekt) 4 wirken und es beschleunigt auch die Bewegung der passiven Wagen 35, 36 zu ihren „idealen“ asymptotischen Positionen. Bei statischen Bedingungen erzeugt dieser Teil der Steuerung keine Drehmomente u.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in 9 veranschaulicht ist, in dem gewählten rechten kartesischen Koordinatensystem z Punkte nach oben und x Punkte nach vorne in der Standardgangrichtung parallel zu den Führungsschienen 21, 22. Da die Verbindungsstücke in dem Knotenpunkt 60 sicherstellen, dass nur Kräfte übertragen werden, kann das Gurtzeug durch ein einziges Kabel dargestellt werden, das den Knotenpunkt mit einem bestimmten Punkt w = (wx, wy, wz)^T auf dem Menschen verbindet (siehe 7).
Ein Zustandsvektor wird erstellt, der die aktuellen Positionen und Geschwindigkeiten der Vorrichtungskomponenten beschreibt. Angesichts des aktuellen Positionsvektors w des Menschen wird die Konfiguration im Ganzen durch die Länge der Seile, die von den Winden 511, 521, 531, 541 freigegeben wurden, beschrieben, zusammengefasst in dem Vektor sw ∈ ℝ⁴: $s_{W} = {(s_{a} s_{b} s_{c} s_{d})}^{T},$
und durch die Positionen der Ablenkeinheiten 35, 36, zusammengefasst in dem Vektor x_T ∈ ℝ²: $x_{T} = {(x_{T, a b} x_{T, c d})}^{T} .$
Der Zustandsvektor s ∈ ℝ¹² enthält diese Variablen und ihre Ableitungen: $s = {(s_{W}^{T} x_{T}^{T} {\dot{s}}_{W}^{T} {\dot{x}}_{T}^{T})}^{T}$
Wir nehmen nun an, dass der Kraftvektor F_n auf den Benutzer („n“ steht für den Knotenpunkt; der Kraftvektor wird auch kurz als F bezeichnet), der auf den Benutzer 4 wirkt, gesteuert werden soll, während sich der Benutzer bewegt. Die Knotenpunktposition ist n = n_x, n_y, n_z)^T. Kabel- (das heißt Seil-) Kräfte sind in dem Vektor F_r ∈ ℝ₊ (es ist anzumerken, dass die Seilkräfte auch als F_R bezeichnet werden) zusammengefasst, wobei $F_{r} = {(F_{a} F_{b} F_{c} F_{d})}^{T}$
und der kartesische Kraftvektor F_n ∈ ℝ³ auf den Benutzer 4 ist $F_{n} = {(F_{n x} F_{n y} F_{n z})}^{T}$
Das Kräftegleichgewicht an dem Knotenpunkt 60 bildet Kabelkräfte auf Kräfte F_n , die auf den Benutzer 4 wirken, ab: $F_{n} = J (x_{t}, n) F_{r} .$
Das Abbilden J kann auf effiziente Weise durch zuerst Summieren der Seilkräfte innerhalb der zwei Ebenen, die von den Seilen überspannt werden, über die Matrix R, um die x-Komponente und die Kraftkomponenten Fab und Fcd zu erhalten, und dann Umwandeln dieser über die Matrix S auf kartesischen Raum berechnet werden: $J = (\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & S \end{matrix}) R$
wobei $S = (\begin{matrix} - cos φ_{a b} & cos φ_{c d} \\ sin φ_{a b} & sin φ_{c d} \end{matrix}),$
$R = (\begin{array}{l} cos φ_{a} & - cos φ_{b} & cos φ_{c} & - cos φ_{d} \\ sin φ_{a} & sin φ_{b} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & sin φ_{c} & sin φ_{d} \end{array}) .$
Die aktuellen Positionen x_T der Ablenkeinheiten 35, 36 und die Knotenpunktposition n definieren die Winkel in diesen Matrizen.
Die Bewegung der Ablenkeinheiten 35, 36 wird durch die Bewegungsgleichungen bestimmt: $m_{T} {\ddot{x}}_{T} = T F_{r}$
wobei $T = (\begin{matrix} cos φ_{a} - 1 & 1 - cos φ_{b} \\ cos φ_{c} - 1 & 1 - cos φ_{d} \end{matrix})$
Die Bewegungsgleichungen für die Winden 511, 521, 531, 541 sind gegeben durch: $m_{W} {\ddot{s}}_{W} = F_{r} - F_{W},$
mit den Windenaktuatorkräften Fw (zum Beispiel die Drehmomente multipliziert mit einem Übersetzungsverhältnis). Die Seilkräfte sind lineare Funktionen der Federablenkungen der Federn 71, 72, 73, 74 (siehe 6): $F_{r} = c_{F} (- s_{W} + G x_{T} - l)$
wobei die Matrix $G = (\begin{array}{l} 1 & 0 \\ - 1 & 0 \\ 0 & 1 \\ 0 & - 1 \end{array})$
und der Vektor J, der die Abstände von den vier Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 zu dem Knotenpunkt 60 (Vektor n) enthält. Um Verschiebungen in diesen Gleichungen zu vermeiden, werden die Seillängen geeignet definiert.
Selbst ohne Kraftsensoren ist es trotzdem möglich, die Kraft in der x-Richtung mittels der Positionen der Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 implizit zu messen. Angenommen, dass die Masse der Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 vernachlässigbar ist, dann werden ihre Positionen durch die Komponenten der Kabelkräfte, die in der x-Richtung wirken, bestimmt: Statisches Gleichgewicht auf den Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 wird durch Einstellen von (10) auf Null gegeben. Zusammen mit (6) wird die Kraft in der x-Richtung dann gegeben durch: $F_{n x} = \begin{matrix} F_{a b} \frac{cos φ_{b} - cos φ_{a}}{sin φ_{a} - sin (φ_{a} + φ_{b}) + sin φ_{b}} \\ + F_{c d} \frac{cos φ_{d} - cos φ_{c}}{sin φ_{c} - sin (φ_{c} + φ_{d}) + sin φ_{d}} \end{matrix}$
Diese Winkel werden basierend nur auf Geometrie (Seillängen, Ablenkeinrichtungspositionen) berechnet. Um die Schätzung robust zu machen, werden F_ab und F_cd bevorzugt als die gewünschten und nicht die aktuellen Werte genommen, auch falls Kraftsensoren verfügbar sind.
Nun würde eine ideale Steuerung Aktuatordrehmomente u derart anweisen, dass die Ausgaben dem gewünschten Kraftvektor F_{n, des} entsprechen, der auf den Gegenstand (auch als Benutzer bezeichnet) 4 wirkt: $F_{n} \overset{!}{=} F_{n, d e s},$
unabhängig von der Bewegung des Gegenstands 4. Bevorzugt wird eine Kraftsteuerung (bereitgestellt durch die Steuereinheit) in kartesischem Raum verwendet, der einen kartesischen Kraftvektor ^c _Ffc befiehlt, der von den Winden realisiert werden soll. Diese Kraft wird durch PI(proportional-integrale)-Steuerung und Vorsteuerung der Referenz berechnet: $^{c} F_{f c} = F_{n, d e s} + (K_{P} + \frac{K_{I}}{S}) (F_{n, d e s} - F_{n}),$
wobei s der Laplace-Operator ist, Kp eine positive definite Matrix von Proportionalverstärkungen ist und K_I eine positive definite Matrix von Integralverstärkungen ist.
Kartesische Kräfte müssen auf Windenkräfte Fw abgebildet werden, was das inverse Problem von (6) ist. Angesichts dessen, dass es vier Windenkräfte und nur drei Knotenpunktkraftkomponenten gibt, gibt es mehrere Lösungen für (6) mit einer gegebenen Knotenpunktkraft. Falls die Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 nicht bewegbar wären, könnte quadratische Programmierung verwendet werden, um die Mindestkabelkräfte, die die Einschränkungen erfüllen, zu finden. Bei dem aktuellen System beeinflussen die Seilkräfte jedoch nicht nur den Ausgabekraftvektor, sondern sie beeinflussen auch die Bewegung der Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 gemäß (10). Die Positionen der Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 wiederum definieren das Polygon von verwendbaren Kräften.
Somit kann man, anstatt die Seilkräfte zu minimieren, Ablenkeinrichtungsdynamiken einbeziehen, um den Rangdefizit bei dem inversen Abbilden von (6) zu lösen. Die Idee ist, dass Seilkräfte auf solche Weise angewendet werden, dass die Ablenkeinrichtungen 31, 32, 33, 34 zusammenbleiben, was zu einem Polygon mit rechteckiger Basis führt. Dieses Verhalten wird durch das folgende Gesetzt umgesetzt: $m_{T} ({\ddot{x}}_{T, a b} - {\ddot{x}}_{T, c d}) \overset{!}{=} - k_{T} (x_{T, a b} - x_{T, c d})$
mit der positiven Konstante k_T.
Mit (10), dies ergibt $\begin{matrix} F_{a} (1 - cos φ_{a}) - F_{b} (1 - cos φ_{b}) \\ - F_{c} (1 - cos φ_{c}) + F_{d} (1 - cos φ_{d}) \\ \overset{!}{=} k_{T} (x_{T, a b} - x_{T, c d}) \end{matrix}$
Unter Verwendung dieser zusätzlichen Einschränkung auf die Kräfte, bildet das Steuergesetzt gewünschte Kräfte im kartesischen Raum auf Windenkräfte ab, so dass sie in Synergie zusammenwirken: $F_{ω} = R'^{- 1} (\begin{matrix} {(\begin{matrix} 1 & 0 \\ 0 & S^{- 1} \end{matrix})}^{c} F_{f c} \\ k_{T} (x_{T, a b} - x_{T, c d}) \end{matrix})$
wobei die gewünschte Referenzkraft im kartesischen Raum F_n,des und die modifizierte Abbildungsmatrix $R' = (_{r'^{T}}^{R}),$
wobei $r'^{T} = (1 - cos φ_{a} cos φ_{b} - 1 cos φ_{c} - 1 1 - cos φ_{d}) .$
Mit dem Obigen kann man die Kraft in der x-Richtung als eine lineare Kombination (zum Beispiel den Mittelwert) von federbasierter Messung und ablenkeinrichtungsbasierter Messung berechnen.

Claims

Vorrichtung, insbesondere zum Entlasten eines Körpergewichts eines Benutzers während körperlicher Betätigung des Benutzers, insbesondere für Gehübungen des Benutzers, die Folgendes aufweist: eine Vielzahl an Seilen (41, 42, 43, 44), wobei sich jedes Seil (41, 42, 43, 44) von einer zugeordneten Antriebseinheit (510, 520, 530, 540) zu einer zugehörigen Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) erstreckt und von dieser abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) dazu ausgebildet sind, verschoben, insbesondere linear verschoben zu werden, wobei die Antriebseinheiten (510, 520, 530, 540) dazu ausgebildet sind, das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44) einzuziehen und zu lösen, um so eine aktuelle Seilkraft (FR) entlang des jeweiligen Seils (41, 42, 43, 44) einzustellen, wobei sich die aktuellen Seilkräfte (FR) zu einer aktuellen resultierenden Kraft (F) addieren, die auf den Benutzer (4) ausgeübt wird, um den Benutzer (4) zu entlasten und/oder eine Kraft auf den Benutzer (4) in einer horizontalen Ebene auszuüben, insbesondere bei der körperlichen Betätigung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) durch ein Verbindungselement (350) verbunden sind, um eine Ablenkeinheit (35) zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl an Kraftsensoren (710, 720, 730, 740) zum Bestimmen der aktuellen Seilkräfte (FR) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit aufweist, die zum Steuern der Antriebseinheiten (510, 520, 530, 540) ausgebildet ist, um die aktuelle resultierende Kraft (F) einzustellen, wobei die Steuereinheit zum Steuern der Antriebseinheiten (510, 520, 530, 540) derart ausgebildet ist, dass sich die aktuelle resultierende Kraft (F) einer gewünschten Kraft (F_des) annähert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) dazu ausgebildet sind, aufgehängt zu werden, insbesondere an einem Tragrahmen oder an einer Decke eines Raumes.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Führungsschienen (21, 22) vorgesehen sind, wobei jede der beiden Führungsschienen (21, 22) dazu ausgebildet ist, mit einer Tragkonstruktion verbunden zu werden, insbesondere mit einem Tragrahmen (10) der Vorrichtung (1) oder mit einer Decke eines Raumes
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Führungsschienen (21, 22) parallel zueinander verlaufen, wobei insbesondere jede Führungsschiene (21, 22) um ihre Achse (L, L') geneigt ist, insbesondere um einen Winkel von 45°.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zweite Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) mit der ersten Führungsschiene (21, 22) und eine dritte und vierte Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) mit der zweiten Führungsschiene (21, 22) verschiebbar verbunden sind, so dass diese jeweils entlang der ersten bzw. zweiten Führungsschiene (21, 22) entlang deren Achse (L') gleiten können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) jeweils eine Basis (340) aufweisen, über welche die jeweilige Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) mit der zugehörigen Führungsschiene (21, 22) verschiebbar verbunden ist, und wobei insbesondere jede Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) einen Arm (341) aufweist, der an der Basis (340) der jeweiligen Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) gelenkig gelagert ist, so dass der jeweilige Arm (341) in Bezug auf die jeweilige Basis (340) um eine parallel zu der Achse (L, L') der jeweiligen Führungsschiene (21, 22) verlaufende Schwenkachse (A) schwenkbar ist, und wobei insbesondere die Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) jeweils ein mit dem jeweiligen Arm (341) verbundenes Ablenkelement (344) aufweisen, um welches Ablenkelement (344) herum das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44) zum Umlenken des Seils (41, 42, 43, 44) gelegt ist, und wobei insbesondere das Ablenkelement (344) eine Rolle ist, die drehbar mit dem jeweiligen Arm (341) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) ein Arretierungsmittel (C) zum Arretieren der jeweiligen Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) gegenüber der zugehörigen Führungsschiene (21, 22) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) durch ein Verbindungselement (350) verbunden sind, um eine erste Ablenkeinheit (35) zu bilden, und die dritte und die vierte Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) durch ein Verbindungselement (360) verbunden sind, um eine zweite Ablenkeinheit (36) zu bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (350, 360) elastisch oder unelastisch sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (350, 360) die gleiche Länge entlang der Achse (L, L') der jeweiligen Führungsschiene (21, 22) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (350, 360) lösbar mit den jeweiligen Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) verbunden sind
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Verbindungselement (350, 360) ein Seilelement, eine starre Stange oder eine Feder ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten (510, 520, 530, 540) jeweils einen Aktuator (512, 522, 532, 542) aufweisen, der mit einer Winde (511, 521, 531, 541) verbunden ist, insbesondere über eine flexible Kupplung (53), wobei um die Winde (511, 521, 531, 541) das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44) herum gewickelt ist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Aktuator (512, 522, 532, 542) dazu ausgebildet ist, ein Drehmoment auf die jeweilige Winde (511, 521, 531, 541) auszuüben, um das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44) einzuziehen oder zu lösen, wobei insbesondere die jeweilige Antriebseinheit (510, 520, 530, 540) eine Bremse zum Arretieren der jeweiligen Winde (511, 521, 531, 541) aufweisen kann, und wobei insbesondere die jeweilige Antriebseinheit (510, 520, 530, 540) mindestens ein Andruckelement (54), insbesondere eine Andruckrolle, aufweist, das dazu ausgebildet ist, das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44), das um die jeweilige Winde (511, 521, 531, 541) gewickelt ist, gegen die jeweilige Winde (511, 521, 531, 541) zu drücken, insbesondere um zu verhindern, dass das jeweilige Seil (41, 42, 43, 44) von der zugehörigen Winde (511, 521, 531, 541) oder über einen Strang springt.
Vorrichtung, insbesondere zum Entlasten eines Körpergewichts eines Benutzers während körperlicher Betätigung des Benutzers, insbesondere für Gehübungen des Benutzers, die Folgendes aufweist: wenigstens ein Seil (41, 42, 43, 44), wobei sich das Seil (41, 42, 43, 44) von einer zugeordneten Antriebseinheit (510, 520, 530, 540) zu einer zugehörigen Ablenkeinrichtung (31, 32, 33, 34) erstreckt und von dieser abgelenkt wird, wobei die Ablenkeinrichtungen (31, 32, 33, 34) dazu ausgebildet sind verschoben, insbesondere linear verschoben zu werden, wobei die Antriebseinheiten (510, 520, 530, 540) dazu ausgebildet sind, das Seil (41, 42, 43, 44) einzuziehen und zu lösen, um so eine aktuelle Seilkraft (FR) entlang des Seils (41, 42, 43, 44) einzustellen, wobei sich die aktuellen Seilkräfte (FR) zu einer aktuellen resultierenden Kraft (F) addieren, die auf den Benutzer (4) ausgeübt wird, um den Benutzer (4) zu entlasten und/oder eine Kraft auf den Benutzer (4) in einer horizontalen Ebene auszuüben, insbesondere bei der körperlichen Betätigung.