DE202014008437U1

DE202014008437U1 - Ausführung einer bionischen und hybriden Handprothese

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Publication number: DE202014008437U1
Application number: DE201420008437
Authority: DE
Original assignee: Ozyegin Universitesi
Current assignee: Ozyegin Universitesi
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2024-10-23

Abstract

Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese umfassend Phalanx-Federn (4), die dafür sorgen, dass die Finger nach dem Greifen wieder zurückkehren; um durch das zeitgleiche Verwenden von Formgedächtnislegierung (FGL) und DC-Motoren (1) eine hybride Ausführung zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner – eine Flexorsehne (5), welche die Schließbewegung der Finger ermöglicht; – eine Extensorsehne (6), die auf der Rückseite der Finger und nicht in einer Linie mit der Handfläche angeordnet ist und welche die Phalanx-Federn (4) bei der Extensionsbewegung (Öffnen) der Finger unterstützt; – eine Flexor-Aktuator-FGL (3), die für das Schließen und Greifen der Hand sorgt und die mit der Flexorsehne (5) verbunden ist; – eine Extensor-Aktuator-FGL (2), die durch das Ausführen einer Extensionsbewegung nach dem Greifen die Rückbewegung der Finger ermöglicht und die mit der Extensorsehne (6) verbunden ist, umfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft hybride künstliche Organe.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine aktive hybride Handprothese, die mit am Unterarm abgenommenen Elektromyografie-Signalen (EMG-Signalen) arbeitet.
Stand der Technik
Die aktuellen Ergebnisse der Forschung an Protheseverwendern zeigen, dass die Faktoren, die zur Leistungsfähigkeit einer Handprothese beitragen, die Funktionalität, die Interaktion mit der Umgebung, ein geringes Gewicht sowie eine hohe Greifgeschwindigkeit und Greifkraft sind, wobei die Handprothese geräuschlos oder möglichst geräuscharm und unscheinbar sein sollte.
Ideale Handprothesen erfüllen diese Kriterien. Um die Funktion des ”Greifens” bei aktiven Handprothesen, die im Stand der Technik zur Verfügung gestellt werden, sicherzustellen, werden verschiedene Arten von Gleichstrommotoren für den Abschnitt eingesetzt, der die Finger bewegt.
Bei den Systemen, die mit Hilfe eines Gleichstrommotors bewegt werden, wird eine hohe Funktionalität und Greifkraft erzielt. Dieses System ist jedoch geräuschintensiv und gegenüber der normalen menschlichen Hand bringt dieses Nachteile hinsichtlich des natürlichen Aussehens der Hand und ihres Gewichtes mit sich.
Wenn dies auch nicht sehr verbreitet ist, werden in manchen Ausführungen von Roboter-Händen Formgedächtnislegierungen eingesetzt. Formgedächtnislegierungen (FGL) sind Materialien mit Formgedächtnis, die von einer temporären Form, in der sie sich aufgrund der Wirkung von umgebenden Stimulatoren, wie beispielsweise Temperatur, pH-Wert, Licht, befinden, wieder in ihre ursprüngliche Form übergehen können, indem sie ihre ursprüngliche Form abspeichern. Bei den Roboter-Handprothesen, bei denen FGL eingesetzt wird, sind jedoch im Vergleich zu gesunden Händen die Greifgeschwindigkeit und Greifkraft aufgrund der allgemeinen Eigenschaften der FGL nicht ausreichend hoch. Weiterhin ist es als Nachteil zu sehen, dass die Reaktionszeit der in der Handprothese eingesetzten FGL lang ist.
Die internationale Anmeldung mit der Nummer WO 2010080774 A2 beschreibt einen Fingerprothese-Aktivator und ein Verfahren zum Aktivieren der Fingerprothese. Als Sehnen für den darin ausgeführten Finger wird FGL als intelligentes Material eingesetzt. Daher umfasst die Fingerprothese mehr als eine Leitung/Verbindung aus FGL-Material und jede Leitung/Verbindung umfasst in sich selbst einen Kühlmechanismus. Das in dieser Ausführung verwendete intelligente Material ist nur FGL (Formgedächtnislegierung).
Die US-Anmeldung US 6379393 B1 hingegen beschreibt eine Ausführung einer Roboterhand, die mit Hilfe der intelligenten Materialien mit Gedächtnis aktiviert wird. Innerhalb des Schutzumfangs des Patents ist eine elektrische Struktur beschrieben, die das Aktivieren und Bewegen der Roboterhand ermöglicht. Wie den Figuren der diesbezüglichen Anmeldung zu entnehmen ist, umfasst die Ausführung Elemente (Element 210 der US-Anmeldung), die der Flexorsehne (5) entsprechen. Jedoch gibt es kein Element, das der Extensorsehne (6) entspricht. Des Weiteren ist es nicht möglich, einen DC-Motor, das Formgedächtnismaterial und die Sehnen (5, 6) zugleich in einer einzigen Ausführung zu verwenden.
Die Ausführung der hybriden Handprothese der vorliegenden Erfindung bietet eine Lösung für ein technisches Problem, das von den technischen Problemen, die durch die oben genannte Anmeldung gelöst wurden, abweicht.
Aufgrund der oben genannten Nachteile und der Unzulänglichkeit aktueller Lösungen besteht Bedarf daran, abweichend von bekannten Methoden, eine Verbesserung oder Entwicklung im Bereich bionischer Handprothesen zur Verfügung zu stellen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die sich in Anbetracht der derzeitigen Bedingungen ergibt, liegt darin, hinsichtlich der mit den oben genannten Ausführungen bionischer Hände und der mit den in diesen Ausführungen verwendeten Materialien verbundenen Nachteile Abhilfe zu schaffen und die bionischen Handprothesen zu verbessern.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass diese hybride Hand alltägliche Aktivitäten verrichten kann und dabei leichter und effizienter zu bedienen ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch Verwenden eines DC-Motors in den ersten drei Fingern eine hohe Greifgeschwindigkeit und Greifkraft zu erzielen, da diese aktiver als die beiden anderen Finger (Ringfinger und kleine Finger) verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch Verwenden eines DC-Motors sowie von Formgedächtnislegierungen eine hybride Ausführung zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch Verwenden eines FGL-Aktuators im Ringfinger und im kleinen Finger, die im Vergleich zu den ersten drei Fingern weniger bewegt werden, ein leichtes und geräuschloses Arbeiten zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Reaktionszeit der FGL durch Verwenden einer Extensorsehne zu verringern.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Batterielaufzeit durch Verwenden eines FGL-Aktuators zu verlängern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, durch Verwenden von FGL ein geringes Gewicht, ein natürliches Aussehen, ein geräuschloses Arbeiten sowie einen geringen Energieverbrauch und damit die nötige Leistungsfähigkeit einer Handprothese zu erzielen.
Um die oben genannten Aufgaben zu lösen, betrifft die vorliegende Erfindung eine Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese umfassend Phalanx-Federn, die dafür sorgen, dass die Finger nach dem Greifen wieder zurückkehren, um durch das zeitgleiche Verwenden der Formgedächtnislegierung (FGL) und der DC-Motoren eine hybride Ausführung zur Verfügung zu stellen, wobei diese ferner

– Eine Flexorsehne, welche die Schließbewegung der Finger ermöglicht;
– Eine Extensorsehne, die auf der Rückseite der Finger und nicht in einer Linie mit der Handfläche angeordnet ist und welche die Phalanx-Federn bei der Extensionsbewegung der Finger unterstützt;
– Eine Flexor-Aktuator-FGL, die für das Schließen und Greifen der Hand sorgt und mit der Flexorsehne verbunden ist;
– Eine Extensor-Aktuator-FGL, die durch das Ausführen einer Extensionsbewegung nach dem Greifen die Rückbewegung der Finger ermöglicht und mit der Extensorsehne verbunden ist, umfasst.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jeder der Ringfinger und/oder kleinen Finger eine Flexorsehne.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt eine Flexor-Aktuator-FGL vor, die mit den in den Ringfingern und kleinen Fingern vorhandenen Flexorsehnen verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jeder der Ringfinger und/oder kleinen Finger eine Extensorsehne.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt eine Extensor-Aktuator-FGL vor, die mit den in den Ringfingern und kleinen Fingern vorhandenen Extensorsehnen verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jeder der Daumen, Zeige- und Mittelfinger zumindest einen DC-Motor.
Die vorliegende Erfindung umfasst in ihrer bevorzugten Ausführungsform am Unterarm abgenommene Elektromyografie-Signale (EMG-Signale), die das Arbeiten der Handprothese ermöglichen.
Die strukturellen und charakteristischen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mittels der folgenden Figuren sowie anhand der detaillierten Beschreibung, welche auf diese Figuren Bezug nimmt, deutlich, und daher sollte die detaillierte Beschreibung bei einer Beurteilung berücksichtigt werden.
Figuren zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung
1 ist eine allgemeine Ansicht der Ausführung der hybriden Handprothese gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Ansicht einer der Finger der Ausführung der hybriden Handprothese gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Finger eine Flexor- und Extensorsehne umfassen.
Bezugszeichenliste

1: DC-Motoren
2: Extensor-Aktuator-FGL
3: Flexor-Aktuator-FGL
4: Phalanx-Federn
5: Flexorsehne
6: Extensorsehne
FGL: Formgedächtnislegierung
DC: Gleichstrom (Direct Current)

Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und Details, die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht nötig sind, wurden möglicherweise weggelassen. Im Übrigen wurden Elemente oder Verfahrensschritte, die weitestgehend identisch sind oder weitestgehend identische Funktionen haben, mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei der Ausführung der hybriden Handprothese gemäß der vorliegenden Erfindung werden, anders als bei früheren Ausführungen, alle Finger der Handprothese mittels einer hybriden Struktur anstelle eines einzigen Aktuators (nur DC-Motor oder nur FGL) bewegt.
Für den als Sehne wirkenden Aktuator der beiden Finger (kleiner Finger und Ringfinger), die Teil der entwickelten hybriden Hand sind, wird FGL (2, 3) eingesetzt. Da die drei anderen Finger gegenüber diesen beiden Fingern mehr Funktionen haben, werden sie mittels eines bürstenlosen DC-Motors (1) bewegt.
Die hybride Hand gemäß der vorliegenden Erfindung wurde derart entwickelt, dass sie alltägliche Aktivitäten verrichten kann und dabei leichter und effizienter zu bedienen ist. Daher wurden die Aktuatoren (2, 3) derart ausgewählt, dass sie den nötigen Anforderungen hinsichtlich Kraft und Geschwindigkeit entsprechen, um diese Bedingungen zu erfüllen, und die Treiber sind dementsprechend entwickelt. Die aus Leistungselektronik-Elementen gebildeten Treiber sind stromgeregelte Treiberschaltungen, die mit Pulsweitenmodulation (PWM) arbeiten.
Der für die Flexionsbewegung (Schließen) der Hand verwendete Aktuator ist die Flexor-Aktuator-FGL (3). Nach der Flexionsbewegung der Hand findet die Greiffunktion statt.
Die Extensionsbewegung (Öffnen) der Hand wird (4) in den Fingern (Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger), die durch den DC-Motor bewegt werden, mittels Phalanx-Federn sichergestellt, sowie mittels einer FGL-Extensorsehne (6) in den Fingern (Ringfinger und kleiner Finger), die durch FGL bewegt werden.
Die aktuellen Ausführungen verfügen über eine Flexorsehne (5), welche die Schließbewegung der Hand unterstützt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung einer hybriden Handprothese ist jedoch, anders als bei den anderen Ausführungen von Handprothesen, ein Kanal an der Außenseite der Finger gebildet, die durch die Extensor-Aktuator-FGL (2) und die Flexor-Aktuator-FGL (3) bewegt werden. In diesem Kanal ist eine Extensorsehne (6) als zweite Sehne angeordnet. Aufgrund dieser zweiten Sehne wird das Federsystem (Phalanx-Federn (4)) bei der Extensionsbewegung (Öffnen) der Finger unterstützt.
Die als Extensorsehne (6) verwendete FGL hat die gleichen technischen Eigenschaften wie die als Flexorsehne (5) verwendete FGL. Daher ist ein natürliches Verhalten der Hand zu beobachten.
Bei der Ausführung der hybriden Handprothese sind durch das Verwenden von Aktuator-FGLs (2, 3) die für die Leistungsfähigkeit einer Handprothese nötigen Faktoren, wie geringes Gewicht, natürliches Aussehen, geräuschloses Arbeiten sowie geringer Energieverbrauch, erfüllt. Durch das Verwenden des DC-Motors (1) sind eine hohe Greifgeschwindigkeit und Greifkraft erzielt.
In der detaillierten Beschreibung sind die bevorzugten Ausführungsbeispiele der hybriden Handprothese, die gemäß der vorliegenden Erfindung zugleich mit FGL- und DC-Aktuatoren ausgeführt ist, lediglich zum Zwecke eines besseren Verständnisses beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive hybride Handprothese, die mit am Unterarm abgenommenen Elektromyografie-Signalen (EMG-Signalen) arbeitet, um eine hybride Ausführungsform zur Verfügung zu stellen, indem zugleich eine Formgedächtnislegierung (FGL) und DC-Motoren verwendet werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Flexorsehne umfasst, welche die Schließbewegung der Finger ermöglicht; eine Extensorsehne, die auf der Rückseite der Finger und nicht in einer Linie mit der Handfläche angeordnet ist und welche die Phalanx-Federn (4) bei der Extensionsbewegung der Finger unterstützt; eine Flexor-Aktuator-FGL, welche das Schließen und Greifen der Hand sicherstellt und die mit der Flexorsehne verbunden ist; eine Extensor-Aktuator-FGL, die das Zurückbewegen der Finger ermöglicht, indem sie nach dem Greifen eine Extensionsbewegung ausführt, und die mit der Extensorsehne verbunden ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010080774 A2 [0007]

Claims

Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese umfassend Phalanx-Federn (4), die dafür sorgen, dass die Finger nach dem Greifen wieder zurückkehren; um durch das zeitgleiche Verwenden von Formgedächtnislegierung (FGL) und DC-Motoren (1) eine hybride Ausführung zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner – eine Flexorsehne (5), welche die Schließbewegung der Finger ermöglicht; – eine Extensorsehne (6), die auf der Rückseite der Finger und nicht in einer Linie mit der Handfläche angeordnet ist und welche die Phalanx-Federn (4) bei der Extensionsbewegung (Öffnen) der Finger unterstützt; – eine Flexor-Aktuator-FGL (3), die für das Schließen und Greifen der Hand sorgt und die mit der Flexorsehne (5) verbunden ist; – eine Extensor-Aktuator-FGL (2), die durch das Ausführen einer Extensionsbewegung nach dem Greifen die Rückbewegung der Finger ermöglicht und die mit der Extensorsehne (6) verbunden ist, umfasst.
Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Ringfinger und/oder kleinen Finger eine Flexorsehne (5) umfasst.
Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Flexor-Aktuator-FGL (3) umfasst, die mit den in den Ringfingern und kleinen Fingern vorhandenen Flexorsehnen (5) verbunden ist.
Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Ringfinger und/oder kleinen Finger eine Extensorsehne (6) umfasst.
Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Extensor-Aktuator-FGL (2) umfasst, die mit den in den Ringfingern und kleinen Fingern vorhandenen Extensorsehnen (6) verbunden ist.
Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Daumen, Zeige- und Mittelfinger mindestens einen DC-Motor (1) umfasst.
Ausführung einer bionischen Hybrid-Handprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Elektromyografie-Signale (EMG-Signale) umfasst, die am Unterarm abgenommen werden und das Arbeiten der Handprothese ermöglichen.