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Die Erfindung betrifft ein Exoskelett nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Exoskelette dienen der Entlastung der Wirbelsäule und der Unterstützung der Rückenmuskulatur eines Nutzers beim Anheben und Absetzen von Lasten. Sie weisen eine Basiseinheit auf, welche auf dem Rücken des Nutzers zu tragen und dort mit Gurten fixiert ist sowie in der Regel für jeden Oberschenkel des Nutzers eine Anbindung aufweist. Jede dieser Anbindungen führt von der Basiseinheit über eine oder mehrere gelenkige Verbindungen zu einer fest mit dem Oberschenkel des Nutzers fixierten Platte, wobei die Fixierung vorzugsweise über Bänder bzw. Riemen erfolgt. Die Platte befindet sich an der Rückseite des Oberschenkels des Nutzers und weist ein Gelenk auf, an welchem die Anbindung, die dann über weitere gelenkige Verbindungen zu der Basiseinheit führt, befestigt ist. Dieses Gelenk kann drei Freiheitsgrade aufweisen, also eine Verschwenkung der Anbindung gegenüber der Platte um drei zueinander orthogonale Achsen zu ermöglichen
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Ähnliche Exoskelette sind in den Druckschriften
US 10,166,679 B2 ,
US10,285,843 B2 und
EP 3 173 191 A2 dargestellt und beschrieben.
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Durch die laterale Ausrichtung der Antriebseinheiten ist eine Umlenkung von Kräften auf die dorsale Oberschenkelanbindung bei gleichzeitiger Gewährleistung von gewohnten Bewegungsfreiheiten für den Anwender notwendig, wobei die Anbindung im Betrieb in Position und Orientierung in ihrer Ausgangslage ruhen soll. Durch die Kinematik des Menschens und die Fixierung der Maschine ist zum einen die Hebellänge als auch die Orientierung der gelenkigen Verbindung im Betrieb äußerst variabel und benötigt daher Ausgleichselemente in Form von Gelenken, um die korrekte Funktion zu gewährleisten.
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Die bekannten Exoskelette sind oft schwer anzulegen, weil die gelenkigen Verbindungen eine Vielzahl von Freiheitsgraden haben, welche es den Nutzern erschweren, die richtige Position, insbesondere der Oberschenkelanbindungen zu finden. Ferner sind die komplexen Gelenke aufwendig zu montieren, was die Herstellung verteuert.
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Es besteht daher die Aufgabe, ein Exoskelett so weiterzubilden, dass es einfacher in der Herstellung und auch einfacher in der Handhabung ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Exoskelett zur Entlastung der Wirbelsäule eines Nutzers beim Anheben und Absetzen von Lasten, mit einer auf dem Rücken des Nutzers zu tragenden Basiseinheit und mindestens einer damit verbundenen Anbindung für den Oberschenkel des Nutzers, welche zu einem Gelenk führt. Dieses ist an einer an dem Oberschenkel fixierbaren Oberschenkelschale angeordnet. Das Gelenk ist als Kugelgelenk mit einer Kugelpfanne und einem Kugelkopf ausgebildet, wobei die Kugelpfanne den Kugelkopf so weit umschließt, dass die Bewegung des Kugelkopfes in Kipprichtung auf maximal 30° beschränkt ist. Dieses Gelenk ist vorzugsweise als Nussgelenk ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kugelpfanne an der Oberschenkelschale und der Kugelkopf an der Anbindung angeordnet. Dies kann jedoch auch umgekehrt erfolgen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Oberschenkelschale gekrümmt ausgebildet und besteht beispielsweise aus einem carbonhaltigen Werkstoff.
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Vorteilhaft ist die Oberschenkelschale mit einem Riemen an dem Oberschenkel des Nutzers befestigbar. Hierbei kann es sich um ein Zahnband oder ein Klettband oder eine andere Art von Riemen oder eine Kombination derartiger Bänder bzw. Riemen handeln.
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Vorzugsweise bestehen die Kugelpfanne und/oder der Kugelkopf aus eloxiertem Aluminium.
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Die Anbindung zwischen dem Gelenk und der Basiseinheit weist vorzugsweise mindestens eine weitere gelenkige Verbindung, vorzugsweise hierzu zwei gelenkige Verbindungen mit zueinander parallelen Schwenkachsen auf.
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Es ist vorteilhaft, wenn eine erste gelenkige Verbindung zwischen der Basiseinheit und einem Ende eines Lateralelements angeordnet ist, an dessen anderem Ende die weitere gelenkige Verbindung das Lateralelement mit einem Dorsalelement verbindet, dessen gegenüberliegendes Ende den Kugelkopf trägt.
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Vorzugsweise ist das Dorsalelement in seinem Verlauf von dem weiteren Gelenk hin zu dem Kugelkopf gekrümmt ausgebildet. Vorzugsweise ist das Gelenk über mehrere Schrauben oder Nieten mit der Oberschenkelschale verbunden.
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Vorteilhafterweise ist der Kugelkopf mit einem Bolzen verbunden, welcher über einen Sicherungsstift mit der Anwendung, insbesondere dem Ende des Dorsalelements, verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kugelkopf innerhalb der Kugelpfanne mittels eines Sprengrings gesichert. Vorteilhafterweise weist das Exoskelett zwei Anbindungen für den rechten und linken Oberschenkel des Nutzers auf, welche in gleicher Weise symmetrisch zueinander ausgestaltet sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine perspektivische, schematische Darstellung der Anbindung eines Exoskeletts an den Oberschenkel eines Nutzers in einer ersten Position;
- 2 eine Darstellung gemäß 1 in einer zweiten Position; und
- 3 eine Explosionsdarstellung der Anbringung des in den 1 und 2 dargestellten Gelenks an einer Oberschenkelschale
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Da sich die Erfindung im Wesentlichen auf die Anbindung eines an sich bekannten Exoskeletts an den bzw. die Oberschenkel eines Nutzers bezieht, zeigen die 1 und 2 im Wesentlichen die Anbindung 2 und von der auf dem Rücken des Nutzers zu tragenden Basiseinheit 1 nur den unteren Bereich. Diese nicht im Einzelnen dargestellte Basiseinheit 1 wird auf dem Rücken des Nutzers festgeschnallt. Sie trägt die Rückenabstützung, die Motoren, die Stromversorgung und die elektronische Steuerung.
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Da das Exoskelett der Entlastung der Wirbelsäule des Nutzers bzw. der Verstärkung der Rückenmuskulatur dieses Nutzers beim Anheben und Absetzen von Lasten dient, bedarf es einer einerseits stabilen, einerseits aber gelenkigen Verbindung der Basiseinheit 1 mit dem Oberschenkel des Nutzers. Diese Anbindung 2 ist in den 1 und 2 dargestellt. Die Figuren zeigen beide diese Anbindung 2 in verschiedenen Kippstellungen des Gelenks 3 bzw. der gelenkigen Verbindungen 9 und 10 und werden daher im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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An der Unterseite der Basiseinheit 1 befindet sich eine erste gelenkige Verbindung 9 zu einem Lateralelement 11, wobei die Gelenkachse senkrecht zur Kipprichtung der darüber angeordneten Antriebseinheit und somit in Blick- bzw. Gehrichtung des Nutzers verläuft. Das Lateralelement 11 ist vorzugsweise aus Leichtmetall, z.B. aus Aluminium ausgebildet und weist, um zusätzlich Gewicht einzusparen, Ausnehmungen auf, so dass sich eine Art Filigrantragwerk bildet. An der gegenüberliegenden Seite des Lateralelements 11 befindet sich eine weitere gelenkige Verbindung 10 mit gleicher Drehachse wie die erste gelenkige Verbindung 9. Daran schließt sich ein Dorsalelement 12 an, welches in seinem Verlauf nach innen, d.h. hinter den Oberschenkel eines Nutzers, gekrümmt ist und an dessen freiem Ende ein Teil eines Gelenks 3, nämlich ein Kugelkopf 6 angeordnet ist. Diese Anordnung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 näher beschrieben.
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Über das Gelenk 3 wird die Anordnung aus Lateralelement 11 und Dorsalelement 12 mit einer Oberschenkelschale 4 verbunden, welche zur Anpassung an den Oberschenkel des Nutzers gekrümmt ausgebildet sein kann und vorzugsweise aus einem leichten Werkstoff, z.B. aus Aluminium oder einem carbonhaltigen Werkstoff, besteht oder zumindest teilweise aus den genannten Materialien besteht. Die Oberschenkelschale 4 trägt an ihrer Außenseite eine Kugelpfanne 5, welche gemeinsam mit dem an dem Ende des Dorsalelements angebrachten Kugelkopf 6 das Gelenk 3 bildet, welches weiter unten unter Bezugnahme auf 3 näher beschrieben wird. Die Oberschenkelschale 4 weist an einem Ende eine Aufnahme für ein Klettband 8 und am anderen Ende eine Befestigung für ein Zahnband 7 auf, wobei die jeweils anderen Enden des Klettbandes 8 und des Zahnbandes 7 mittels eines Beinpads verbunden sind. Mit Hilfe des Klettbandes 8 lässt sich eine Voreinstellung des Umfangs der Oberschenkelanbindung erreichen und mit Hilfe des Zahnbandes 7 lässt sich diese leicht an- und ausziehen.
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Es ist anzumerken, dass nur der rechte Teil der Basiseinheit 1 eines Exoskeletts mit der entsprechenden Anbindung 2 für den rechten Oberschenkel des Nutzers dargestellt ist.
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Tatsächlich weist das Basisteil 1 des Exoskeletts auf der anderen Seite eine weitere solche Anbindung auf, welche im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zu der dargestellten Anbindung 2 aufgebaut ist, so dass beide Oberschenkel des Nutzers mit jeweils einer Anbindung 2 versehen sind und mit der Basiseinheit 1 verbunden werden können.
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Die 1 und 2 unterscheiden sich in verschiedenen Stellungen der gelenkigen Verbindungen 9 bzw. 10 und des Gelenks 3. Während sich das Gelenk 3 bei der in 1 dargestellten Position etwa in Mittellage befindet, ist es in 2 nahe des Anschlags seines Kippbereichs. Entsprechend verändert sind auch die Positionen der gelenkigen Verbindungen 9 und 10. Durch die gelenkigen Verbindungen 9 und 10 und das Gelenk 3 lässt sich die Anbindung 2 nicht nur an verschiedene Anatomien von Nutzern anpassen, sondern es wird auch der Tatsache Rechnung getragen, dass während der Bewegung des Nutzers bestimmte Nachgiebigkeiten erforderlich sind, welche durch die laterale Ausrichtung der Antriebseinheiten bedingt sind, wodurch eine Umlenkung von Kräften auf die dorsale Oberschenkelanbindung bei gleichzeitiger Gewährleistung von gewohnten Bewegungsfreiheiten für den Nutzer notwendig ist.
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Das Gelenk 3 ist in 3 in Explosionsdarstellung gezeigt. 3 zeigt die gekrümmte Oberschenkelschale 4 mit an beiden Seiten befindlichen Aufnahmen für das (in 3 nicht dargestellte) Klettband 8 bzw. das Zahnband 7. In der Mitte der Oberschenkelschale 4 befindet sich eine Ausnehmung 16, welche von vier Bohrungen 17 umgeben ist, durch welche Schrauben 18 verlaufen, die in entsprechenden Innengewinden einer Aufnahmeplatte 19 enden, wenn diese Aufnahmeplatte 19 mit der Oberschenkelschale 4 verschraubt ist. Die Aufnahmeplatte 19 trägt an ihrer der Oberschenkelschale 4 abgewandten Seite die Kugelpfanne 5 des Gelenks 3. Diese Kugelpfanne 5 nimmt den Kugelkopf 6 auf, der an einem Bolzen 13 befestigt ist und der innerhalb der Kugelpfanne 5 danach mittels eines Sprengrings 15 gesichert wird. Der Bolzen 13 weist orthogonal zu seiner Längsrichtung eine Bohrung auf, durch welche ein Sicherungsstift 14 geschoben werden kann, der auch durch entsprechende seitliche Bohrungen in dem Dorsalelement 12 verläuft, wodurch der Bolzen 13 am Ende des Dorsalelements 12 gesichert ist. Das eine Kugelpfanne 5 mit einem darin gelagerten Kugelkopf 6 aufweisende Gelenk 3 wird auch als Nussgelenk bezeichnet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Geometrie von Kugelpfanne 5, Kugelkopf 6 und Sprengring 15 derart ausgelegt, dass eine maximale Verkippung des Gelenks 3 von 30° bezogen auf die mittige Position des Kugelkopfs 6 innerhalb der Kugelpfanne 5 möglich ist, und zwar in jeder Richtung.
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Vorzugsweise bestehen die Kugelpfanne 5 und der Kugelkopf 6 aus Leichtmetall, vorzugsweise hierzu aus eloxiertem Aluminium.
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Durch die einfache konstruktive Ausbildung des Gelenks 3 mit Kugelpfanne 5 und Kugelkopf 6 wird einerseits ein einfacher und preisgünstiger Zusammenbau erzielt, da auf bisherige Drei-Achsen-Gelenke oder kardanische Verbindungen verzichtet werden kann. Gleichzeitig bewirkt das Nussgelenk eine Beschränkung der Kipprichtung des Bolzens 13 und damit des Dorsalelements 12 um nur einen geringen Betrag von ± 30°, so dass die Oberschenkelschale 4 sich beim Anlegen des Exoskeletts immer in einer ergonomischen Position befindet und damit dem Nutzer das Anlegen des Exoskeletts erleichtert wird. Die erfindungsgemäße Lösung ist somit einfacher und billiger in der Herstellung und zuverlässiger im Gebrauch als die bekannten Lösungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Basiseinheit
- 2
- Anbindung
- 3
- Gelenk
- 4
- Oberschenkelschale
- 5
- Kugelpfanne
- 6
- Kugelkopf
- 7
- Zahnband
- 8
- Klettband
- 9
- gelenkige Verbindung
- 10
- gelenkige Verbindung
- 11
- Lateralelement
- 12
- Dorsalelement
- 13
- Bolzen
- 14
- Sicherungsstift
- 15
- Sprengring
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Bohrungen
- 18
- Schrauben
- 19
- Aufnahmeplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 10166679 B2 [0003]
- US 10285843 B2 [0003]
- EP 3173191 A2 [0003]
