EP3383339A1 - Vorrichtung zur bewegungsunterstützung eines menschlichen schultergelenkes - Google Patents

Vorrichtung zur bewegungsunterstützung eines menschlichen schultergelenkes

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EP3383339A1
EP3383339A1 EP16805077.1A EP16805077A EP3383339A1 EP 3383339 A1 EP3383339 A1 EP 3383339A1 EP 16805077 A EP16805077 A EP 16805077A EP 3383339 A1 EP3383339 A1 EP 3383339A1
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EP
European Patent Office
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rotation
axis
bearing
bearing part
pivot bearing
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EP16805077.1A
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EP3383339B1 (de
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Jérémy LEFINT
Christopher RIEHS
Conrad HOCHBERG
Urban DAUB
Jannis Breuninger
Tobias ROGGE
Amir EBRAHIMI
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • A61H2201/165—Wearable interfaces

Definitions

  • the invention relates to a device for supporting the movement of a human shoulder joint.
  • exoskeletons are based on a common maxim, namely to position the drive system required for the movement support as close as possible to the body joint and preferably the dead weight of the drive system directly via a directly attached to the human body, stable structure and / or preferably via suitable, kraftableitende support structures directly on the ground support.
  • the general challenge is not to impair the natural mobility of humans, but rather to support them without significant hindrance.
  • a typical exoskeleton has a multiplicity of joint mechanisms interconnected via rigid structures, whose coordinated degrees of freedom are selected in such a way that they are analogous to the person's natural joint kinematics.
  • the shoulder joint in particular makes the greatest demands on an artificial, articulated reproduction of the natural joint mobility. It should be noted that the mobility of the
  • Glenohumeral joint i. the ball joint between the humerus and the shoulder blade (scapula), and the other by the mobility of the
  • the glenohumeral joint is deflected linearly both along the transverse plane (x-y plane) and along the frontal plane (y-z plane).
  • x-y plane transverse plane
  • y-z plane frontal plane
  • the sagittal plane is also named, which corresponds to the x-z plane in the above coordinate system.
  • Bracket construction provided which is arranged rearwardly and above the shoulder region of the person and at the end of an arrangement of three hinges is mounted with each orthogonally oriented axes of rotation, one of the 360 ° rotational movement of the Glenohumeralgelenkes replicating
  • Ball joint arrangement corresponds.
  • Ball joints containing swivel joints intersect each other in the joint between the humerus and scapula.
  • the arrangement composed of three swivel joints is followed by another swivel joint disposed in the region of the elbow via a further rigid axis, which however has no direct influence on the mobility in the shoulder blade region.
  • the exoskeleton arrangement has corresponding servomotors in each of the rotary joints, by means of which the movement in the shoulder region can be assisted by a motor.
  • Rotary joints kinematic chain and represents in a very similar arrangement and training on the upper body of a wearer to the
  • the joint assembly is additionally articulated about a parallel to the backbone of the support axis of rotation hinged to a back plate for attachment to the carrier, so as to allow translational movements of the shoulder joint along the so-called transverse plane.
  • the publication WO 2015/058249 A1 discloses an exoskeleton arrangement, which is used in particular for the movement support of an arm.
  • the known device has partly motor-driven joints, which are connected to one another via rigid connecting struts and project beyond the shoulder region of the person laterally and also above.
  • the joints each have joint axes which, regardless of the movement and deflection state of the arrangement, always virtually intersect in the humeral head of the shoulder joint and thus center this joint area within the arrangement. This is the
  • the document US 201 1/0251533 A1 discloses a rehabilitation device for mobilizing the upper arm of a person.
  • the device has four motor-driven joints, which are interconnected by means of rigid connections, whose associated joint axes virtually cut, as in the above-described case, virtually in the humeral head.
  • Comparable therapeutic movement apparatus can be found in the publications US 2007/0225620 A1 and WO 2015/099858 A2. In these cases too, the joints arranged around the shoulder joint intersect
  • the invention has for its object a device for
  • Movement-assisting device is intended to allow abductive arm movements overhead without mechanical restriction and without risk of collision between the device and the body. Furthermore, it is important to design the device as light and compact as possible, so that it does not, as in known solutions by a shoulder projecting backdrop construction obvious in appearance and thus finds a high acceptance among potential users.
  • the solution according to the device for motion support of a human shoulder joint which is characterized by the 360 ° rotation of the ball joint between the humerus and shoulder blade (Glenohumeralgelenk) and the Transversalbewegige the shoulder blade itself, has five kinematically coupled pivot bearing, of which a first pivot bearing for exercising a Rotation of a first bearing part about a first axis of rotation
  • first axis of rotation is fixedly connected to a first fastening means, which is suitable for a removably fixed attachment and alignment of the first pivot bearing on the shoulder region of a person, so that the first axis of rotation preferably traverses the shoulder blade of the person or the frontal plane of the person in Traversed area between the spine and the scapula.
  • the first axis of rotation is preferably oriented orthogonal to the scapula plane, the so-called scapular plane, which is normally opposite to the scapular plane
  • Frontal plane is inclined by approximately 30 ° in the direction of the sagittal plane.
  • a second axis of rotation of a second pivot bearing is connected, about which a second bearing part is rotatably mounted.
  • a third axis of rotation of a third pivot bearing is connected, about which a third bearing part is rotatably mounted.
  • a fourth axis of rotation of a fourth pivot bearing is centrally or directly connected to the third bearing part to which a fourth bearing part is rotatably mounted.
  • the fourth bearing part is also rotatably about a fifth axis of rotation of a fifth
  • Fastener is connected solidly, which is for a removable solid
  • Attachment and alignment of the fifth pivot bearing on the humeral region of the shoulder blade of a person is suitable, so that the fifth axis of rotation always traverses the humeral head of the person.
  • the actuator is formed as an integral element of each of the first and / or fifth pivot bearing, so that size, weight and spatial form of the first and / or fifth pivot bearing as small and light as possible.
  • the actuator system comprises an elastic clamping means with a torque-generating bias, for example in the form of a spring or spring arrangement.
  • the actuator system consists of an electromotive drive, preferably in the form of a servo, stepper or synchronous motor, whereby the torques relieved by the first and / or fifth pivot bearing on the shoulder joint individually dosed, for example.
  • a scheme or control can be specified.
  • the device according to the solution does not have three pivot bearings, which span an xyz coordinate system whose axes of rotation in the humeral head of a Person cut, but the second, third and fourth pivot bearings are so medium or directly interconnected, so that the second pivot bearing associated second axis of rotation and the third pivot bearing associated third axis of rotation are oriented parallel to each other and span a plane to which the fourth pivot bearing associated fourth axis of rotation is parellel oriented.
  • parallel orientation may well be understood mathematically exact, but the solution according to the concept should also include those alternative designs in which the second, third and fourth axis of rotation can deviate from the parallelism angle tolerance of maximum plus minus 10 °.
  • first and second pivot bearings are connected to one another in such a way that the first and second axes of rotation are always intersected, preferably oriented orthogonally to one another.
  • the fourth and fifth pivot bearings are connected to one another in such a way that the first and second axes of rotation are always intersected, preferably oriented orthogonally to one another.
  • the fourth and fifth pivot bearings are connected to one another in such a way that the first and second axes of rotation are always intersected, preferably oriented orthogonally to one another.
  • Rotary bearing designed and arranged such that their axes of rotation intersect and are preferably oriented orthogonal to each other.
  • the first and second hinges may be arranged relative to each other, so that their respective associated axes of rotation do not intersect, especially in that case where the first pivot on the attachment means, for example.
  • the person on the back of the upper body is worn, is mounted so that the first pivot
  • the kinematic chain composed of the first to fifth pivot bearings corresponds to a serial arrangement of all five pivot bearings, in which the spacing between the second and third axes of rotation and the spacing between the third and fourth axes of rotation are chosen to be constant and preferably of equal length.
  • the size of the protruding distances is determined by the size and shape of the given second and third bearing part and can basically individually to the physically predetermined size dimensions in the shoulder and
  • the distance between the second and fourth axis of rotation is variable and in particular a transversal movement of the shoulder joint, i. follow linear movements along the Forntalebene.
  • a further embodiment of the device for supporting the movement of a human shoulder joint provides, directly or indirectly, on the third bearing part, a sixth pivot bearing, for exercising a rotation of the fourth bearing part about a sixth axis of rotation which is oriented orthogonally to the fourth axis of rotation.
  • the shape and size specific design of the device according to the invention is compact and physically small and allows in the state of wear on a person an unobtrusive appearance, which is essentially by a
  • the shoulder blade and humerus region is characterized by laterally limited local clasp structure, which does not have the shoulder of the person superior components or
  • FIG. 2 Detail view of a preferred embodiment of
  • FIG. 3 detail of one illustrated in Figures 1 and 2
  • FIG. 5 shows a development of the embodiment illustrated in FIG.
  • FIG. 1 shows a perspective rear view of the upper body of a person P who wears a device V designed in accordance with the solution on both shoulders, which are each mounted on a fastening means 5 detachably fixedly supported on the back of the person P.
  • a device V designed in accordance with the solution on both shoulders, which are each mounted on a fastening means 5 detachably fixedly supported on the back of the person P.
  • Even the external appearance of the device according to the invention V differs significantly from known exoskeletal structures for supporting the movement of the shoulder joint in that no
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the device V according to the invention attached to the body of the person P in the area of the right shoulder.
  • the device according to the solution V has five pivot bearings L1, L2, L3, L4 and L5, see also a further detailed representation of the device according to the invention in a unique position according to Figure 3, to which reference is made in addition to Figure 2 in an equal manner with the reference to the respective pivot bearings associated rotary axes D1, D2, D3, D4 and D5.
  • the first pivot bearing L1 is releasably fixed to the back of the person P
  • the attachable fastener 5 in the form of a flat support plate so connected, so that the first axis of rotation D1 is fixedly mounted on the fastening means 5.
  • the first bearing part 1 Opposite the axis of rotation D1 is the first bearing part 1, which is annular in the embodiment shown rotatably mounted.
  • the first pivot bearing L1 is also equipped with a small-sized, efficient electric motor 7, which is arranged radially inwardly of the ring-shaped first bearing part 1 and the annular first bearing part 1 about the axis of rotation D1 controlled to deflect.
  • the electric motor 7 is designed as a servomotor, stepping motor or synchronous motor.
  • the motor-driven first rotary joint L1 is capable of transmitting force-supporting torques to the shoulder joint, by the abductive and adductor arm movements, ie vertical raising and lowering of the upper arm laterally to the body with a maximum pivoting range up to the head over the head, are possible.
  • the device V according to the solution has at least one second motor-driven rotary joint, the so-called fifth rotary joint L5, which via a second fastening means 6 (see FIG. 3) is close to the shoulder
  • the first and fifth pivot bearings L1, L5 are identical in shape and size.
  • a series kinematic chain is used which comprises three further pivot bearings L2, L3 and L4.
  • the second pivot bearing L2 comprises a fixed to the annular first bearing part 1, at the Outer circumference connected bearing pin 1 ', which is penetrated by the second axis of rotation D2 and is rotatably mounted on the second bearing part 2. Due to the compact mounting of the second pivot bearing L2 on the first pivot bearing L1, the first and second axes of rotation D1, D2 intersect and, moreover, are oriented orthogonally to one another.
  • the fourth pivot bearing L4 is formed and has a fixedly connected to the annular fourth bearing part 4 at its peripheral edge fourth bearing pin 4 ', through which the fourth axis of rotation D4 extends and around which the third bearing part 3 is rotatably mounted.
  • the second and third bearing part 2, 3 are formed uniformly or identically in the embodiment. Of course, it is possible to adapt the shape and size of the second and third bearing part 2, 3 differently and in particular individually to the ergonomics of the respective carrier.
  • the second and third bearing part 2, 3 respectively faces each other
  • Bearing bolt 8 extends through which the third axis of rotation D3 passes. Due to the rotational mobility of the first and second pivot bearing L1, L2 and the fourth and fifth pivot bearing L4, L5 to the centrally mounted third rotation axis D3, the distance between the second and fourth rotation axis D2, D4 is variable, whereas the distances between the first and third as well as third and fourth axes of rotation each remain constant.
  • the respective second and third bearing part 2, 3 are curved in a swinging manner, so that the third pivot bearing L3 does not or not spatially correspond to the radial dimensions of the first and fifth pivot bearings L1, L5 substantially surpassed.
  • the kinematic articulated chain comprising the second, third and fourth pivot bearings L2, L3, L4, the first and fifth to be attached to the body of the person Pivots L1, L5 connects with each other, opens up the possibility that in transverse movements of the scapula, for example, along the
  • Transverse plane (XY plane)
  • the device worn on the body can follow the natural shoulder blade movement. Both a linear forward movement of the scapula and backward movement is thus realized by the device according to the solution.
  • Figure 4 shows an alternative embodiment for the realization of the solution designed according to the device for motor-assisted movement of the human shoulder joint.
  • the same or equivalent components are provided with the same reference numerals that have already been introduced in the embodiment of Figure 3, so that can be dispensed with a repeated functional description.
  • the first axis of rotation D1 of the first bearing element L1 is fixedly connected to a fastening means 5 which is releasably fixed to the back of a person not further illustrated.
  • a fastening means 5 which is releasably fixed to the back of a person not further illustrated.
  • first and second axes of rotation D1, D2 are aligned orthogonal to each other and intersect, the second pivot bearing L2 'spatially laterally spaced from the first pivot bearing L1 attached.
  • a fixedly connected to the first bearing part 1 first lever arm 9 is provided, on which the second rotational axis D2 'of the second pivot bearing L2' is non-rotatably mounted.
  • a corresponding lateral lever arm 10 is mounted between the fifth pivot bearing L5 and the fourth pivot bearing L4 'which is rotatably connected on the one hand to the fifth axis of rotation D5 and on the other hand rotatably connected to the fourth axis of rotation D4' of the fourth bearing part L4 '.
  • the dashed line of the reference numerals L2 ', D2' and L4 ', D4' is merely to indicate that the second and fourth pivot bearings L2 ', L4' in the embodiment of Figure 4 each have a lateral distance to the first pivot bearing L1 and the fifth pivot bearing L5 exhibit.
  • Lever arms 9, 10 can in particular the lateral total distance between the first pivot bearing L1 and fifth pivot bearing L5 increased or adjusted individually.
  • Lever arms 9, 10 can in particular the lateral total distance between the first pivot bearing L1 and fifth pivot bearing L5 increased or adjusted individually.
  • kinematic chain comprising the second, third and fourth pivot bearing L2 ', L3, L4' with the associated axes of rotation D2 ', D3, D4', is formed mechanically equivalent to the respective pivot bearings of the embodiment illustrated in Figure 3.
  • the second, third and fourth rotation axis D2 ', D3, D4' are arranged parallel to each other and each have a lateral distance from each other, which is determined by composite bearing parts.
  • FIG. 5 illustrates a development of the exemplary embodiment described in FIG. 3 with identical reference symbols to those which can be seen in FIG.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 5 has another, so-called sixth pivot bearing L6, which is arranged opposite to the end on the third bearing part 3, the third pivot bearing L3.
  • the sixth pivot bearing L6 is arranged and formed on the third bearing part L3 such that the sixth pivot axis D6 is oriented orthogonal to the fourth pivot axis D4 * of the fourth pivot bearing L4 * .
  • the sixth pivot bearing L6 provides a rotational connection between the third bearing part 3 and the fourth pivot bearing L4 * , so that the fourth pivot bearing L4 * and the associated fifth pivot bearing L5 are pivotable together about the sixth pivot axis D6.
  • This kinematic part chain comprising the sixth, fourth and fifth pivot bearing (L6, L4 * , L5), allows lifting the upper arm of a person without the rest
  • FIG. 6 illustrates a development of the exemplary embodiment described in FIG. 4 with identical reference symbols to those which can be seen in FIG. 6
  • the sixth bearing L6 is so on the lateral lever arm 10th
  • the sixth pivot bearing L6 associated sixth axis of rotation D6 is oriented orthogonal to a comparison with the embodiment in Figure 4 supplemented fourth axis of rotation D4 * of the fourth pivot bearing L4 * , wherein the supplemented fourth pivot bearing L4 * in contrast to the embodiment of FIG is combined with the sixth pivot bearing L6, so that the supplemented fourth pivot bearing L4 * and the associated fifth pivot bearing L5 together the sixth axis of rotation D6 are pivotable.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 6 provides, as it were, the fourth pivot bearing L4 'with the rotation axis D4' in FIG. 4, which is oriented parallel to the rotation axis D2 'and D3.
  • the pivot bearing L4 ' shown in Figure 4 fourth pivot bearing L4' and is interchangeable with this in arrangement and function.
  • the kinematic sub-chain comprising the sixth, supplemented fourth and fifth pivot bearing (L6, L4 ', L5) allows lifting of the upper arm of a person without the other components of the device, concerning the two bearing parts 2, 3, the lateral lever arms 9, 10th and the pivot bearings L2 ', L3, L4' to deflect the first rotational axis D1 of the first pivot bearing L1 upwards and thus raise.
  • the first pivot bearing L1 is arranged close to the spinal column of the person on the fastening means 5. In this way, the first axis of rotation D1 passes through the frontal plane of the person in the area near the spine. This also opens up the possibility of using another
  • force-supporting unit 1 1, bspw in the form of a cylinder-piston unit, preferably a pneumatically or hydraulically driven cylinder unit, which is supported on one side on the fastening means 5 and articulated on the lateral lever arm 9 for purposes of force application.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes mit einem ersten Drehlager (L1) zur Ausübung einer Drehung eines ersten Lagerteils (1) um eine erste Drehachse (D1), einem zweiten Drehlager (L2) zur Ausübung einer Drehung eines zweiten Lagerteils (2) um eine zweite Drehachse (D2), wobei die zweite Drehachse (D2) mittel- oder unmittelbar mit dem ersten Lagerteil (1) verbunden ist, einem dritten Drehlager (L3) zur Ausübung einer Drehung eines dritten Lagerteils (3) um eine dritte Drehachse (D3), wobei die dritte Drehachse (D3) mittel- oder unmittelbar mit dem zweiten Lagerteil (2) verbunden ist, einem vierten Drehlager (L4) zur Ausübung einer Drehung eines vierten Lagerteils (4) um eine vierte Drehachse (D4), wobei die vierte Drehachse (D4) mittel- oder unmittelbar mit dem dritten Lagerteil (3) verbunden ist und einem fünften Drehlager (L5) zur Ausübung einer Drehung des vierten Lagerteils (4) um eine fünfte Drehachse (D5), wobei a) die erste Drehachse (D1) mit einem ersten Befestigungsmittel (5) raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbar feste Anbringung und Ausrichtung des ersten Drehlagers (D1) am Schulterbereich einer Person geeignet ist,, b) die fünfte Drehachse (D5) mit einem zweiten Befestigungsmittel (6) raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbar feste Anbringung und Ausrichtung des fünften Drehlagers (D5) am Oberarmbereich des Schulterblattes einer Person geeignet ist, so dass die Drehachse (D5) den Oberarmkopf (Humeruskopf) der Person traversiert, c) die zweite und dritte Drehachse (D2, D3) parallel zueinander orientiert sind und eine Ebene (E) aufspannen, zu der die vierte Drehachse (D4) parellel orientiert ist, und d)zumindest das erste und/oder fünfte Drehlager eine die Drehung unterstützende Aktorik aufweist bzw. aufweisen.

Description

Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Systeme kommen seit langem in der Medizin in Form von motorisch angetriebenen Gelenkorthesen zum Einsatz und dienen zur Stabilisierung und Entlastung sowie auch zur Führung und Korrektur von beweglichen Gliedmaßen bzw. des Körperrumpfes. Zudem sind so genannte künstliche Exoskelette bekannt, d.h am Körper tragbare motorisch unterstützte Gelenkmaschinenstrukturen, die Bewegungen des Trägers unterstützen oder verstärken, indem zum Beispiel Gelenke des Exoskelettes durch Servomotoren oder ähnliche elektromotorische
Antriebskonzepte angetrieben werden.
Im Wege interdisziplinärer Forschung und Entwicklung an derartigen
bewegungsunterstützenden Systemen gewinnen derartige Systeme zunehmend an Bedeutung und Aufmerksamkeit. Insbesondere die stetige Verbesserung von relevanten Systemkomponenten, wie beispielsweise die Realisierung
leistungsfähiger Elektromotoren, hocheffizienter Steuerungsgeräte sowie
Akkumulatoren mit hoher Energiedichte machen neuartige Entwicklungen auf dem Gebiet der Orthesen und Exoskelette erst möglich. Den meisten Exoskeletten liegt eine gemeinsamen Maxime zugrunde, nämlich das für die Bewegungsunterstützung erforderliche Antriebssystem möglichst nah am Körpergelenk zu positionieren und das Eigengewicht des Antriebssystems möglichst über eine direkt am menschlichen Körper angebrachte, stabile Struktur und/oder vorzugsweise über geeignete, kraftableitende Stütztstrukturen direkt am Boden abzustützen. Die generelle Herausforderung ist dabei die natürliche Beweglichkeit des Menschen möglichst nicht zu beeinträchtigen, sondern diese vielmehr ohne nennenswerte Hinderung zu unterstützen. Ein typisches Exoskelett besitzt eine Vielzahl jeweils über steife Strukturen miteinander verbundene Gelenkmechanismen, deren aufeinander abgestimmte Freiheitsgrade so gewählt sind, dass sie der natürlichen Gelenkkinematik der Person analog nachempfunden sind.
Unter den menschlichen Gelenken stellt insbesondere das Schultergelenk die größten Anforderungen an eine künstliche, gelenkige Nachbildung der natürlichen Gelenkbeweglichkeit. So ist zu beachten, dass die Beweglichkeit des
Schultergelenkes zum einen durch eine nahezu 360°-Beweglichkeit des
Glenohumeralgelenks, d.h. das Kugelgelenk zwischen dem Oberarmknochen und dem Schulterblatt (Skapula), und zum anderen durch die Beweglichkeit des
Schulterblatts selbst vorgegeben ist. So wird das Glenohumeralgelenk sowohl längs der Transversalebene (x-y-Ebene) als auch längs der Frontalebene (y-z-Ebene) linearbeweglich ausgelenkt. Hierbei sei angemerkt, dass die x-Achse bei einer aufrechtstehenden Person, die Horizontalrichtung in Blickrichtung, die y- Achse die Horizintalrichtung orthogonal zur x-Achse und die z-Achse der Vertikalachse entsprechen. In diesem Zusammenhang sei aus Gründen der Vollständigkeit auch die Sagittalebene genannt, die im vorstehenden Koordinatensystem der x-z-Ebene entspricht.
Eine bekannte das Schultergelenk entlastende, exoskelettartig ausgebildete Struktur ist in der Druckschrift US 2007/0225620 A1 beschrieben. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um starre Verbindungsstreben, die in Art einer seriell, kinematischen Kette gelenkig miteinander verbunden sind. Zur körpernahen Abstützung der kinematischen Kette dient eine Rückenplatte, die lösbar fest am Oberkörper einer Person fixierbar ist und an der ein erstes Drehgelenk mit einer den Oberkörper traversierenden Drehachse angebracht ist. Das erste Drehgelenk ermöglicht ein seitliches Anheben (Abduktion) bzw. Absenken (Adduktion) des Oberarmes längs der Frontalebene (y-z-Ebene), die die Drehachse des ersten Drehgelenkes orthogonal schneidet. Drehbeweglich am ersten Drehgelenk ist eine starre
Bügelkonstruktion vorgesehen, die rückwärtig und oberhalb zum Schulterbereich der Person angeordnet ist und an der endseitig ein Arrangement aus drei Drehgelenken mit jeweils orthogonal zueinander orientierten Drehachsen angebracht ist, das einer die 360° Drehbeweglichkeit des Glenohumeralgelenkes nachbildenden
Kugelgelenkanordnung entspricht. Die Drehachsen der drei in der
Kugelgelenkanordnung enthaltenden Drehgelenke schneiden sich jeweils im Gelenk zwischen Oberarmknochen und Schulterblatt. Ferner schließt sich an das aus drei Drehgelenken zusammengesetzte Arrangement über eine weitere starre Achse ein im Bereich des Ellbogens angeordnetes Drehgelenk an, das jedoch keinen direkten Einfluss auf die Mobilität im Schulterblattbereich hat. Die bekannte
Exoskelettanordnung verfügt in einer bevorzugten Ausführungsform in jedem der genannten Drehgelenke über entsprechende Servomotoren, durch die die Bewegung im Schulterbereich motorisch unterstützt werden kann.
Ein weiteres Beispiel für eine am Oberkörper getragene Exoskelettanordnung geht aus der Druckschrift WO 2015/099858 A2 hervor, die eine sich aus fünf
Drehgelenken zusammensetzende kinematische Kette darstellt und in einer ganz ähnlichen Anordnung und Ausbildung am Oberkörper eines Trägers um das
Schultergelenk angebracht ist, wie beim vorstehend erläuterten Fall gemäß der Druckschrift US 2007/0225620 A1 . Im Unterschied zum vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist die Gelenkanordnung zusätzlich um eine parallel zum Rückgrat des Trägers orientierte Drehachse gelenkig an einer Rückenplatte zur Anbringung an den Träger angelenkt, um so translatorische Bewegungen des Schultergelenkes längs der so genannten Transversalebene zu ermöglichen. Der Druckschrift WO 2015/058249 A1 ist eine Exoskelettanordnung zu entnehmen, die insbesondere zur Bewegungsunterstützung eines Armes dient. Die bekannte Vorrichtung verfügt über zum Teil motorisch angetriebene Gelenke, die über starre Verbindungsstreben miteinander verbunden sind und den Schulterbereich der Person seitlich sowie auch oberhalb überragen. Die Gelenke besitzen jeweils Gelenkachsen, die sich unabhängig vom Bewegungs- und Auslenkungszustand der Anordnung stets im Humeruskopf des Schultergelenkes virtuell schneiden und somit diesen Gelenkbereich innerhalb der Anordnung zentrieren. Damit ist die
Bewegungsfreiheit der Person im Schulterbereich hinsichtlich transversaler
Eigenbewegungen der Schulter, insbesondere des Schulterblattes, stark
eingeschränkt.
Die Druckschrift US 201 1/0251533 A1 offenbart eine Rehabilitationsvorrichtung zur Oberarmmobilisierung einer Person. Die Vorrichtung verfügt über vier motorisch angetriebene, über starre Verbindungen miteinander verbundene Gelenke, deren zugeordnete Gelenkachsen gleichsam, wie im vortsehend geschilderten Fall, im Humeruskopf virtuell schneiden.
Vergleichbare therapeutische Bewegungsapparaturen sind den Druckschriften US 2007/0225620 A1 und WO 2015/099858 A2 zu entnehmen. Auch in diesen Fällen schneiden sich die den um das Schultergelenk angeordneten Gelenken
zugeordneten Gelenkachse im Humeruskopf, unabhängig von ihrer jeweiligen gegenseitigen Auslenkung.
Alle bekannten Ansätze zur Nachbildung der natürlichen Beweglichkeit des
Schultergelenkes im Rahmen einer Exoskelettanordnung verfügen über eine großbauende, kulissenartig ausgebildete, den Nacken-, Schulter- sowie
Oberarmbereich überragende, gelenkige Tragarm konstruktion, die aufgrund ihrer Größe zumindest systembedingte Einschränkungen an die Person stellt. So bedarf es erhöhter Achtsamkeit um Kollisionen mit der Umgebund sowie mit der Person selbst, so insbesondere bei abduktorischen Bewegungen des Oberarms über die Schulterebene hinaus nach oben, zu vermeiden. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur
Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes anzugeben, so dass die volle Beweglichkeit des Schultergelenkes erhalten bleibt. Die
bewegungsunterstützende Vorrichtung soll abduktorische Armbewegungen über Kopf ohne eine mechanische Begrenzung und ohne Kollisionsgefahr zwischen Vorrichtung und Körper ermöglichen. Ferner gilt es die Vorrichtung möglichst leicht und kleinbauend auszugestalten, so dass sie nicht, wie bei bekannten Lösungen durch eine die Schulter überragende Kulissenkonstruktion augenfällig in Erscheinung tritt und somit eine hohe Akzeptanz bei potenziellen Anwendern findet.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung
insbesondere unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die lösungsgemäße Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes, das sich aus der 360°-Drehbeweglichkeit des Kugelgelenkes zwischen Oberarmknochen und Schulterblatt (Glenohumeralgelenk) sowie die Transversalbeweglichkeit des Schulterblattes selbst auszeichnet, verfügt über fünf kinematisch miteinander gekoppelte Drehlager, von denen ein erstes Drehlager zur Ausübung einer Drehung eines ersten Lagerteils um eine erste Drehachse
ausgebildet ist, wobei die erste Drehachse mit einem ersten Befestigungsmittel raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbar feste Anbringung und Ausrichtung des ersten Drehlagers am Schulterbereich einer Person geeignet ist, so dass die erste Drehachse vorzugsweise das Schulterblatt der Person traversiert oder die Frontalebene der Person im Bereich zwischen der Wirbelsäule und dem Schulterblatt traversiert. Die erste Drehachse ist vorzugsweise orthogonal zur Schulterblattebene, der sogenannten Scapulaebene, orientiert, die im Normalfall gegenüber der
Frontalebene um ca. 30 ° in Richtung der Sagittalebene geneigt ist. Mittel- oder unmittebar mit dem ersten Lagerteil des ersten Drehlagers ist eine zweite Drehachse eines zweiten Drehlagers verbunden, um die ein zweites Lagerteil drehbeweglich gelagert ist. Mittel- oder unmittelbar mit dem zweiten Lagerteil des zweiten Drehlagers ist eine dritte Drehachse eines dritten Drehlagers verbunden, um die ein drittes Lagerteil drehbeweglich gelagert ist. Schließlich ist mittel- oder unmittelbar mit dem dritten Lagerteil eine vierte Drehachse eines vierten Drehlagers verbunden, um die ein viertes Lagerteil drehbeweglich gelagert ist. Das vierte Lagerteil ist zudem drehbeweglich um eine fünfte Drehachse eines fünften
Drehlagers gelagert, wobei die fünfte Drehachse mit einem zweiten
Befestigungsmittel raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbare feste
Anbringung und Ausrichtung des fünften Drehlagers am Oberarmbereich des Schulterblattes einer Person geeignet ist, so dass die fünfte Drehachse stets den Oberarmkopf (Humeruskopf) der Person traversiert.
Um die Bewegung des Schultergelenkes kraftentlastend zu unterstützen, weist zumindest eines des ersten und fünften Drehlagers eine die Drehung unterstützende Aktorik auf. Hierzu ist die Aktorik als integrales Element jeweils des ersten und/oder fünften Drehlagers ausgebildet, so dass Größe, Gewicht und Raumform des ersten und/oder fünften Drehlagers möglichst klein und leicht ausfallen. In einem
einfachsten Ausführungsbeispiel umfasst die Aktorik ein elastisches Spannmittel mit einer ein Drehmoment generierenden Vorspannung, beispielsweise in Form einer Feder oder Federanordnung. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Aktorik jedoch aus einem elektromotorischen Antrieb, vorzugsweise in Form eines Servo-, Schritt- oder Synchronmotors, wodurch die durch das erste und/oder fünfte Drehlager auf das Schultergelenk entlastend wirkenden Drehmomente individuell dosiert, bspw. im Rahmen einer Regelung oder Steuerung, vorgegeben werden können.
Im Unterschied zu bekannten exoskelettartigen Ausbildungen zur
Bewegungsunterstützung des Schultergelenkes, wie eingangs erläutert, verfügt die lösungsgemäße Vorrichtung nicht über drei Drehlager, die ein x-y-z- Koordinatensystem aufspannen, deren Drehachsen sich im Humeruskopf einer Person schneiden, vielmehr sind das zweite, dritte und vierte Drehlager derart mittel- oder unmittelbar miteinander verbunden, so dass die dem zweiten Drehlager zugeordnete zweite Drehachse und die dem dritten Drehlager zugeordnete dritte Drehachse parallel zueinander orientiert sind und eine Ebene aufspannen, zu der die dem vierten Drehlager zugeordnete vierte Drehachse parellel orientiert ist.
Der Begriff der„parallelen Orientierung" kann durchaus mathematisch exakt begriffen werden, jedoch soll das lösungsgemäße Konzept auch jene alternative Bauformen umfassen, bei denen die zweite, dritte und vierte Drehachse eine von der Parallelität abweichende Winkeltoleranz von maximal plusminus 10° aufweisen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste und zweite Drehlager derart miteinander verbunden, so dass sich die erste und zweite Drehachse stets schneiden, vorzugsweise orthogonal zueinander orientiert sind. Alternativ oder in Kombination mit der vorstehend orthogonalen Ausrichtung der ersten und zweiten Drehachse sind in einer bevorzugten Ausführungsform das vierte und fünfte
Drehlager derart ausgebildet und angeordnet, so dass sich ihre Drehachsen schneiden und vorzugsweise orthogonal zueinander orientiert sind. Gleichwohl können die ersten und zweiten Drehgelenke derart relativ zueinander angeordnet sein, so dass sich ihre jeweils zugeordneten Drehachsen nicht schneiden, insbesondere in jenem Fall, bei dem das erste Drehgelenk am Befestigungsmittel, bspw. in Form eines Tragegurtes, das von der Person rückseitig am Oberkörper getragen wird, derart angebracht ist, so dass die dem ersten Drehgelenk
zugeordnete erste Drehachse die Frontalebene der Person nahe ihrer Wirbelsäule durchsetzt. Weitere Erläuterungen hierz folgen in Zusammenhang mit der
Beschreibung eines diezbezüglichen illustrierten Ausführungsbeispieles.
Die sich aus den ersten bis fünften Drehlagern zusammensetzende kinematische Kette entspricht einer seriellen Anordnung aller fünf Drehlager, bei der der Abstand zwischen der zweiten und dritten Drehachse sowie der Abstand zwischen der dritten und vierten Drehachse jeweils konstant und vorzugsweise gleich lang gewählt sind. Die Größe der vorstehenden Abstände ist jeweils durch die Größe und Form des zweiten und dritten Lagerteils vorgegeben und kann grundsätzlich individuell an die körperlich vorgegebenen Größenmaße im Bereich des Schulter- und
Oberarmbereiches einer Person angepasst werden.
Aufgrund der Drehbeweglichkeit des zweiten und dritten Lagerteils um die dritte Drehachse ist der Abstand zwischen der zweiten und vierten Drehachse veränderlich und vermag insbesondere einer Transversalbewegung des Schultergelenkes, d.h. Linearbewegungen längs der Forntalebene zu folgen.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes sieht mittel- oder unmittelbar am dritten Lagerteil ein sechstes Drehlager vor, zur Ausübung einer Drehung des vierten Lagerteils um eine sechste Drehachse, die orthogonal zur vierten Drehachse orientiert ist. Durch diesen weiteren Freiheitsgrad an Dehbeweglichkeit wird die Person bei der Ausübung des seitlichen Anhebens des Oberarms (Abduktion) entlastet, bzw. die motorische Unterstützung zum Anheben des Oberarmes kann reduziert werden, zumal in diesem Fall lediglich das vierte Lagerteil und das daran angebrachte fünfte Lagerteil angehoben werden müssen, wohingegen die Komponenten der übrigen
kinematischen Kette im Wesentlichen ihre Lage beibehalten.
Die form- und größenspezifische Ausgestaltung der lösungsgemäßen Vorrichtung ist kompakt und kleinbauend und ermöglicht im Tragezustand an einer Person ein unauffälliges Erscheinungsbild, das sich im Wesentlichen durch eine den
Schulterblatt- und Oberarmbereich seitlich begrenzte lokale Umklammerungsstruktur auszeichnet, die keine die Schulter der Person überragende Bauteile oder
Komponenten aufweist, wodurch Kollisionen mit kopfnahen Körperbereichen ausgeschlossen werden können. Alternative Ausführungsbeispiele werden nachstehend unter Bezugnahme der Figuren näher erläutert. Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Darstellung des äußeren Erscheinungsbildes der lösungsgemäßen
Vorrichtung an einer Person,
Fig. 2 Detaildarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der
lösungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der rechten Schulter einer Person,
Fig. 3 Detaildarstellung eines in den Figuren 1 und 2 illustrierten
Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 Darstellung einer Weiterbildung des in Figur 2 illustrierten
Ausführungsbeispieles sowie
Fig. 6 Darstellung einer Weiterbildung des in Figur 4 illustrierten
Ausführungsbeispieles.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist eine perspektivische Rückansicht auf den Oberkörper einer Person P dargestellt, die eine lösungsgemäß ausgebildete Vorrichtung V an beiden Schultern trägt, die jeweils an einem am Rücken der Person P abnehmbar fest abstützenden Befestigungsmittel 5 gelagert sind. Bereits das äußere Erscheinungsbild der lösungsgemäßen Vorrichtung V unterscheidet sich signifikant von bekannten exoskelettartigen Strukturen zur Bewegungsunterstützung des Schultergelenkes dadurch, dass keinerlei
Abstützstreben vorhanden sind, die über das Schulterniveau der Person P
kulissenartig emporragt. Vielmehr umspannt die lösungsgemäße Vorrichtung V in einer aufrechten Grundhaltung der Person P, deren beide Arme seitlich am Körper gerade anliegen, den Schulterblatt- und Oberarmbereich in Art einer ausschließlich seitlichen Umklammerung. Trotz der kleinen und kompakten Bauform der
lösungsgemäßen Vorrichtung V bietet diese die vollständige natürliche
uneingeschränkte Beweglichkeit des Schultergelenkes sowohl im Hinblick auf die nahezu 360° Drehbeweglichkeit des Glenohumeralgelenkes (Gelenk zwischen Oberarmknochen und Schulterblatt) sowie auch die Transversalbeweglichkeit des Schulterblattes längs der XY-Ebene, die der so genannten Transversalebene entspricht.
In Figur 2 ist eine Detaildarstellung der am Körper der Person P befestigten lösungsgemäßen Vorrichtung V im Bereich der rechten Schulter gezeigt. Die lösungsgemäße Vorrichtung V verfügt über fünf Drehlager L1 , L2, L3, L4 und L5, siehe hierzu auch eine weitere Detaildarstellung der lösungsgemäßen Vorrichtung in Alleinstellung gemäß Figur 3, auf die im Weiteren neben Figur 2 in gleichberechtigter Weise Bezug genommen wird, mit den zu den jeweiligen Drehlagern zugehörigen Drehachsen D1 , D2, D3, D4 und D5.
Das erste Drehlager L1 ist mit dem am Rücken der Person P lösbar fest
anbringbaren Befestigungsmittel 5 in Form einer flächigen Abstützplatte derart verbunden, so dass die erste Drehachse D1 ortsfest am Befestigungsmittel 5 angebracht ist. Gegenüber der Drehachse D1 ist das erste Lagerteil 1 , das im gezeigten Ausführungsbeispiel ringförmig ausgebildet ist drehbeweglich gelagert. Das erste Drehlager L1 ist zudem mit einem kleinbauenden, effizienten Elektromotor 7 ausgerüstet, der radial innenliegend zum ringförmig ausgebildeten ersten Lagerteil 1 angeordnet ist und das ringförmige erste Lagerteil 1 um die Drehachse D1 kontrolliert auszulenken vermag. Vorzugsweise ist der Elektromotor 7 als Servomotor, Schrittmotor oder Synchronmotor ausgebildet.
Das motorisch angetriebene erste Drehgelenk L1 vermag kraftunterstützende Drehmomente auf das Schultergelenk zu übertragen, durch die abduktorische sowie auch adduktorische Arm beweg ungen, das heißt vertikales Anheben und Absenken des Oberarms seitlich zum Körper mit einem maximalen Schwenkbereich bis vertikal über den Kopf, uneingeschränkt möglich sind.
Ferner verfügt die lösungsgemäße Vorrichtung V wenigstens über ein zweites motorisch angetriebenes Drehgelenk, das so genannte fünfte Drehgelenk L5, das über ein zweites Befestigungsmittel 6 (siehe Figur 3) im schulternahen
Oberarmbereich der Person P lösbar fest befestigt ist. Die Anbringung des fünften Drehgelenkes L5 am Oberarm der Person P erfolgt mittel des Befestigungsmittels 6 derart, so dass die dem fünften Drehgelenk L5 zugeordnete fünfte Drehachse D5 den Oberarm köpf der Person P und damit das Glenohumeralgelenk traversiert.
Hierzu bietet es sich an das Befestigungsmittel 6 mit einer den Oberarm
umgreifenden Manschette zu verbinden. Die Anbringung und Ausgestaltung des fünften Drehlagers L5 an der Person ermöglicht aufgrund des dort gleichfalls radial innenliegend integrierten elektromotorischen Antriebes 7 eine kraftunterstützte Schwenkbewegung des Oberarms um die der fünften Drehachse D5 zugeordnete Horizontalachse. Somit sind Oberarmbewegungen betreffend die Protraktion, d.h. Vorwärtsführen der Schulter vor den Oberkörper, sowie die Retraktion, d.h.
Rückwärtsführen der Schulter zum Oberkörper, sowie schließlich die Zirkumduktion, d.h. kreisförmige Oberarmbewegung oberhalb des Kopfes längs der X-Z-Ebene, das heißt längs der so genannten Sagittalebene uneingeschränkt möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die in Figur 3 illustriert ist, sind das erste und fünfte Drehlager L1 , L5 in Form und Größe identisch ausgebildet. Zur kinematisch gelenkigen Verbindung beider Drehlager L1 , L5 dient eine seriell kinematische Kette, die drei weitere Drehlager L2, L3 und L4 umfasst. So umfasst das zweite Drehlager L2 einen fest mit dem ringförmig ausgebildeten ersten Lagerteil 1 , an dessen Außenumfang verbundenen Lagerzapfen 1 ', der von der zweiten Drehachse D2 durchsetzt ist und um den drehbar das zweite Lagerteil 2 gelagert ist. Durch die kompakte Anbringung des zweiten Drehlagers L2 am ersten Drehlager L1 schneiden sich die erste und zweite Drehachse D1 , D2 und sind überdies orthogonal zueinander orientiert.
In gleicher weise ist das vierte Drehlager L4 ausgebildet und verfügt über einen fest mit dem ringförmig ausgebildeten vierten Lagerteil 4 an dessen Umfangsrand verbundenen vierten Lagerzapfen 4', durch den die vierte Drehachse D4 verläuft und um den das dritte Lagerteil 3 drehbar gelagert ist.
Das zweite und dritte Lagerteil 2, 3 sind in dem Ausführungsbeispiel gleichförmig bzw. identisch ausgebildet. Selbstverständlich ist es möglich, die Form und Größe des zweiten und dritten Lagerteils 2, 3 unterschiedlich und insbesondere individuell an die Ergonomie des jeweiligen Trägers anzupassen.
Das zweite und dritte Lagerteil 2, 3 weist jeweils einander zugewandt
ineinandergreifende Lageraugen 2', 3' auf, durch die sich ein gemeinsamer
Lagerbolzen 8 erstreckt, durch den die dritte Drehachse D3 hindurchtritt. Durch die Drehbeweglichkeit des ersten und zweiten Drehlagers L1 , L2 sowie des vierten und fünften Drehlagers L4, L5 um die die mittig angebrachte dritte Drehachse D3 ist der Abstand zwischen der zweiten und vierten Drehachse D2, D4 variierbar, wohingegen die Abstände zwischen den ersten und dritten sowie dritten und vierten Drehachsen jeweils konstant bleiben.
Aus Gründen einer kompakten und insbesondere in ihrer vertikalen Bauhöhe reduziert gehaltenen Bauform der Vorrichtung sind das jeweils zweite und dritte Lagerteil 2, 3 schwingenartig gebogen ausgebildet, so dass das dritte Drehlager L3 räumlich die radialen Ausmaße des ersten und fünften Drehlagers L1 , L5 nicht oder nicht wesentlich überragt.
Durch die kinematische gelenkige Kette, umfassend das zweite, dritte und vierte Drehlager L2, L3, L4, die das am Körper der Person anzubringende erste und fünfte Drehlager L1 , L5 miteinander verbindet, eröffnet sich die Möglichkeit, dass bei transversalen Bewegungen des Schulterblattes, zum Beispiel längs der
Transversalebene (XY-Ebene), die am Körper getragene Vorrichtung den natürlichen Schulterblattbewegung folgen kann. Sowohl eine lineare Vorwärtsbewegung des Schulterblattes als auch Rückwärtsbewegung wird somit durch die lösungsgemäße Vorrichtung realisiert.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Realisierung der lösungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur motorisch bewegungsunterstützten Bewegung des menschliches Schultergelenkes. Gleiche oder gleichwirkende Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, die bereits im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 eingeführt worden sind, so dass auf eine wiederholte Funktionsbeschreibung verzichtet werden kann.
Gleichsam dem in Figur 3 illustrierten Ausführungsbeispiel ist die erste Drehachse D1 des ersten Lagerelements L1 fest mit einem Befestigungsmittel 5 verbunden, das am Rücken einer nicht weiter illustrierten Person lösbar fest anzubringen ist. Im Unterschied zu dem in Figur 3 illustrierten Ausführungsbeispiel, bei dem
konstruktionsbedingt die erste und zweite Drehachse D1 , D2 orthogonal zueinander ausgerichtet sind und sich schneiden, ist das zweite Drehlager L2' räumlich vom ersten Drehlager L1 lateral beabstandet angebracht. Hierbei ist ein fest mit dem ersten Lagerteil 1 verbundener erster Hebelarm 9 vorgesehen, an dem drehfest die zweite Drehachse D2' des zweiten Drehlagers L2' montiert ist.
Ein entsprechender lateraler Hebelarm 10 ist zwischen dem fünften Drehlager L5 und dem vierten Drehlager L4' angebracht, der einerseits drehbar um die fünfte Drehachse D5 und andererseits drehfest mit der vierten Drehachse D4' des vierten Lagerteils L4' verbunden ist. Die Strichlierung der Bezugszeichen L2', D2' bzw. L4', D4' soll lediglich kennzeichnen, dass das zweite und vierte Drehlager L2', L4' im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 jeweils einen lateralen Abstand zum ersten Drehlager L1 bzw. zum fünften Drehlager L5 aufweisen. Durch die lateralen
Hebelarme 9, 10 kann insbesondere der laterale Gesamtabstand zwischen dem ersten Drehlager L1 und fünften Drehlager L5 vergrößert bzw. individuell eingestellt werden. So kann beispielsweise durch eine modulartige Bevorratung von
unterschiedlich lang ausgebildeten lateralen Hebelarme 9, 10 eine individuelle Vor- Ort-Anpassung der lösungsgemäßen Vorrichtung an die ergonomischen
Größenverhältnisse einer Person vorgenommen werden.
Die zwischen beiden Hebelarmen 9, 10 angeordnete seriell ausgebildete
kinematische Kette, umfassend das zweite, dritte und vierte Drehlager L2', L3, L4' mit dem damit verbundenen Drehachsen D2', D3, D4', ist mechanisch gleichwirkend zu den jeweiligen Drehlagern des in Figur 3 illustrierten Ausführungsbeispiels ausgebildet. Gleichsam sind die zweite, dritte und vierte Drehachse D2', D3, D4' parallel zueinander angeordnet und verfügen jeweils über einen lateralen Abstand zueinander, der durch zusammengesetzte Lagerteile bestimmt wird.
Selbstverständlich ist es möglich die seriell ausgebildete kinematische Kette mit wenigstens einem weiterer Drehlager mit jeweils einer parallel zu den übrigen Drehachsen D2', D3, D4' orientierten Drehachse zu ergänzen, um auf diese Weise den lateralen Abstand der ersten und fünften Drehachse längs der durch beide Achsen aufgespannten Ebene variabel zu vergrößern.
Der Einsatz von hochleistungsfähigen Elektromotoren 7 ermöglicht eine
kraftunterstützte Bewegung des Schulterblattes einer Person nicht nur zu Zwecken einer therapeutischen Mobiliätssteigerung oder -rückgewinnung, sondern auch und vor allem zu Zwecken einer Kraftunterstützung bei Arm- und Schulterbewegungen, die zu Produktions-, Montage- oder sonstigen Arbeitszwecken zu bewältigen sind.
In Figur 5 ist eine Weiterbildung des in Figur 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels illustriert mit identischen Bezugszeichen zu den in Figur 3 entnehmbaren
Bezugszeichen, die jeweils baugleiche Komponenten markieren, zu deren
Bedeutung und Erläuterung auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. In Ergänzung zu dem in Figur 3 illustrierten Ausführungsbeispiel weist das in Figur 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ein weiteres, so genanntes sechstes Drehlager L6 auf, das endseitig am dritten Lagerteil 3, dem dritten Drehlager L3 gegenüberliegend angeordnet ist. Das sechste Drehlager L6 ist derart am dritten Lagerteil L3 angeordnet und ausgebildet, dass die dem sechsten Drehlager L6 zugeordnete sechste Drehachse D6 orthogonal zur vierten Drehachse D4* des vierten Drehlagers L4* orientiert ist, Das sechste Drehlager L6 stellt eine Drehverbindung zwischen dem dritten Lagerteil 3 und dem vierten Drehlager L4* dar, so dass das vierte Drehlager L4* und das damit verbundene fünfte Drehlager L5 gemeinsam um die sechste Drehachse D6 schwenkbar sind. Diese kinematische Teil kette, umfassend das sechste, vierte und fünfte Drehlager (L6, L4*, L5), ermöglicht ein Anheben des Oberarmes einer Person ohne dabei die übrigen
Komponenten der Vorrichtung, betreffend die beiden Lagerteile 2, 3 sowie das zweite und dritte Drehlager L2, L3, um die erste Drehachse D1 des ersten Drehlagers L1 nach oben auszulenken und damit anzuheben. Dies führt zu einer Entlastung des motorisch unterstützten Anhebevorganges, d.h. die im ersten Drehlager L1
investierte Motorleistung wird reduziert. Optional kann im sechsten Drehlager L6 eine den Anhebevorgang unterstützende Aktorik vorgsehen werden.
In Figur 6 ist eine Weiterbildung des in Figur 4 beschriebenen Ausführungsbeispiels illustriert mit identischen Bezugszeichen zu den in Figur 4 entnehmbaren
Bezugszeichen, die jeweils baugleiche Komponenten markieren, zu deren
Bedeutung und Erläuterung auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden. In Ergänzung bzw. Abwandlung zu dem in Figur 4 illustrierten Ausführungsbeispiel weist das in Figur 6 gezeigte
Ausführungsbeispiel gleichsam dem in der vorstehenden Figur 5 ein weiteres, so genanntes sechste Drehlager L6 auf, das endseitig am lateralen Hebelarm 10 angeordnet ist. Das sechste Lager L6 ist derart am lateralen Hebelarm 10
angeordnet und ausgebildet, dass die dem sechsten Drehlager L6 zugeordnete sechste Drehachse D6 orthogonal zu einer gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 ergänzten vierten Drehachse D4* des vierten Drehlagers L4* orientiert ist, wobei das ergänzte vierte Drehlager L4* im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 mit dem sechsten Drehlager L6 kombiniert ist, so dass das ergänzte vierte Drehlager L4* und das damit verbundene fünfte Drehlager L5 gemeinsam um die sechste Drehachse D6 schwenkbar sind. In unveränderter Weise sieht das in Figur 6 illustrierte Ausführungsbeispiel gleichsam dem in Figur 4 das vierte Drehlager L4' mit der Drehachse D4' auf, die zu den Drehachse D2' und D3 parallel orientiert ist. Aus rein nomenklatorischen Gründen bezeichnet das Drehlager L4' das in Figur 4 dargestellte vierte Drehlager L4' und ist mit diesem in Anordnung und Funktion austauschbar.
Die kinematische Teilkette, umfassend das sechste, ergänzte vierte und fünfte Drehlager (L6, L4', L5) ermöglicht ein Anheben des Oberarmes einer Person ohne dabei die übrigen Komponenten der Vorrichtung, betreffend die beiden Lagerteile 2, 3, die lateralen Hebelarme 9, 10 sowie die Drehlager L2', L3, L4', um die erste Drehachse D1 des ersten Drehlagers L1 nach oben auszulenken und damit anzuheben.
Dies führt zu einer Entlastung des motorisch unterstützten Anhebevorganges, d.h. die im ersten Drehlager L1 investierte Motorleistung wird reduziert. Optional kann im sechsten Drehlager L6 eine den Anhebevorgang unterstützende Aktorik vorgesehen werden.
Zudem ist das erste Drehlager L1 im Unterschied zu Figur 4 nahe der Wirbelsäule der Person am Befestigungsmittel 5 angeordnet. Auf diese Weise durchsetzt die erste Drehachse D1 die Frontalebene der Person im Bereich nahe der Wirbelsäule. Dies eröffnet zudem die Möglichkeit des Einsatzes einer weiteren
kraftunterstützenden Einheit 1 1 , bspw, in Form einer Zylinder-Kolben-Einheit, vorzugsweise einer pneumatisch oder hydraulisch angetriebenen Zylindereinheit, die sich einseitig am Befestigungsmittel 5 abstützt und am lateralen Hebelarm 9 zu Zwecken einer Krafteinleitung angelenkt ist.
Denkbar wäre auch eine weitere Variante zur Ausbildung des in Figur 6 illustierten Ausführungsbeispiels, bei der der Hebelarm 10 unter Weglassung des Drehlagers L4' drehbar um die dritte Drehachse D3 am dritten Drehlager L3 direkt einseitig gelagert ist und somit die Rolle des zweiten Lagerteils 3 übernimmt. Bezugszeichenliste
1 Erstes Lagerteil
r Lagerzapfen
2 Zweites Lagerteil
3 Drittes Lagerteil
3' Lagerauge
4 Viertes Lagerteil
4' Lagerzapfen
5 Befestigungsmittel
6 Befestigungsmittel
7 Elektromotor
8 Lagerbolzen
9, 10 Hebelarm
1 1 kraftunterstützende Einheit
D1 Erste Drehachse
D2 Zweite Drehachse
D3, Dritte Drehachse
D4, D4', D4* Vierte Drehachse
D5 Fünfte Drehachse
D6 Sechste Drehachse
L1 Erstes Drehlager
L2 Zweites Drehlager
L3, Drittes Drehlager L4, Ι_4', L4* Viertes Drehlager
L5 Fünftes Drehlager
L6 Sechstes Drehlager
V Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen
Schultergelenkes mit
einem ersten Drehlager (L1 ) zur Ausübung einer Drehung eines ersten Lagerteils (1 ) um eine erste Drehachse (D1 ),
einem zweiten Drehlager (L2) zur Ausübung einer Drehung eines zweiten Lagerteils (2) um eine zweite Drehachse (D2), wobei die zweite Drehachse (D2) mittel- oder unmittelbar mit dem ersten Lagerteil (1 ) verbunden ist,
einem dritten Drehlager (L3) zur Ausübung einer Drehung eines dritten Lagerteils (3) um eine dritte Drehachse (D3), wobei die dritte Drehachse (D3) mittel- oder unmittelbar mit dem zweiten Lagerteil (2) verbunden ist,
einem vierten Drehlager (L4) zur Ausübung einer Drehung eines vierten Lagerteils (4) um eine vierte Drehachse (D4), wobei die vierte Drehachse (D4) mittel- oder unmittelbar mit dem dritten Lagerteil (3) verbunden ist und
einem fünften Drehlager (L5) zur Ausübung einer Drehung des vierten Lagerteils (4) um eine fünfte Drehachse (D5),
wobei
a) die erste Drehachse (D1 ) mit einem ersten Befestigungsmittel (5) raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbar feste Anbringung und Ausrichtung des ersten Drehlagers (D1 ) am Schulterbereich einer Person geeignet istb) die fünfte
Drehachse (D5) mit einem zweiten Befestigungsmittel (6) raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbar feste Anbringung und Ausrichtung des fünften Drehlagers (D5) am Oberarmbereich des Schulterblattes einer Person geeignet ist, so dass die Drehachse (D5) den Oberarmkopf (Humeruskopf) der Person traversiert,
c) die zweite und dritte Drehachse (D2, D3) parallel zueinander orientiert sind und eine Ebene (E) aufspannen, zu der die vierte Drehachse (D4) parellel orientiert ist, und
d) zumindest eines des ersten und fünften Drehlagers eine die Drehung unterstützende Aktorik aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die vierte und fünfte Drehachse schneiden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und dritte Drehachse sowie die dritte und vierte Drehachse jeweils einen konstanten Abstand zueinander aufweisen und der Abstand zwischen der zweiten und der vierten Drehachse veränderlich ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehachse orthogonal zur ersten
Drehachse orientiert ist, und
dass die vierte Drehachse orthogonal zur fünften Drehachse orientiert ist
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Orthogonalität jeweils mit einer Toleranz von plusminus 10° behaftet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorik ein elastisches Spannmittel mit einer ein Drehmoment generierenden Vorspannung umfasst, oder
dass die Aktorik einen elektromotorischen Antrieb aufweist, in Form eines der nachfolgenden Elektromotoren: Servo-, Schritt- oder Synchronmotor, oder dass die Aktorik einen servohydraulischen oder servorpneumatischen Antrieb aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite, dritte und vierte Lagerteil (1 , 2, 3, 4) jeweils als voneinander separate Bauteile ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und zweite Drehachse schneiden.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehlager (L1 ) an dem Befestigungsmittel (5) derart raumfest angeordnet ist, so dass die erste Drehachse (D1 ) das
Schulterblatt oder einen zwischen Wirbelsäule und Schulterblatt der Person befindlichen Bereich traversiert,
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehachse (D1 ) und die fünfte Drehachse (D5) eine gemeinsame Ebene aufspannen.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass mittel- oder unmittelbar am dritten Lagerteil (3) ein sechstes Drehlager (L6) angebracht ist, zur Ausübung einer Drehung des vierten Lagerteils (4) um eine sechste Drehachse (D6), die orthogonal zur vierten Drehachse (D4) orientiert ist.
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