EP3383339B1

EP3383339B1 - Vorrichtung zur bewegungsunterstützung eines menschlichen schultergelenkes

Info

Publication number: EP3383339B1
Application number: EP16805077.1A
Authority: EP
Inventors: Jérémy LEFINT; Christopher RIEHS; Conrad HOCHBERG; Urban DAUB; Jannis Breuninger; Tobias ROGGE; Amir EBRAHIMI
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2020-06-24
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: CN108601697A; EP3383339A1; CN108601697B; WO2017093298A1; DE102015224156A1

Description

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 2011/0251533 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. Die WO 2015/099858 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung eines menschlichen Schultergelenkes mit einem ersten Drehlager zur Ausübung einer Drehung eines ersten Lagerteils um eine erste Drehachse, einem zweiten Drehlager zur Ausübung einer Drehung eines zweiten Lagerteils um eine zweite Drehachse, wobei die zweite Drehachse mittel- oder unmittelbar mit dem ersten Lagerteil verbunden ist, einem dritten Drehlager zur Ausübung einer Drehung eines dritten Lagerteils um eine dritte Drehachse, wobei die dritte Drehachse mittel- oder unmittelbar mit dem zweiten Lagerteil verbunden ist, einem vierten Drehlager zur Ausübung einer Drehung eines vierten Lagerteils um eine vierte Drehachse, wobei die vierte Drehachse mittel- oder unmittelbar mit dem dritten Lagerteil verbunden ist und einem fünften Drehlager zur Ausübung einer Drehung des vierten Lagerteils um eine fünfte Drehachse, wobei a) 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, b) die fünfte Drehachse mit einem zweiten Befestigungsmittel raumfest verbunden ist, das für eine abnehmbar feste Anbringung und Ausrichtung des fünften Drehlagers am Oberarmbereich des Schulterblattes einer Person geeignet ist, so dass bei Benutzung die fünfte Drehachse den Oberarmkopf der Person traversiert, c) die zweite und dritte Drehachse parallel zueinander orientiert sind, und d) zumindest eines des ersten und fünften Drehlagers eine die Drehung unterstützende Aktorik aufweist.
Ferner sind weitere Exoskeletanordnungen aus den Druckschriften WO 2008/031023 A2 und US 2003/0115954 A1 entnehmen.
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 Tragarmkonstruktion, 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 und in der Druckschrift WO 2015/099858 A2 offenbart, 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 parallel orientiert ist.
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 Armbewegungen, 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 Oberarmkopf 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 Teilkette, 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 11, 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
1': 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
11: 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, L4', L4*: Viertes Drehlager
L5: Fünftes Drehlager
L6: Sechstes Drehlager
V: Vorrichtung

Claims

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, sodass bei Benutzung die fünfte Drehachse (D5) den Oberarmkopf 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) parallel orientiert ist,

d) zumindest eines des ersten und fünften Drehlagers eine die Drehung unterstützende Aktorik aufweist und

e) keine drei Drehlager aus den fünf Drehlagern (D1, D2, D3, D4, D5) spannen bei Benutzung mit deren zugeordneten Drehachsen ein sich im Oberarmkopf schneidendes x-y-z-Koordinatensystem auf.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die vierte und fünfte Drehachse schneiden.
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.
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
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite, dritte und vierte Lagerteil (1, 2, 3, 4) jeweils als voneinander separate Bauteile ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste und zweite Drehachse schneiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Drehlager (L1) an dem Befestigungsmittel (5) derart raumfest angeordnet ist, so dass bei Benutzung die erste Drehachse (D1) das Schulterblatt oder einen zwischen Wirbelsäule und Schulterblatt der Person befindlichen Bereich traversiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Drehachse (D1) und die fünfte Drehachse (D5) eine gemeinsame Ebene aufspannen.
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.