EP3547969A1

EP3547969A1 - Vorrichtung und verfahren zur muskelkraftunterstützung

Info

Publication number: EP3547969A1
Application number: EP17840550.2A
Authority: EP
Inventors: Robert Weidner; Jens Peter WULFSBERGER; Zhejun Yao
Original assignee: Exoiq GmbH
Current assignee: Exoiq GmbH
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-10-09
Also published as: US11369541B2; KR20190090837A; WO2018099512A1; CN110062612A; JP2019535438A; CA3043430A1; DE102016123153A1; BR112019011076A2; AU2017368718A1; US20190282426A1

Abstract

Gezeigt wird eine Vorrichtung zur Muskelkraftunterstützung. Die Vorrichtung umfasst eine flexible Stützstruktur, welche eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung am Körper eines Benutzers getragen zu werden und eine Aktoreinheit, welche eingerichtet ist, zur Unterstützung der Muskelkraft bei einer Bewegung eines ersten Körperteils eine Zugkraft auf ein erstes Zugelement der flexiblen Stützstruktur auszuüben. Das erste Zugelement verläuft entlang einer ersten Bahn durch ein Führungsband der flexiblen Stützstruktur zur Aktoreinheit, welches einen Abschnitt der ersten Bahn in einer Richtung quer zur Bahnlängsrichtung begrenzt. Das erste Zugelement ist ferner eingerichtet, während der Verwendung der Vorrichtung an dem ersten Körperteil befestigt zu sein.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR MUSKELKRAFTUNTERSTÜTZUNG

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Unterstützung der Muskelkraft. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Unterstützung der Handmuskulatur.

Stand der Technik

Manuelle Tätigkeiten, insbesondere solche die auf repetitiven und kraftintensiven Handbewegungen basieren, können zu Erkrankungen am menschlichen Muskelskelettsystem führen. Dies kann in Folge zu verringerter Muskelkraft und Bindegewebsproblemen führen. Bspw. können betroffene Personen die Fähigkeit verlieren, eine ausreichende Greifkraft bzw. eine ausreichende Fingerkraft aufzubringen, wodurch sich Probleme beim Halten und Betätigen von Gegenständen einstellen können oder durch anhaltende Überlastungsschmerzen oder Abnutzungserscheinungen in ihrer Beweglichkeit schmerzbedingt beeinträchtigt sein.
Neben besagten Erkrankungen am menschlichen Muskelskelettsystem kann eine verringerte bzw. eine (in einer gegebenen Situation) zu geringe Muskelkraft auch durch die Verwendung hinderlicher (Schutz-) Handschuhe, schlechte Zugänglichkeit oder die Notwendigkeit schwere oder schwergängige Gegenstände zu halten oder zu betätigen, gegeben sein.
Zur Unterstützung der Muskelkraft bzw. zur Rehabilitation bei Erkrankungen an der Hand sind aus dem Stand der Technik verschiedene tragbare Vorrichtungen bekannt. In den Druckschriften US 3707963 A, EP 2436358 A1, WO 2014/033613 A2 und WO 2014/068509 A2 werden bspw. aus rigiden Elementen aufgebaute selbsttragende Vorrichtungen gezeigt, über die Bewegungen einer Hand geführt und unterstützt werden können. Vorrichtungen dieser Art müssen idealer Weise so ausgelegt sein, dass ihre Drehpunkte mit den Drehachsen der menschlichen Gelenke übereinstimmen. Ansonsten können die Abweichungen zu Beschwerden und Verletzungen des Nutzers sowie zu Einschränkungen der menschlichen Bewegungen führen. Um diese Anforderung zu erfüllen, erfordert eine harte Struktur zusätzlichen Bauraum, was im Handbereich oftmals schwer zu realisieren ist.
Ferner ist aus der Druckschrift US 7537577 B2 ein flexibler orthopädischer Handschuh bekannt, der an der Handaußenseite Federelemente aufweist, die das Strecken der Finger unterstützen. Zudem kann der Handschuh zum Training der Griffkraft eingesetzt werden. Die Druckschriften US 8029414 B2 und US 9067325 B2 wiederrum zeigen Handschuhe, die mit Zugelementen und Motoren zur Griffverstärkung, insbesondere beim Kraftgriff, ausgestattet bzw. gekoppelt sind. Diese Vorrichtungen fokussieren sich somit hauptsächlich auf eine Unterstützung des Kraftgriffs, insbesondere der Variante des Kraftgriffs, bei der alle Finger und der Daumen das Objekt umschließen. Eine Vorrichtung, die die Vielfalt aller möglichen Griffarten und Handbewegungen unterstützen kann, ist nach bestem Wissen der Erfinder aus dem ermittelbaren Stand der Technik jedoch nicht bekannt.

Darstellung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte zur Unterstützung menschlicher Bewegungen zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung stellt dazu eine biomimetische Vorrichtung nach Anspruch 1 bereit, die die Funktion der Muskeln und des mit den Muskeln zusammenwirkenden Bindegewebes eines menschlichen Körperteils (und insbesondere einer Hand) in Form eines anziehbaren (textilen) Kleidungsstücks repliziert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Muskelkraftunterstützung, umfasst eine flexible Stützstruktur, welche eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung am Körper eines Benutzers getragen zu werden und eine Aktoreinheit, welche eingerichtet ist, zur Unterstützung der Muskelkraft bei einer Bewegung eines ersten Körperteils eine Zugkraft auf ein erstes Zugelement der flexiblen Stützstruktur auszuüben, wobei das erste Zugelement entlang einer ersten Bahn durch ein Führungsband der flexiblen Stützstruktur zur Aktoreinheit verläuft, welches einen Abschnitt der ersten Bahn in einer Richtung quer zur Bahnlängsrichtung begrenzt, das erste Zugelement eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung mittels eines ersten Befestigungselements an dem Körperteil befestigt zu sein und das Führungsband entlang der Kraftübertragungsrichtung nach dem ersten Befestigungselement positioniert ist.
Die flexible Stützstruktur kann dazu eingerichtet sein, über eine Gliedmaße, insbesondere über einen oder mehrere Finger einer Hand eines Benutzers gestülpt zu werden.
Die Aktoreinheit kann dazu eingerichtet sein, mittels einer Manschette oder eines Arm- oder Beinbandes an den Benutzer angebunden zu werden.
Die flexible Stützstruktur kann eine Vielzahl von insbesondere an einer Handflächenseite und einer Handrückenseite der Stützstruktur befestigten Zugelementen umfassen, wobei die Zugelemente entlang unterschiedlicher Bahnen in der Stützstruktur zur Aktoreinheit geführt sind und die Aktoreinheit dazu eingerichtet ist, Zugkräfte auf die Zugelemente auszuüben.
Die flexible Stützstruktur kann auf der Innen- und/oder Außenseite zumindest teilweise mit einer Polymerschicht versehen sein.
Bspw. kann die flexible Stützstruktur eine die Zugelemente bedeckende äußere Schicht (bspw. eine Polymerschicht) aufweisen.
Dabei ist unter dem Begriff „flexible Stützstruktur“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Struktur zu verstehen, die flexible Elemente umfasst, bspw. textile Elemente, über die Kraft auf einen Körperteil wie bspw. eine Gliedmaße bzw. auf Abschnitte oder Bereiche einer Gliedmaße ausgeübt werden kann. Durch die Flexibilität der Stützstruktur kann dabei insbesondere erreicht werden, dass die Kraft nicht nur im Wesentlichen punktuell, sondern über einen bestimmten Bereich (gleichmäßig) verteilt an dem Körperteil angreift. Ferner ermöglicht die Flexibilität der Stützstruktur dem Benutzer, die Kraftrichtung in bestimmten Grenzen zu beeinflussen bzw. von einer gegebenen Kraftrichtung in bestimmten Grenzen abzuweichen, was einen natürlicheren Bewegungsablauf ermöglicht.
Ferner ist unter dem Begriff „Aktoreinheit“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Einheit zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, gesteuert durch elektrische Signale, Elemente, die mit der Aktoreinheit verbunden sind, mit einer Kraft zu beaufschlagen. Dadurch, dass die Aktoreinheit während der Verwendung der Vorrichtung mittels einer Manschette oder eines Arm- oder Beinbandes an den Benutzer angebunden sein kann, können die Zugelemente somit relativ zur Manschette bzw. relativ zum Arm- oder Fußband bewegt werden. Durch die Relativbewegung kann eine Bewegung der Gliedmaße bzw. Teile der Gliedmaße initiiert oder unterstützt werden.
Des Weiteren ist unter dem Begriff „Manschette“, wie er in der Beschreibung verwendet wird, insbesondere ein (während der Verwendung der Vorrichtung) einen Arm, ein Bein bzw. einen anderen Körperteil kraftschlüssig umschlingendes dehnbares Element zu verstehen, welches bspw. in Form eines Bandes (d. h. als Armband, Beinband oder Band bzw. Gürtel um ein Körperteil) ausgebildet sein kann. Die Manschette kann bspw. aus einem elastischen Material gebildet sein, welches während der Verwendung der Vorrichtung in gedehntem Zustand um den Arm bzw. das Bein geschlungen ist und durch die Rückstellkraft des elastischen Materials kraftschlüssig mit dem Arm bzw. dem Bein verbunden ist.
Ferner ist unter der Formulierung „Handflächenseite/Handrückenseite der Stützstruktur“, wie sie in der Beschreibung verwendet wird, insbesondere ein an der Palmarseite bzw. der Dorsalseite der Hand anliegender bzw. gegenüberliegender Bereich der Stützstruktur zu verstehen. Zudem ist unter dem Begriff „Zugelement“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Element zu verstehen, welches dazu eingerichtet ist, eine durch die Aktoreinheit aufgebrachte Kraft an einen Anbindungspunkt umzuleiten (bspw. ein Draht, ein Faden, eine Leine, ein Kabel, ein Band, oder ein Gummiband). In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Bahn“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine (gerade oder gekrümmte) Trajektorie zu verstehen, entlang derer ein entsprechendes Zugelement während der Verwendung der Vorrichtung (gleitend) verschoben werden kann. Dabei soll der Begriff „Trajektorie“ breit verstanden werden und auch definierte Abweichungen von einer „Ideallinie“ quer zur Verschiebungsrichtung miteinschließen, welche bspw. bei einer Führung mit Spiel und/oder aus elastischem Material auftreten können.
Zudem ist anzumerken, dass Adjektive wie „erste/erster/erstes, zweite/zweiter/zweites, dritte/dritter/drittes, etc.“, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, primär dazu dienen, Begriffe bzw. die durch die Begriffe bezeichneten Elemente voneinander abzugrenzen. So bedeutet bspw. eine Bezugnahme auf ein „drittes Zugelement“ nicht, dass die Erfindung ein erstes und ein zweites Zugelement erfordert, sondern dient nur der Vereinfachung der Bezugnahme auf ein bestimmtes Zugelement in Hinblick auf Ausführungsformen, die mehr als ein Zugelement umfassen. Des Weiteren sollen Adjektive wie „erste/erster/erstes, zweite/zweiter/zweites, dritte/dritter/drittes, etc.“, wie sie in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, nicht so verstanden werden, dass es sich zwangsläufig um unterschiedliche Merkmale handelt, da Ausführungsformen existieren können, in denen verschiedene Funktionen durch verschiedene (gleiche) Merkmale aber auch durch ein einzelnes Merkmal bewirkt werden können.
Vorzugsweise ist die flexible Stützstruktur als ein Handschuh ausgebildet, wobei der eine oder die mehreren Finger der Hand des Benutzers durch einen bzw. mehrere Fingerlinge des Handschuhs umschlossen werden.
Dabei ist unter dem Begriff „Handschuh“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein textiles Kleidungsstück zu verstehen, welches den einen oder die mehrere Finger der Hand des Benutzers, die Mittelhand und oftmals auch die Handwurzel umschließt, wobei der Ausdruck „umschlossen“ breit zu verstehen ist und Handschuhe mit einer oder mehreren Aussparungen, bspw. zur Belüftung, mitumfasst sein sollen. Zudem ist neben einem elastischen, den einen oder die mehreren Finger und die Handwurzel der Hand während der Verwendung (in gedehntem Zustand) kraftschlüssig umschließenden Handschuh auch ein Handschuh angedacht, der nur bestimmte Bereiche des einen oder der mehreren Finger und der Handwurzel während der Verwendung in gedehntem Zustand kraftschlüssig umschließt.
Vorzugsweise ist jedes Zugelement an einer bandförmigen Schlinge der flexiblen Stützstruktur befestigt, wobei zumindest eine Schlinge der flexiblen Stützstruktur dazu eingerichtet ist, einen Fingerknochen der Hand zu umschlingen, und zumindest eine Schlinge der flexiblen Stützstruktur dazu eingerichtet ist, Mittelhandknochen der Hand zu umschlingen.
Durch Beaufschlagen eines Zugelements mit einer Zugkraft durch die Aktoreinheit kann die mit dem Zugelement verbundene Schlinge in Richtung der Bahn bzw. in Richtung eines Bahnabschnitts zur Aktoreinheit gezogen werden. Dadurch wird der umschlungene Fingerknochen bei einem Verlauf der Bahn entlang der Handflächenseite gebeugt und bei einem Verlauf der Bahn entlang der Handrückenseite gestreckt bzw. die umschlungene Mittelhand weiter gewölbt.
Vorzugsweise ist die Anzahl an Schlingen der flexiblen Stützstruktur, die dazu eingerichtet sind, um einen einzelnen Finger geschlungen zu werden, größer als die oder gleich zu der Anzahl der Fingerknochen (Phalangen) des einzelnen Fingers.
Dadurch kann jeder Fingerknochen einzeln angesprochen und somit komplexe Handbewegungen unterstützt werden. Bspw. kann je Fingerknochen eines Fingers mindestens eine Schlinge vorgesehen sein, die diesen während der Verwendung der Vorrichtung an dessen distalen Ende bzw. im Bereich des distalen Endes umschlingt.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Schlinge der flexiblen Stützstruktur, die dazu eingerichtet ist, die Mittelhandknochen der Hand zu umschlingen, ferner dazu eingerichtet, entlang einer Muskelwulst im Bereich der Handflächenseite einer Mittelhand am Daumen und am kleinen Finger zu verlaufen.
Dadurch kann die umschlungene Mittelhand bspw. beim Kraftgriff unterstützt werden, indem der Mittelhandknochen des Daumens in Richtung Handfläche geführt wird.
Vorzugsweise sind die Zugelemente durch Schlingen der flexiblen Stützstruktur geführt.
Dadurch wird eine körpernahe flache Führung ermöglicht, die eine definierte Relativbewegung der einzelnen Fingerglieder zueinander ermöglicht.
Vorzugsweise umfasst die Aktoreinheit eine Vielzahl an Zugeinheiten, die insbesondere Elemente aus einer Formgedächtnislegierung umfassen.
Dabei ist unter dem Begriff „Formgedächtnislegierung“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Legierung zu verstehen, die im festen Zustand durch Änderung von physikalischen Parametern (bspw. durch Aufheizen) gezielt in eine bestimmte Form strebt und dadurch zur Verrichtung von Arbeit verwendet werden kann.
Vorzugsweise sind die Elemente aus einer Formgedächtnislegierung spiralförmig ausgebildet.
Durch die Verwendung federartiger Elemente aus einer Formgedächtnislegierung kann eine elastische Anbindung der Zugelemente an die Aktoreinheit realisiert und die Aktoreinheit kompakt ausgebildet werden.
Vorzugsweise umfasst die flexible Stützstruktur einen Armabschnitt, der dazu eingerichtet ist, über einen Unterarm des Benutzers gestülpt zu werden und erstreckt sich eine Zugrichtung der Aktoreinheit entlang des Unterarms.
Dadurch kann die Aktoreinheit flexible und anpassend angesetzt werden, wodurch vermieden wird, dass Handbewegungen durch die Aktoreinheit behindert oder der die Hand umgebende Teil der Vorrichtung den Zugriff auf schlecht zugängliche Gegenstände bzw. die Betätigung von schlecht zugänglichen Gegenständen be- oder verhindert.
Vorzugsweise ist die erste Bahn eingerichtet, über ein Gelenk des Körpers zu verlaufen, welches einen Knochen des ersten Körperteils mit einem Knochen eines zweiten Körperteils verbindet.
Dadurch kann durch die Zugkraft eine Beugung, Streckung, Abduktion, Adduktion oder Drehung des Gelenks kraftmäßig unterstützt werden.
Vorzugsweise ist die erste Bahn eingerichtet, zumindest abschnittsweise parallel zu einer Sehne und/oder einem Muskel des Körpers zu verlaufen, welche es erlauben eine gewillkürte Muskelkraft auf den ersten Körperteil auszuüben.
Dies ermöglicht eine an natürliche Bewegungsabläufe angepasste Muskelkraftunterstützung.
Vorzugsweise weist das erste Zugelement ein erstes Befestigungselement (bspw. eine Schlinge) auf, das eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung den ersten Körperteil vollständig oder teilweise zu umschließen.
Die reduziert die Abhängigkeit der Kraftübertragung von der Position des ersten Körperteils.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner ein zweites Zugelement, welches entlang einer zweiten Bahn zur Aktoreinheit geführt und eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung mittels des ersten Befestigungselements an dem ersten Körperteil befestigt zu sein.
Dies vergrößert die Möglichkeiten hinsichtlich der unterstützten Bewegungsrichtung(en) in Hinblick auf den ersten Körperteil.
Vorzugsweise ist die Aktoreinheit eingerichtet, Zugkräfte unabhängig voneinander auf das erste Zugelement und das zweite Zugelement auszuüben.
Dadurch können antagonistische Bewegungen des ersten Körperteils unterstützt werden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner ein drittes Zugelement, welches entlang einer dritten Bahn zur Aktoreinheit geführt und eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung an einem dritten Körperteil befestigt zu sein, wobei ein drittes Befestigungselement des dritten Zugelements als das Führungsband ausgebildet ist.
Dadurch kann die Komplexität des Aufbaus der Stützstruktur reduziert werden.
Vorzugsweise ist das Führungsband eingerichtet, einen bzw. den zweiten Körperteil zu umschließen.
Das Führungsband und das/die Befestigungselement(e) können bspw. aus einem flexiblen Material oder einer Materialkombination bestehen, die quer zur Zugrichtung biegsam aber in Zugrichtung in Hinblick auf die zu erwartenden Zugkräfte im Wesentlichen unelastisch sind.
Vorzugsweise ist das Führungsband eingerichtet, während der Verwendung der Vorrichtung auf der Haut oder über einem Kleidungsstück getragen zu werden und mit einer Polymerschicht versehen.
Bspw. kann das Führungsband mit einer rutschhemmenden Silikonschicht versehen sein.
Vorzugsweise ist das erste Befestigungselement eingerichtet, während der Verwendung der Vorrichtung auf der Haut oder über einem Kleidungsstück getragen zu werden und mit einer Polymerschicht versehen.
Bspw. kann das Befestigungselement mit einer rutschhemmenden Silikonschicht versehen sein.
Vorzugsweise weist das Führungsband einen Kanal auf und das erste Zugelement ist durch den Kanal geführt.
Dadurch kann ein Kontakt zwischen Zugelement und Haut vermieden werden.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ferner ein Steuersystem mit einer Sensoreinheit auf, wobei das Steuersystem zur Steuerung der ersten Zugkraft eingerichtet ist.
Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit Sensoren zur Erfassung einer Kraft, einer Bewegung, einer Dehnung, einer Biegung, einer Muskelaktivität, einer Pulsrate und/oder einer Stoffwechselrate.
Vorzugsweise ist das Steuersystem eingerichtet, Energiekosten des Benutzers zu minimieren.
Vorzugsweise weist die Aktoreinheit ein spiralförmiges Element aus einer Formgedächtnislegierung auf, an dem das erste Zugelement befestigt ist.
Die Aktoreinheit kann jedoch ebenfalls einen elektrischen Motor, einen pneumatischen oder hydraulischen Aktor oder künstliche Muskeln aus Polymerfasern oder aus Kohlenstoff-Nanoröhren umfassen.
Vorzugsweise ist die flexible Stützstruktur zumindest als Teil eines textilen Kleidungsstücks ausgebildet.
Bspw. kann die flexible Stützstruktur einen Ärmel, eine Weste, Hosen, ein Hosenbein, einen Strumpf oder eine Socke umfassen. Ferner können das Führungsband und/oder die Befestigungselemente in das textile Kleidungsstück eingearbeitet sein.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung an den Köper eines Menschen angelegt, es werden gewillkürte Bewegungen der Hand überwacht und es werden auf Basis der überwachten gewillkürten Bewegungen Zugkräfte auf die Zugelemente ausgeübt.
Dadurch können verschiedenste Handbewegungen einer Person kraftmäßig unterstützt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer Zugeinheit;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung eines Teils der flexiblen Stützstruktur;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer flexiblen Stützstruktur einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 schematische Ansichten einer beispielhaften Ausgestaltung einer flexiblen Stützstruktur einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 6 ein Verfahren zur Muskelkraftunterstützung; und
Fig. 7 ein weiteres Verfahren zur Muskelkraftunterstützung zeigt.

Dabei sind in den Zeichnungen gleiche und funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der Handflächenseite (links) und eine schematische Ansicht der Handrückenseite (rechts) einer Vorrichtung 10 zur Muskelkraftunterstützung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine flexible Stützstruktur 12 in Form eines Fingerhandschuhs und eine mit der Stützstruktur 12 verbundene Unterarmmanschette 14. An der Unterarmmanschette 14 ist eine Aktoreinheit 16 befestigt, welche eine Vielzahl an Zugeinheiten 18 umfasst. Wie in Fig. 2 gezeigt können die Zugeinheiten 18 jeweils eine Vielzahl an spiralförmigen Elementen 18a umfassen, die aus einer Formgedächtnislegierung bestehen und deren Länge sich mittels eines Steuersignals einer Steuerung (nicht gezeigt) verkürzen lässt. Es sei jedoch angemerkt, dass die Erfindung hinsichtlich der Zugeinheiten 18 nicht auf spiralförmige Elemente 18a aus einer Formgedächtnislegierung beschränkt ist; vielmehr können die benötigten Zugkräfte durch beliebige künstliche Muskeln (bspw. durch künstliche Muskeln aus verdrillten Kunststofffasern oder aus Kohlenstoff-Nanoröhren) oder auch durch elektrische Motoren bereitgestellt werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Zugeinheiten 18 an ihrem proximalen Ende mit der Unterarmmanschette 14 und an ihrem distalen Ende mit einer Vielzahl an Zugelementen 20 verbunden, die (der besseren Übersicht wegen) entlang ihrer Bahnen teils unter Verwendung von durchgezogenen Linien und teils unter Verwendung von gestrichelten Linien dargestellt sind. Die Zugelemente 20 sind als Seile oder (monofile) Schnüre ausgebildet, deren distales Ende jeweils an einem Befestigungselement in Form einer bandförmigen Schlinge 22 befestigt ist. Die bandförmigen Schlingen 22 sind in den Fingerhandschuh integriert/eingearbeitet, so dass ein Verrutschen der Schlingen 22 in distaler oder proximaler Richtung (im Wesentlichen) unterbunden wird. Durch Verschieben der Zugelemente 20 spannen sich die Schlingen 22 um die umschlungenen Fingerknochen, und beaufschlagen die umschlungenen Fingerknochen mit einer Kraft. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Kraft mittels der den Zugelementen 20 gegenüberliegenden Abschnitte der Schlingen 22 auf die Fingerknochen ausgeübt wird.
Die Schlingen 22 sind dazu vorzugsweise quer zur Zugrichtung flexibel aber trotzdem (im Wesentlichen) nicht dehnbar ausgebildet. So passen sich die um die Fingerknochen spannenden Schlingen 22 an die Fingerform des Benutzers an, ohne die Übertragung der Zugkräfte zu beeinträchtigen. Ferner können, wie in Fig. 1 gezeigt, jeweils ein an einer Handflächenseite und ein an einer Handrückenseite geführtes Zugelement 20 paarweise und zueinander versetzt mit einer Schlinge 22 verbunden sein, so dass eine Unterstützung einer Bewegung in verschiedene Richtungen und insbesondere ein Unterstützen des Beugens und Streckens der Handknochen möglich ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, verlaufen die Bahnen der Zugelemente 20a, 20b und 20c auf der Handflächenseite entlang der Mittellinien des Zeigefingers, des Mittelfingers, des Ringfingers und des kleinen Fingers und sind zum Beugen des jeweiligen Fingers eingerichtet. Die Bahnen der Zugelemente 20a sind dabei den Bahnen der Sehnen des M. Flexor Digitorum Profundus (FDP) nachempfunden und unterstützen die Beugung der distalen Phanlangen direkt und die Beugung der intermedialen Phalangen und der proximalen Phalangen indirekt. Die Bahnen der Zugelemente 20b sind den Bahnen der Sehnen des M. Flexor Digitorum Superficialis (FDS) nachempfunden und unterstützen die Beugung der intermedialen Phalangen direkt und der proximalen Phalangen indirekt. Die Bahnen der Zugelemente 20c sind den Bahnen der Sehnen des Mm. Interossei (IOs) nachempfunden und unterstützen die Beugung der proximalen Phalangen.
Die Beugung bzw. Opposition des Daumens kann durch die Zugelemente 20d und 20e unterstützt werden, während das Zugelement 20f das Abspreizen des Daumens unterstützt. Während die Bahnen der Zugelemente 20a-20c über die Mittellinie der Finger verlaufen, verlaufen die Bahnen der Zugelemente 20d-20f nicht über die Mittellinie des Daumens, sondern versetzt zur Mittellinie über die Handfläche zum Handgelenk. Dieser Bahnverlauf verbessert den Kraftfluss der Zugelemente 20d-20f und ermöglicht eine präzise kraftunterstützende Führung des Mittelhandknochens des Daumens.
Die Streckung der Phalangen des Zeigefingers, des Mittelfingers, des Ringfingers und des kleinen Fingers kann durch die Zugelemente 20g und 20h unterstützt werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, spalten sich die Zugelemente 20g und 20h auf Höhe der distalen Enden der Mittelhandknochen jeweils in zwei Stränge auf, die zur Mittellinie der Phalangen versetzt verlaufen. Dadurch kann der Tragekomfort verbessert werden. Ferner unterstützt das Zugelement 20i die Streckung und die Positionierung des Daumens in Ruhestellung.
Die Zugelemente 20j, 20k, 20l und 20m sind für die Bewegungen des Handgelenks vorgesehen und dazu eingerichtet, unabhängig von den direkt auf die Phalangen wirkenden Zugelementen 20a-20i betätigt, d. h. mit einer Kraft beaufschlagt bzw. gespannt zu werden. Die Zugelemente 20j und 20k unterstützen dabei die Flexion der Handfläche, während die Zugelemente 20l und 20m die Extension der Handfläche unterstützen. Die Abduktion und Adduktion der Handfläche kann jeweils durch die Zugelemente 20j und 20l bzw. durch die Zugelemente 20k und 20m unterstützt werden. Durch eine aufeinander abgestimmte Beaufschlagung der Zugelemente 20j-20l mit Kraft kann ferner die Ausrichtung des Handgelenks unterstützt werden.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer Führung eines Zugelements 20 entlang einer Innenseite der flexiblen Stützstruktur 12. Dabei sind die bandförmigen Führungsbänder 24 mit Führungselementen in Form von Kanälen 24a versehen, durch die die Zugelemente 20 verlaufen. Alternativ kann das Zugelement 20 auch zwischen Ober- bzw. Unterarm und dem Führungsband 24 durch das Führungsband 24 geführt sein. Die Kanäle 24a beschränken die Bahn der Zugelemente 20 quer zur Verschiebungsrichtung und bilden dadurch eine Führung aus, welche die Zugelemente 20 entlang definierter Bahnen gleitend führt. Wie in Fig. 3 gezeigt, können neben geradlinigen Kanälen 24a auch gekrümmte Kanäle 24a vorgesehen sein. Ferner kann zum Schutz der menschlichen Haut zwischen den Zugelementen 20 und der Hautoberfläche eine durchgängige (textile) Schutzschicht vorgesehen sein, so dass ein direkter Kontakt zwischen Zugelementen 20 und der Haut vermieden wird.
Als Führungsbänder 24 dienende Schlingen 22 können ferner, wie in Fig. 1 gezeigt, nicht nur im Bereich der distalen Enden der Phalangen zum Beugen der Finger, sondern auch im Bereich der proximalen Enden der Phalangen vorgesehen sein, bspw. im Bereich der proximalen Enden der proximalen Phalangen, um eine definierte und körpernahe Führung der Zugelemente 20 auch bei gebeugten Phalangen zu erzielen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer flexiblen Stützstruktur 12 einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Unterstützung der Bewegung (insbesondere des Beugens) eines Unterarms des Benutzers. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfasst die flexible Stützstruktur 12 ein Zugelement 20, welches ein Befestigungselement in Form einer einen Unterarm eines Benutzers umschließenden Schlinge 22 aufweist. Das Zugelement 20 ist durch Kanäle 24a der den Unter- und Oberarm umschließenden Führungsbänder 24 geführt, welche eine körpernahe Führung des Zugelement 20 auch bei gebeugtem Unterarm bewirken. Alternativ kann das Zugelement 20 auch zwischen Ober- bzw. Unterarm und dem Führungsband 24 durch das Führungsband 24 geführt sein.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer flexiblen Stützstruktur 12 einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Unterstützung der Bewegung der Beine und des Rumpfes des Benutzers. Wie in Fig. 5 gezeigt, umfasst die flexible Stützstruktur 12 Zugelemente 20, welche Befestigungselemente in Form von, die Unterschenkel eines Benutzers umschließenden Schlingen 22 aufweisen. Die Zugelemente 20 sind durch den Oberschenkel umschließende Führungsbänder 24 geführt, welche eine körpernahe Führung der Zugelemente 20 auch bei gebeugten Unterschenkeln bewirken. Ferner umfasst die flexible Stützstruktur 12 Zugelemente 20, die den Oberkörper und den Unterkörper des Benutzers umschließen und durch die das Strecken der Wirbelsäule unterstützt werden kann.
Fig. 6 skizziert die Verwendung der Vorrichtung 10 in einem Verfahren zur Muskelkraftunterstützung. Dabei werden nach dem Anlegen 28 der Vorrichtung 10 gewillkürte Bewegungen eines Körperteils, wie bspw. der Hand, z. B. mittels Elektromyografie- (EMG) oder mittels Kraftsensoren überwacht 30. Wird eine gewillkürte Bewegung erfasst oder überschreitet ein erfasster Kraftwert eine vorgegebene Schwelle, können Zugkräfte auf einen Teil der Zugelemente 20 ausgeübt 32 werden, um die Muskulatur zu unterstützen, d. h. eine in einer bestimmten Situation durch die Muskulatur bereitzustellende Kraft zu reduzieren, indem diese durch die Vorrichtung 10 bereitgestellt wird.
Fig. 7 skizziert die Verwendung der Vorrichtung 10 in einem weiteren Verfahren zur Muskelkraftunterstützung. Dabei werden nach dem Anlegen der Vorrichtung 10 gewillkürte Bewegungen eines Körperteils, wie bspw. der Hand, z. B. mittels Elektromyografie- (EMG) oder mittels Kraftsensoren überwacht. Wird eine gewillkürte Bewegung erfasst oder überschreitet ein erfasster Kraftwert eine vorgegebene Schwelle, können Zugkräfte auf einen Teil der Zugelemente 20 ausgeübt werden, um die Muskulatur zu unterstützen, d. h. eine in einer bestimmten Situation durch die Muskulatur bereitzustellende Kraft zu reduzieren, indem diese durch die Vorrichtung 10 bereitgestellt wird. Dabei werden die durch die Vorrichtung 10 auf einen Teil der Zugelemente 20 auszuübenden Zugkräfte auf Basis einer Steuerungsstrategie ermittelt, die solange optimiert wird, bis die Energiekosten des Benutzers, d. h. die Summe der durch den Benutzer über einen bestimmten Zeithorizont aufzuwenden Energie, minimal ist.
Die gezeigte Vorrichtung 10 ist somit als tragbares Unterstützungssystem ausgelegt, das entsprechende Muskeln des Benutzers unterstützt bzw. entlastet. In diesem Zusammenhang sei jedoch darauf hingewiesen, dass die gezeigte Vorrichtung 10 (entsprechend den veränderten anatomischen Gegebenheiten abgewandelt) zur kraftmäßigen Unterstützung aller Körperteile, wie z. B. der Arme, der Beine, der Füße, oder auch des Rückens eingesetzt werden kann, indem die Funktion der menschlichen Muskeln sowie des damit zusammenwirkenden Bindegewebes durch die Vorrichtung 10 adäquat repliziert wird.
Das Replizieren der Funktion der menschlichen Muskeln sowie des damit zusammenwirkenden Bindegewebes durch die Vorrichtung 10 wird dabei, wie in Zusammenhang mit Fig. 1-7 beispielhaft beschrieben, durch das Zusammenwirken der Aktoreinheit 16, der Zugelemente 20 und der Führungsbänder 24 erreicht. Die Aktoreinheit 16 kann ferner direkt oder indirekt mit den Zugelementen 20 verbunden sein und so ausgebildet sein, dass die Zugelemente 20 und die Aktoreinheit 16 beim Anlegen 28 der Vorrichtung 10 getrennt in die flexible Stützstruktur 12 integriert werden können bzw. an der Unterarmmanschette 14 befestigt werden kann.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
12 Stützstruktur
14 Manschette
16 Aktoreinheit
18 Zugeinheit
18a Element
20 Zugelement
22 Befestigungselement/Schlinge
24 Führungsband
24a Kanal
26 Gelenk
28-32 Prozessschritte

Claims

Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung, umfassend:

eine flexible Stützstruktur (12), welche eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung (10) am Körper eines Benutzers getragen zu werden; und

eine Aktoreinheit (16), welche eingerichtet ist, zur Unterstützung der Muskelkraft bei einer Bewegung eines ersten Körperteils eine Zugkraft auf ein erstes Zugelement (20) der flexiblen Stützstruktur (12) auszuüben; wobei

das erste Zugelement (20) entlang einer ersten Bahn durch ein Führungsband (24) der flexiblen Stützstruktur (12) zur Aktoreinheit (16) verläuft, welches einen Abschnitt der ersten Bahn in einer Richtung quer zur Bahnlängsrichtung begrenzt;

das erste Zugelement (20) eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung (10) mittels eines ersten Befestigungselements (22) an dem ersten Körperteil befestigt zu sein; und

das Führungsband (24) entlang der Kraftübertragungsrichtung nach dem ersten Befestigungselement (22) positioniert ist.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 1, wobei die erste Bahn eingerichtet ist, über ein Gelenk des Körpers zu verlaufen, welches einen Knochen des ersten Körperteils mit einem Knochen eines zweiten Körperteils verbindet.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Bahn eingerichtet ist, zumindest abschnittsweise parallel zu einer Sehne und/oder einem Muskel des Körpers zu verlaufen, welche es erlauben eine gewillkürte Muskelkraft auf den ersten Körperteil auszuüben.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Zugelement (20) ein erstes Befestigungselement (22) aufweist, das eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung (10) den ersten Körperteil vollständig oder teilweise zu umschließen.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 4, ferner umfassend:

ein zweites Zugelement (20), welches entlang einer zweiten Bahn zur Aktoreinheit (16) geführt und eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung (10) mittels des ersten Befestigungselements (22) an dem ersten Körperteil befestigt zu sein.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 5, wobei die Aktoreinheit (16) eingerichtet ist, Zugkräfte unabhängig voneinander auf das erste Zugelement (20) und das zweite Zugelement (20) auszuüben.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner umfassend:

ein drittes Zugelement (20), welches entlang einer dritten Bahn zur Aktoreinheit (16) geführt und eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung (10) an einem dritten Körperteil befestigt zu sein, wobei ein drittes Befestigungselement (22) des dritten Zugelements (20) als das Führungsband (24) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Führungsband (24) eingerichtet ist, einen bzw. den zweiten Körperteil zu umschließen.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Führungsband (24) einen Kanal aufweist und das erste Zugelement (18) durch den Kanal geführt ist.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner aufweisend:

ein Steuersystem mit einer Sensoreinheit, wobei das Steuersystem zur Steuerung der ersten Zugkraft eingerichtet ist; und

das Steuersystem eingerichtet ist, während der Verwendung der Vorrichtung (10) die Energiekosten des Nutzers zu minimieren.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 10, wobei die Sensoreinheit Sensoren zur Erfassung einer Kraft, einer Bewegung, einer Dehnung, einer Biegung, einer Muskelaktivität, einer Pulsrate und/oder einer Stoffwechselrate umfasst.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Aktoreinheit ein spiralförmiges Element (18a) aus einer Formgedächtnislegierung aufweist, an dem das erste Zugelement (20) befestigt ist.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die flexible Stützstruktur (12) zumindest als Teil eines textilen Kleidungsstücks ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die flexible Stützstruktur (12) auf der Innen- und/oder Außenseite zumindest teilweise mit einer Polymerschicht versehen ist.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach Anspruch 13 und 14, wobei die flexible Stützstruktur (12) als ein Handschuh ausgebildet ist und einer oder mehrere Fingerlinge des Handschuhs eingerichtet sind, einen bzw. mehrere Finger der Hand des Benutzers zu umschließen.
Vorrichtung (10) zur Muskelkraftunterstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die flexible Stützstruktur (12) einen Armabschnitt umfasst, der dazu eingerichtet ist, über einen Unterarm des Benutzers gestülpt zu werden und sich eine Zugrichtung der Aktoreinheit (16) entlang des Unterarms erstreckt.
Verfahren zur Muskelkraftunterstützung, umfassend:

Anlegen (28) einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16;

Überwachen (30) gewillkürter Bewegungen; und

Ausüben (32) einer Zugkraft auf das erste Zugelement (20) auf Basis der überwachten gewillkürten Bewegungen.