EP4037621A1

EP4037621A1 - Exoskelett für einen menschen

Info

Publication number: EP4037621A1
Application number: EP20710030.6A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Hlasek
Original assignee: Biersack Technologie & Co Kg GmbH
Current assignee: Biersack Technologie & Co Kg GmbH
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2022-08-10
Also published as: WO2020156617A1; DE102019102356A1; DE112020000603A5

Abstract

Exoskelett (1) für einen Menschen zur Bewegungsunterstützung eines Oberkörpers, welches die Baugruppen Schultermodul (2) mit rechtem und linkem Schulterstück und Rückenmodul (3) mit einer zervikal bis lumbal sich erstreckenden Rückensäule (12) sowie mit einem am zervikalen Ende der Rückensäule angebrachten Schulterträger (7) umfasst. Das Schultermodul ist am Schulterträger befestigt. Die Rückensäule wird abschnittsweise von Wirbel- und Scheibenkörpern (14 bzw. 15) gebildet, wobei zwischen zwei benachbarten Wirbelkörpern jeweils ein verbindender Scheibenkörper liegt und eine elastische Verbindung der Wirbelkörper miteinander bewirkt. Zum axialen Stauchen und Lösen weist die Rückensäule eine Spannvorrichtung (18) auf. Das Rückenmodul kann mechanisch durch Stauchen und Lösen der Spannvorrichtung im Rückenmodul zwischen elastischem und steifem Zustand wechseln, und so im Belastungsfall die Kraft ableiten. Im entlasteten Fall lässt das Exoskelett die Drehung, Beugung und seitliche Neigung des Torsos im ergonomischen Rahmen zu. Das Exoskelett ist unter dem Aspekt eines schnell an- und ausziehbaren, leichten und angenehm tragbaren sowie reinigungs- und wartungsfreundlichen Systems ausgelegt.

Description

Exoskelett für einen Menschen

Die Erfindung betrifft ein Exoskelett für einen Menschen zur Bewegungsunterstützung eines Oberkörpers.

Als Exoskelett (Außenskelett, altgriechisch exo .außen' und skeletös .ausgetrockneter Körper', .Mumie') bezeichnet man eine äußere Stützstruktur für einen Organismus, insbesondere eines Menschen. Aktive Exoskelette nehmen die Form von am Körper tragbaren Vorrichtungen an, die die Bewegungen des Trägers unterstützen bezie hungsweise verstärken, indem zum Beispiel Gelenke des Exoskeletts durch Servomo toren angetrieben werden. Bei passiven Systemen fehlt der Antrieb.

Gattungsgemäße Systeme kommen seit langem in der Medizin in Form von motorisch angetriebenen Gelenkorthesen zum Einsatz und dienen zur Stabilisierung und Entlas tung 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 Exoske lett durch Servomotoren oder ähnliche elektromotorische Antriebskonzepte angetrie ben werden.

Darüber hinaus kommen Exoskelette bei körperlich arbeitenden Menschen zur An wendung, um diese bei der Ausführung physisch schwerer Tätigkeiten zu unterstüt zen und um Verletzungen durch Überlastung zu vermeiden. Insbesondere ist die kör perliche Belastung in Pflegeberufen verglichen mit anderen Berufszweigen besonders hoch. Langes Stehen, schweres Heben und ungünstige Körperhaltungen gehören im Pflegebereich zum Alltag. Die Auswirkungen spüren die Beschäftigten deutlich. Zwei Drittel aller Pflegekräfte leiden unter Rückenschmerzen und Beschwerden im Nacken- Schulter-Bereich. Dies führt zu einem im Vergleich zu anderen Branchen überdurch schnittlich hohen Krankenstand, zu permanentem Krankheitsausfall und zu einer früh zeitigen Aufgabe des Berufs in den Bereichen Pflege und OP. Verschärft wird das Problem durch die Zunahme der Zahl an Klinikpatienten und Pflegebedürftigen bei stagnierendem Pflegepersonal sowie durch die Zunahme übergewichtiger Patienten. Vor diesem Hintergrund besteht ein erheblicher Bedarf, Pflegekräften sprichwörtlich „den Rücken zu stärken".

Auch wenn es bereits einige Umsetz- und Hebehilfen gibt, so eignen sich diese nicht für viele häufig auftretende Bewegungsabläufe, wie z.B. im Umgang mit narkotisierten Patienten. Limitationen bestehender Systeme und Forschungsansätze liegen u.a. in der mangelnden Taktilität, Flexibilität, Unterstützungsfunktion, Praktikabilität sowie im erforderlichen Platzbedarf.

In den letzten Jahren sind zahlreiche Exoskelett-Lösungen wissenschaftlich unter sucht, realisiert und vereinzelt auch im Markt eingeführt worden. Anwendungsschwer punkte liegen bislang im Bereich Wehrtechnik zur Stärkung von Soldaten im Gefecht (z.B. von Sarcos, Raytheon), in der Bauwirtschaft und Industrie zum Heben schwerer Lasten (z.B. von Panasonic, EksoBionics, Honda) oder zur Unterstützung von Über kopfarbeiten (z.B. Stuttgart ExoJacket, EksoVest) und in der Rehabilitation (z.B. von ExoBionics, Rex Bionics, Parker Hannifin).

Unter der Bezeichnung Ladungsträgerausrüstung (load bearing equipment) wurden für militärische Anwendungen Strukturen entwickelt, die es dem Soldaten erlauben, schwere Ausrüstungsgegenstände am Körper zu tragen. In der US 9,504,307 B1 ist eine Ladungsträgerausrüstung offenbart, die zwischen einer Schulter- und Becken partie mehrere Wirbelelemente aufweist, die über Gelenke mit Kugelköpfen beweglich miteinander verbunden sind. Die Wirbelelemente weisen jeweils zwei Längselemente auf, die zwischen sich die Kugelköpfe klemmen und somit eine lastaufnehmende Säule zum Tragen am Rücken bilden.

Für die Behandlung von Störungen, die die Muskelfunktion beeinträchtigen, wie Schlaganfall, Rückenmarkverletzung, Muskeldystrophie, zerebrale Lähmung, Kinder lähmung und Multiple Sklerose wurden Orthesen entwickelt, die Körperpartien in ei nem festen oder losen Modus fixieren können. In der US 2010/0268137 A1 ist bei spielsweise eine solche Orthese beschrieben, die zwischen zwei Bandagen eine Spannvorrichtung zum Lösen und Spannen der gegenüberliegenden Bandagen auf weist.

Exoskelette für Pflegeberufe wurden bislang nur auf wissenschaftlicher Ebene unter sucht, z.B. CareJack [Care-Jack - Die Kraft in der Weste, Fraunhofer-Institut für Zu verlässigkeit und Mikrointegration IZM, Berlin / 3.3.2015,,retrieved on 28.01.2019, from https://www.iz .fraunhofer.de/de/news_events/tech_news/care-jack.ht l]. Es handelt sich um eine "Oberkörperweste" mit ausschließlichem Fokus auf die Rücken entlastung mittels "Feder-Kupplungs-System", ohne jedoch über eine aktive Antriebs lösung zusätzlich Arme und Schultern zu unterstützen.

Für Pflegekräfte liegen noch keine marktreifen Exoskelette vor. Viele bekannte Exos- kelett-Systeme eignen sich aus verschiedenen Gründen nicht für den OP-/ Pflegebe reich, was im Folgenden anhand technologischer Merkmale bisheriger Lösungen kurz zusammengefasst dargestellt wird:

Hebehilfe [BMBF 2013]: Das System dient der Unterstützung des gesamten Körpers für hebende und tragende Tätigkeiten im Berufsalltag. Die Kinematik, Aktorik und Sensorik sind aus vielerlei Gründen für die Pflegeanwendung problematisch. Im ur sprünglichen Ansatz wurden die Arme bedingt durch die dort gewählte Seilkinematik direkt zu den Schultern gezogen, wodurch ein Konzept mit ungünstigen Schwer- , Querkräften und Bewegungseinschränkungen resultiert. Im abschließend realisierten Konzept wird z.B. die Elevation und Protraktion der Schulter durch die Kinematik ge sperrt, hierdurch kann das Gewicht der Antriebsmodule deutlich reduziert werden und das Rückenmodul ist nicht hinreichend anthropomorph. Eine Marktumsetzung ist bis lang nicht bekannt.

Ganzkörperexoskelette (z.B. Ninja von Panasonic, HAL von Cyberdyne) dienen der ganzkörperlichen Entlastung bei schweren Hebe- und Logistiktätigkeiten, sind jedoch sehr voluminös und unterstützen nicht die spezifischen OP-Anforderungen. Ein schnelles An- und Ausziehen ist ebenso nicht möglich.

Weitere Hebehilfen z.B. von German Bionics oder Panasonie für Hebetätigkeiten im industriellen oder logistischen Umfeld entlasten bzw. stützen durch ihre Kinematik und Angriffspunkte an Oberschenkel bzw. Hüfte die Lendenwirbelsäule, ohne jedoch El lenbogen und Schulter motorisch zu unterstützen. Passive Exoskelett- Lösungen (z.B. STRONGARM® ERGOSKELETONTM Lift Assist Device) sind für geringe Belastungen vor dem Körper. Exoskelett-Lösungen für Über kopfarbeiten gibt es als passive wie aktive Lösungen. Das unterstützende System von EksoBionics bspw. dient der passiven Entlastung bei Überkopftätigkeiten. Ein Beispiel für ein aktives Überkopf-Exoskelett ist das sog. 'Stuttgart ExoJacket', welches unter Mitwirkung der Projektpartner Fraunhofer IPA, CONTAG, MOSCA u.a. für die Über kopfkabelmontage bei einem Bushersteller entwickelt wurde.

Es gibt aber erhebliche Unterscheidungsmerkmale, wie z.B. die auf die Anwendung der Überkopfarbeiten angepasste Schulterkinematik ohne Protraktion und Retraktion (und nur rudimentäre Elevation). Die passive Rumpfbefestigung mit vollstarrem Rü ckenmodul, die passive Entlastung des Handgelenks, fehlende patientenindividuelle- Lastdetektion durch Bestimmung der Interaktionskraft, fehlende miniaturisierte Motor- Getriebe-Einheit mit minimierter Selbsthemmung, fehlende Körperadaptierbarkeit er schweren eine einfache Übertragung auf das vorgesehene„ExoPflege' -System.

Aus dem Stand der T echnik, nämlich der US 9,375,325 B2 ist ein Exoskelett für die oberen Extremitäten offenbart. Durch ausladende, voluminöse Schulter- und Armkine matiken ist es jedoch weder anthropomorph noch für den Einsatz narkotisierter Pati enten geeignet. Aus der CN 105963103 A ist eine Schulterkinematik bekannt, die al lerdings keine Translation zulässt und der Rücken steif gehalten wird.

Ein komplexerer Ansatz ist in der WO 2017/093298 A1 des Fraunhofer IPA offenbart. Er umfasst eine kombinierte aktive und passive Schulterkinematik.

Ein weiteres Hochschulprojekt für eine Anwendung in der Patientenhilfe ist in der WO 2017/157941 A1 veröffentlicht. Um eine Vermeidung von Überlastungsschäden für körperlich arbeitende Personen sowie die Unterstützung der Ausführung von Tätigkei ten zu realisieren, wird darin ein Exoskelett als Stützvorrichtung mit einer Vorrichtung zur Realisierung rotatorischer und translatorischer menschlicher Bewegungen be schrieben. Das Exoskelett, welche zumindest mit einem Körperteil einer Person ge koppelt ist, umfasst zumindest eine Mensch-Technik-Schnittsteile, eine Vorrichtung zur Realisierung rotatorischer und translatorischer menschlicher Bewegungen und eine Einheit zur Aktuierung, die durch eine Sensorik und Steuerung ergänzt wird. Über eine Reihe von Kopplungselementen, die u.a. den Schulter-, Rücken- und Len denbereich des Rückenteils erfassen, ist über entsprechende Aktuatoren eine Beein flussung der Beweglichkeit u.a. der Lateralflexion des Nutzers möglich. Die Komplexi tät dieser Vorrichtung geht allerdings zu Lasten des Tragegewichts und Aufwandes in der technischen Umsetzung.

Im Wege interdisziplinärer Forschung und Entwicklung an bewegungsunterstützenden Systemen gewinnen derartige Systeme zunehmend an Bedeutung und Aufmerksam keit. Insbesondere die stetige Verbesserung von relevanten Systemkomponenten, wie beispielsweise die Realisierung leistungsfähiger Elektromotoren, hocheffizienter Steu erungsgeräte sowie Akkumulatoren mit hoher Energiedichte machen neuartige Ent wicklungen auf dem Gebiet der Exoskelette erst möglich.

Allen Exoskeletten liegt eine gemeinsamen Maxime zugrunde, nämlich das für die Be wegungsunterstützung erforderliche Antriebssystem möglichst nah am Körpergelenk zu positionieren und das Eigengewicht des Antriebssystems möglichst über eine di rekt am menschlichen Körper angebrachte, stabile Struktur und/oder vorzugsweise über geeignete, kraftableitende Stützstrukturen direkt am Boden abzustützen. Die Herausforderung ist dabei die natürliche Beweglichkeit des Menschen möglichst nicht zu beeinträchtigen, sondern diese vielmehr ohne nennenswerte Hinderung zu unter stützen.

Ein typisches Exoskelett besitzt eine Vielzahl jeweils über steife Strukturen miteinan der verbundene Gelenkmechanismen, deren aufeinander abgestimmte Freiheitsgrade so gewählt sind, dass sie der natürlichen Gelenkkinematik der Person analog nach empfunden sind.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein leichtes, nutzerfreundliches Exoskelett anzugeben, das Nutzern bei der Handhabung schwerer Lasten unterstützt. Insbesondere soll es Pflegekräften das Umbetten von bewusstlosen und narkotisier ten Patienten erleichtern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Exoskelett mit den Merkmalen des An spruches 1 gelöst. Die gewählte Lösung führt zu einer Prävention von Schulter- und Rückenleiden spezi ell für den hoch belasteten Nutzer bei der Handhabung schwerer Lasten, insbeson dere in Pflegebereichen in OP, Intensivstation und Notaufnahme.

Dabei wird die vom Schultermodul aufgenommene Kraft über das Rückenmodul groß flächig und schonend bis in die Hüfte abgeleitet. Das Rückenmodul kann mechanisch durch Stauchen und Lösen der Spannvorrichtung im Rückenmodul zwischen elasti schem und steifem Zustand wechseln, und so im Belastungsfall die Kraft ableiten. Im entlasteten Fall lässt das Exoskelett die Drehung, Beugung und seitliche Neigung des Torsos im ergonomischen Rahmen zu. Das Exoskelett ist unter dem Aspekt eines schnell an- und ausziehbaren, leichten und angenehm tragbaren sowie reinigungs- und wartungsfreundlichen Systems ausgelegt.

Unter Berücksichtigung der Anwendungsbewegungen ist eine weitere aktive motori sche Unterstützung der Ellenbogenflexion und der Ante- und Retroversion des Schul tergelenks vorgesehen. Die weiteren Freiheitsgrade des Schultergelenks werden pas siv federnd/dämpfend und aktiv blockierend konzipiert, um dem Träger die maximale, jedoch noch ergonomisch vertretbare Bewegungsfreiheit und die Ableitung der ein wirkenden gravitativen Kräfte zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt darüber hinaus durch das Stauchen der Rü ckensäule die Flexion des Torsos zu unterbinden und stützt bei aufrechten Belas tungseinwirkungen.

Zur Schonung der Wirbelsäule ist die Sperrung bzw. Einschränkung der Rumpfbewe gung im Lastfall durch die Spannvorrichtung (Beckenflexion/-extension), z.B. durch stellungs- oder schaltsignalabhängige spannende Spannelemente im Rückenteil mög lich. Vorteilhaft ist, bei Hebebewegungen ein selbsttätiges spannen und lockern im Lendenbereich. Dadurch wird die Haltemuskulatur nur im Belastungsfall gestützt. Ins gesamt sollen nur "gesunde Bewegungen" zugelassen werden. Die Bewegungsfrei heit wird nicht voll eingeschränkt, sondern sinnvoll geführt, um ein ergonomisches Be wegungsprofil sicherzustellen (maximaler Schutz des Trägers bei vertretbarer Ein schränkung).

Des Weiteren werden ergonomisch präventive Sperrungen durch das Exoskelett am Bewegungsapparat des Trägers in das innovative Kinematik Konzept integriert, und dabei auch bionische Ansätze verfolgt. Dazu gehören unter anderem die aktive Ge- radhaltung des Rückens, die passive Dämpfung der Abduktion über 45° und der Ante- version über 90° im Glenohumeralgelenk.

Das Exoskelett nimmt dabei die Hebe- und Umlagerungstätigkeit der Pflegekraft nicht vollständig ab, sondern erlaubt mithilfe eines intelligenten und taktilen System- und Regelungsansatzes eine Lastspitzenreduktion im Bewegungsablauf. Damit wird ein wertvoller Beitrag zum Arbeitsschutz geleistet werden.

Die Schulterkinematik lässt vorzugsweise passiv (federnd/dämpfend) die Bewegun gen der Abduktion/Adduktion und Außen- und Innenrotation im Glenohumeralgelenk und die Elevation / Depression und Protraktion / Retraktion im Sternoklavikulargelenk (Schulterblatt und Schlüsselbein zu Brustbein) in einem definierten Bereich zu. Weiter wird die von der Hebebelastung einwirkende Gravitationskomponente kraftschlüssig vom Unterarmmodul über die Arm-, Schulter- und Rückenmodul des Exoskeletts ge leitet und großflächig über weich auskleidende Kunststofftextilmaterialen im Rücken modul schonend in die Hüfte des Trägers eingetragen.

Hierzu ist vorteilhaft eine Art„Rucksacklösung" mit Hüft- und Schulterbefestigung und mit Anbindung zwischen starren und textilen Teilen vorgesehen, wobei textile Teile zugunsten der Reinigung auch leicht austauschbar sind.

Passive Freiheitsgrade liegen für Pronation / Supination (Drehung des Unterarms) und Linearbewegung/ Streckung am Unterarm vor. Weiter ist eine passive Stützung des Handgelenks (Extension Handgelenk max. 10°) mittels einer Unterarmschale möglich, in welcher Sensoren zur Lasterkennung bzw. -Berechnung integriert sind. Damit soll ein empfindliches Handhaben von Patienten sichergestellt werden. Auch im Falle der kooperativen Umbettung durch ein OP-Team. Entsprechend kann die Inter aktionskraft zwischen Patient und Pfleger ermittelt und zum taktilen Nachregeln ge nutzt werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15, der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, wie sie in der Zeichnung wiedergegeben sind. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Illustration eines Exoskeletts mit Schulter- und Rücken modul,

Fig. 2a eine perspektivische Illustration eines Rückenmoduls mit Spannvorrichtung, Fig. 2b eine perspektivische Illustration eines Rückenmoduls mit Wirbelkörpern in al ternativer Ausführung,

Fig. 3 eine perspektivische Illustration eines W-förmigen Wirbelkörpers,

Fig. 4 eine perspektivische Illustration einer Anzahl von Scheibenkörpern eines Rü ckenmoduls nach Fig. 2b,

Fig. 5 eine perspektivische Illustration einer Spannvorrichtung,

Fig. 6 eine perspektivische Illustration einer alternativen Spannvorrichtung,

Fig. 7 eine perspektivische Illustration eines Abschnittes der Rückensäule mit He belgelenk und

Fig. 8 eine perspektivische Illustration eines Hebelgelenks nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt ein Exoskelett 1 für einen Menschen zur Bewegungsunterstützung eines nicht weiter dargestellten Oberkörpers. Das Exoskelett 1 umfasst die miteinander ver bundenen Baugruppen Schultermodul 2 und Rückenmodul 3. Das Schultermodul 2 weist ein rechtes und linkes Schulterstück 4 bzw. 5 mit gelenkig miteinander verbun denen Schulterelementen 6 auf. Das Schultermodul 2 nimmt über nicht weiter darge stellte Armstützen Hebelasten auf, und leitet diese in das Rückenmodul 3 weiter, wel ches sich wiederum im Hüftbereich des Menschen abstützt.

Zur Verbindung mit dem Schultermodul 2 weist das Rückenmodul 3 ein am zervikalen Ende angebrachten Schulterträger 7 auf, an welchen wiederum jeweils zu den Schul terblättern transversal ersteckende rechte und linke Traversen 8 bzw. 9 ausgebildet sind. An der rechten und an der linken Traverse 8 bzw. 9 ist jeweils ein Gelenkband 10 angebracht, welches die rechte Traverse 8 mit dem rechten Schulterstück 4 und die linke Traverse 9 mit dem linken Schulterstück 5 zur Übertragung der Zuglasten in das Rückenmodul 3 verbinden. Um ein körpernahes Tragen des Exoskelett 1 zu er möglichen, setzen sich die Gelenkbänder 10 aus einer Anzahl gelenkig miteinander verbundener Gelenkglieder 11 zusammen, die sich im Schulterbereich anschmiegen. Die Schulterstücke 4 und 5 umfassen die rechte bzw. linke Schulter und erstrecken sich brustseitig, wo sie in einer Sternumplatte 13 zusammenlaufen und mit dieser ver bunden sind.

Mit dem Schultermodul 2 verbunden, erstreckt sich in lumbaler Richtung des Rücken moduls 3 eine Rückensäule 12. Die Rückensäule 12 wird von alternierend angeordne ten Wirbel- 14 und Scheibenkörpern 15 gebildet, sodass zwischen zwei benachbarten Wirbelkörpern 14 jeweils ein verbindender Scheibenkörper 15 liegt. Die Scheibenkör per 15 bestehen aus einem geschäumten oder gespritzten weichen Elastomer, des sen Shore-Härte zwischen 10 und 90 liegt, wobei die Shore-Härte der Scheibenkörper 15 über die Höhe Rückensäule 12 variiert. Über die elastische Koppelung benachbar ter Wirbelkörper 14 über die dazwischen liegenden Scheibenkörper 15 bleibt die Rü ckensäule flexibel, sodass im entlasteten Fall das Exoskelett 1 die Drehung, Beugung und seitliche Neigung des Torsos im ergonomischen Rahmen zulässt. Die Wirbelkör per 14 bestehen aus einem druck- und alterungsbeständigen Leichtbauwerkstoff. Hierbei kommen Aluminiumlegierungen und Kunststoffe in Frage. Wie weiter Fig. 1 zu entnehmen ist, weisen die Wirbelkörper 14‘ nahe des Zervikal breitere, transversal er streckende Querfortsätze 17 auf.

Zur großflächigen Verteilung von Drucklasten weist das Rückenmodul 3 eine großflä chige, biegeweiche und weich ausgekleidete Rückenplatte 16 auf, die sich flächig und thorakal seitens des Schulterträgers 7 und des zervikalen Endes der Rückensäule 12 erstreckt. Die Rückenplatte 16 überträgt großflächig Lasten, die über die angebrach ten Querfortsätze 17 in die Rückenplatte 16 aus der Rückensäule 12 eingebracht wer den.

Zur Erläuterung der in der Rückensäule 12 ausgebildeten Spannvorrichtung 18 die nen die Illustrationen der Fig. 2a und Fig. 4.

Fig. 2a zeigt die Illustration eines Rückenmoduls 3 mit Rückensäule 12 und einer da rin ausgebildeten Spannvorrichtung 18. Zur Schonung der Wirbelsäule ist die Sper rung bzw. Einschränkung der Rumpfbewegung im Lastfall durch die Spannvorrichtung 18 (Beckenflexion/-extension), durch stellungs- oder schaltsignalabhängige span nende Spannelemente 19 im Rückenmodul 3 möglich. Vorteilhaft ist bei Hebebewe gungen ein selbsttätiges spannen und lockern im Lendenbereich. Hierzu ist das Spannelement 19 als Seil ausgeführt, welches sich im Innern der Wir belkörper 14 und Scheibenkörper 15 ausgebildeten Strangkanal 20 erstreckt. Dabei bilden die in den Wirbelkörpern 14 und vorhandenen Wirbellöcher 21 den Strangka nal 20. Das als Seil ausgeführte Spannelement 19 ist an seinem zervikalen Ende an Wirbelkörper 14“ des Schulterträgers 7 festgelegt, während das lumbale, lose Ende über einen von einem Elektromotor 22 betriebenen Aktuator 23 spannbar ist (siehe Fig. 5). Hierzu betätigt der Elektromotor 22 eine Spindel 24, die sich hierbei, wie der Pfeil P zeigt, axial lumbal oder zervikal bewegt und das daran befestigte Seil mitnimmt und dabei löst oder spannt. Durch das Spannen des Seiles werden die Wirbelkörper 14 zusammen gezogen und dabei die dazwischen liegenden Scheibenkörper 15 kom primiert. Dies führt wiederum zu einer Versteifung der Rückensäule 12. Das Stauchen der Rückensäule 12 unterbindet die Flexion des Torsos und stützt bei aufrechten Be lastungseinwirkungen.

Das Seil ist aus einem Stahldraht oder aus einem Kunststoff ausgeführt. Als Kunstfa serseile bieten sich Seile aus Polypropylen (PP) oder einem hochfesten Polyethylen (PE) wie beispielsweise„Dyneema®“ an, die eine extrem hohe Bruchfestigkeit (5-fa- che von Polyamid) aufweisen, sehr leicht (schwimmfähig) sind, kein Wasser aufneh men, äußerst beständig gegenüber Säuren und Laugen sind und eine extrem geringe Bruchdehnung aufweisen. Eine Temperaturbeständigkeit von bis 70 °C sollte in jedem Fall ausreichend sein.

In der Fig. 2b ist eine Illustration eines Rückenmoduls 3 mit alternativ ausgebildeten Wirbel- 14 und Scheibenkörpern 15 zu sehen.

Weitere Ausführungsformen der Wirbelkörper 14 sind in den Fig. 3a und 3b zu se hen. Der Wirbelkörper 14 weist einen in einer Transversalebene liegenden dreiecki gen Grundriss auf, der bezüglich der durch die Rückensäule 12 verlaufenden Median ebene symmetrisch ausgebildet ist. Die posterior liegende Ecke des Wirbelkörpers 14 ist abgerundet. An der thorakalen Basis finden sich transversal ersteckende rechte und linke Querfortsätze 17 auf, die an ihrem transversalen Ende ebenfalls abgerundet sind. Im Bereich des Zentrums des dreieckigen Grundrisses weisen die Wirbelkörper 14 an ihrer thorakalen und lumbalen Seite jeweils eine flächige Vertiefung 25 auf, die vom Wirbelloch 21 durchdrungen ist. Das Wirbelloch sitzt dabei außermittig in der Nähe der posterior liegende Ecke. Dadurch bewirkt ein Spannen der Spannvorrich tung 14 ein Stauchen sowie Beugen oder Strecken der Rückensäule 12. Entsprechend zur flächigen Vertiefung 25 der Wirbelkörper 14 weisen die Scheiben körper 15 (siehe Fig. 4) beidseitig ausgebildete Erhebungen 26 auf, die im Sinne ei ner Übergangspassung von Hand ineinander gesteckt werden können. Der sich hier durch ergebende feste Sitz der Wirbelkörper 14 und Scheibenkörper 15 zueinander verhindert unerwünschte laterale oder proximale Relativbewegungen ohne dass hier durch ein Beugen oder Strecken oder Lateralflexion der Rückensäule 12 im unge spannten Zustand unterbunden wird.

Im Bereich des Zentrums des dreieckigen Grundrisses der Erhebungen 26 weisen die Scheibenkörper 15 an ihrer thorakalen und lumbalen Seite ein Wirbelloch 21 auf, wel ches zusammen mit den benachbarten Wirbellöchern 21 den Strangkanal 20 bilden.

Eine alternative Ausführung einer Spannvorrichtung 18 ist in Fig. 6 gezeigt. Hierbei ist das lumbale, lose Ende des Seils 19 mit einem Schlitten 27 verbunden. Der Schlitten 27 ist an einem lumbalen Ende der Rückensäule 12 kaudal und kranial bewegbar ge lagert und wird über einen von einem Elektromotor 22 mit Spindelantrieb betriebenen, am Schlitten 27 angebrachten Aktuator 23 bewegt, sodass die Bewegung des Schlit tens 27 ein Spannen oder Lösen des Seils bewirkt. Der Elektromotor 22 ist im mittle ren Teil des Schlittens 27 angebracht. Die Spindel ragt aus dem mittleren Teil in den oberen Teil des Schlittens 27. Im Oberen Schlitten befindet sich eine Trapezmut ter, die mit der Spindel zusammenwirkt und ein Verschieben des Schlittens 27 im Be trieb bewirkt.

Zur gelichförmigen Bewegung des Schlittens 27 ist dieser mittels zweier parallel beab- standeter, am lumbalen Ende der Rückensäule 12 angebrachter Bolzen 28 gelagert. Hierzu weist der Schlitten 27 zwei korrespondierende Bohrungen 29 auf, sodass sich der Schlitten 27 längs der Bolzen 28 kaudal und kranial verschieben lässt.

Problematisch beim extremen Beugen und Strecken des Oberkörpers und der der Beugung bzw. Streckung folgenden Rückensäule 12 ist die Längenänderung, welche zwar zum Teil durch die Elastizität der Scheibenkörper 15 kompensiert wird, aber dar über hinaus eine ungewünschte kaudale oder kraniale Verschiebung des Exoskelett zur Folge haben könnte. Der in Fig. 7 dargestellte Ausschnitt eines Abschnitts der Rü- ckensäule 12 zeigt die konstruktive Ausführung zur Lösung des Problems des Län genausgleichs. Hierzu ist zwischen zwei benachbarten Wirbelkörpern 14 jeweils ein Hebelgelenk 30 angeordnet.

Das Hebelgelenk 30 bewirkt durch eine Kinematik beim Beugen der benachbarten Wirbelkörpern 14 zueinander, ein voneinander wegbewegen und beim Strecken ein voneinander zubewegen der benachbarten Wirbelkörper 14 und somit ein Dehnen und Stauchen der Rückensäule 12.

Wie weiter im Detail in Fig. 8 zu sehen ist, umfasst das Hebelgelenk 30 einen Füh rungskörper 31 mit zwei darin drehbar und längsverschieblich gelagerten Tonnenkör pern 32. Die beiden durch Stege 33 parallel voneinander beabstandeten Körperflan ken 34 weisen zwei Paare von Langlöchern 35 auf, welche die Lagerachsen 36 der Tonnenkörper 32 längsverschieblich und drehbeweglich aufnehmen. Die Paare von Langlöchern 35 sind winkelig mit einer Neigung von ca 15° bis 30° zueinander ange ordnet. Die Lagerachsen 36 sind exzentrisch bezüglich der Symmetrieachse der Ton nenkörper 32 ausgeführt, sodass die sich an den Umfangsflächen 37 berührenden Tonnenkörper 32 beim Drehen um deren exzentrisch angebrachten Lagerachsen 36 sich in den Langlöchern 35 hin und her bewegen.

Da die über die Körperflanken 34 hinausragenden Lagerachsen 36 jeweils mit einem der beiden benachbarten Wirbelkörper 14 drehfest verbunden sind, bewirkt das Ver schieben in den Langlöchern auch in gleicher weise ein Verschieben der Wirbelkör per 14 zueinander. Über das Verschieben der Wirbelkörper 14 zueinander erfolgt folg lich der gewünschte Längenausgleich der Rückensäule 12 beim Strecken und Beu gen.

Eine Anpassung des erforderlichen Längenausgleichs entsprechend des Beugewin kels erfolgt über die geometrische Dimensionierung der Tonnenkörper 36, des Neige winkels der Langlöcher 35 und/oder der Exzentrität der Lagerachsen 36.

Weitere anatomische Lage- und Richtungsbezeichnungen:

Als Sagittalebene (von lateinisch sagitta , Pfeil·) wird in der Anatomie eine sich von oben nach unten und hinten nach vorne erstreckende Ebene, bezeichnet. Im Bild stellt die rote Fläche die Sagittalebene durch die Körpermitte dar. Dieser Spezialfall heißt Medianebene. Diese Ebene teilt den Körper genau in eine rechte und eine linke Hälfte.

Transversalebene (von lateinisch transversus ,quer‘) bezeichnet in der Medizin eine quer liegende Ebene rechtwinklig zur Längsachse, so bei senkrechter Körperachse auch eine Horizontalebene. Eine Transversalebene teilt den Körper in einen oberen und einen unteren Anteil. Ein anatomischer Schnitt in dieser Ebene heißt Transversal schnitt bzw. Horizontalschnitt.

Kaudal bedeutet "schwanzwärts", d.h. "zum Steißbein (Os coccygis) hin" orientiert. Das Gegenteil von kaudal ist kranial. Die Richtungsbezeichung ist nur am Stamm zu verwenden und nicht an den Extremitäten hier verwendet man die Begriffe proximal und distal.

Beugung nach vorne (Flexion), Streckung nach hinten (Extension), Seitneigung (Late ralflexion) und / oder Drehbewegung der Rückensäule.

Bezugszeichenliste

Exoskelett

Schultermodul

Rückenmodul

Schulterstück rechts

Schulterstück links

Schulterelement

Schulterträger

T raverse rechts

Traverse links

Gelenkband

Gelenkglieder

Rückensäule

Sternumplatte

Wirbelkörper

Scheibenkörper

Rückenplatte

Querfortsatz

Spannvorrichtung

Spannelemente

Strangkanal

Wirbelloch

Elektromotor

Aktuator

Spindel

Vertiefung

Erhebungen

Schlitten

Bolzen

Bohrung

Hebelgelenk

Führungskörper Tonnenkörper Steg

Körperflanke Langloch Lagerachse Umfangsfläche

Claims

Patentansprüche

1. Exoskelett für einen Menschen zur Bewegungsunterstützung eines Oberkörpers, umfassend:

• ein Schultermodul (2),

• ein Rückenmodul (3) mit einer zervikal bis lumbal sich erstreckenden Rü ckensäule (12) und mit einem am zervikalen Ende der Rückensäule (12) angebrachten Schulterträger (7),

wobei

• das Schultermodul (3) am Schulterträger (7) befestigt ist,

• die Rückensäule (12) zumindest abschnittsweise von alternierend ange ordneten Wirbel- und Scheibenkörpern (14 bzw. 15) gebildet wird, wobei zwischen zwei benachbarten Wirbelkörpern (14) jeweils ein verbindender Scheibenkörper (15) liegt und eine elastische Verbindung der Wirbelkörper

(14) miteinander bewirkt, und

• die Rückensäule (12) zum axialen Stauchen und Lösen axial voneinander beabstandete Wirbelkörper (14) und Scheibenkörper eine Spannvorrich tung (18) mit einem Spannelement (19) aufweist,

• wobei eine Anzahl benachbarter Wirbelkörper (14) und Scheibenkörper

(15) in axialer Richtung einen Strangkanal (20) zur Aufnahme des Spann elements (19) ausbilden.

2. Exoskelett nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (19) mit einem Ende an einem zervikal oder lumbal liegenden Wirbelkörper (14) befestigt ist und an einem lumbal bzw. zervikal liegenden Wir belkörper (14) ein Aktuator (23) vorgesehen ist, der das Spannelement (19) spannt und löst.

3. Exoskelett nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (23) durch einen Elektromotor (22) betrieben wird.

4. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (19) von einem Seil oder / und einer Spindel (23) gebildet wird.

5. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (18) derart außermittig bezüglich der Rückensäule (12) angeordnet ist, dass ein Spannen der Spannvorichtung (18) ein Stauchen sowie Beugen oder Strecken der Rückensäule (12) bewirkt.

6. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (18) einen mit dem losen Ende des Spannelements (19) verbundenen, beweglichen Schlitten (27) aufweist, der zum Spannen und Lö sen des Spannelements (19) kaudal und kranial verschieblich an der Spannvor richtung (18) gelagert ist.

7. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkörper (14) und / oder Scheibenkörper (15) bezüglich der durch die Rückensäule (12) verlaufende Medianebene symmetrisch ausgebildet sind.

8. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkörper (14) und Scheibenkörper (15) miteinander steckverbunden sind, wobei der Wirbelkörper (14) beidseitige buchsenförmige Vertiefungen (25) oder steckerförmige Erhebungen (26) und der Scheibenkörper (15) beidseitige steckerförmige Erhebungen (26) bzw. buchsenförmige Vertiefungen (25) aufwei sen, die ineinander eingreifen.

9. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkörper (14) in einem Transversalschnitt einen dreieckigen Grund riss aufweisen, dessen thorakale Basis transversal ersteckende rechte und linke Querfortsätze (17) aufweist.

10. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkörper (14) in einem Transversalschnitt einen dreieckigen Grund riss aufweisen.

11. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schulterträger (7) zur Verbindung mit der Rückensäule (12) einen Wir belkörper (14) sowie jeweils zu den Schulterblättern transversal ersteckende rechte und linke Querfortsätze (17) aufweist.

12. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenkörper (15) aus einem Elastomer bestehen, deren Shore-Härte geringer ist als die Shore-Härte der Wirbelkörper(14).

13. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenkörper (15) aus einem Elastomer bestehen, wobei die Shore- Härte der zervikalen und / oder lumbalen und /oder thorakalen Scheibenkörper (15) voneinander variieren.

14. Exoskelett nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Strecken der Rückensäule (12) beim Beugen zwischen zwei benach barten Wirbelkörpern (14) jeweils ein Hebelgelenk angeordnet ist.

15. Exoskelett nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelgelenk zwei asymmetrisch gelagerte Tonnenkörper aufweist, die jeweils an einem Wirbel körper (14) drehfest angebracht sind und derart beim Beugen und Aufrichten der Rückensäule (12) sich aufeinander abwälzen, dass sie ein Strecken bzw. Stau chen der Rückensäule (12) bewirken.