WO2006058442A1

WO2006058442A1 - System und verfahren für die kooperative armtherapie sowie rotationsmodul dafür

Info

Publication number: WO2006058442A1
Application number: PCT/CH2005/000236
Authority: WO
Inventors: Tobias Nef; Robert Riener; Daniel Wegmann; Gery Colombo
Original assignee: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich; Universität Zürich
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-06-08
Also published as: WO2006058442A8; US20090149783A1; JP2008521454A; EP1827349A1

Abstract

Ein System für die Armtherapie verfügt über mehrere Antriebe. Ein erster Antrieb (11) und ein zweite Antrieb (26) legen die Position eines Oberarmrotationsmoduls (16, 17) fest, wobei mit einer Manschette (10) ein Oberarm eines Benutzers fixierbar ist. Das Oberarmrotationsmodul (16, 17) ist zweiteilig und ein dritter Rotationsantrieb (29) ist vorgesehen, um die besagte innen angeordnete (17), im geschlossenen Zustand im wesentlichen hohlzylindrische Oberarmmanschette (10) um ihre Hauptachse relativ zum äusseren Teil (16) des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) zu drehen. Das Oberarmrotationsmodul (16, 17) ist über ein quer drehbares Ellbogenrotationsmoduls (20, 21) mit einem ähnlich zum erstgenannten ausgestalteten Handgelenkrotationsmoduls (20, 21) verbunden. Damit ist eine interne und externe Schulter-Rotation, die Flexion bzw. Extension des Ellenbogens und die Pro/Supination des Unterarms möglich, die durch die verschiedenen Antriebe als Relativbewegung der Manschetten (8, 9 und 10) zueinander bewirkt wird.

Description

System und Verfahren für die kooperative Armtherapie sowie Rotationsmodul dafür

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren für die kooperative Armtherapie sowie ein Rotationsmodul dafür.

Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Systemen und Verfahren bekannt, die die Muskelkraft und die Bewegungskoordination von Patienten mit neurologischen oder orthopädischen Beeinträchtigungen verbessern können. Die Armtherapie hat auch positive Effekte bei der Behandlung von Schlaganfall-Patienten. Aus dem Stand der Technik sind vor allem zwei Arten von robotischen Systemen bekannt. Zum einen gibt es therapeutische Systeme, die hauptsächlich im klinischen Umfeld eingesetzt werden und somit von mehreren Patienten geteilt werden. Die zweite Gruppe sind Heimsysteme, die einen einzelnen Patienten bei Alltagsaktivitä- ten unterstützen. Diese können beispielsweise auf Rollstühlen oder Tischen montiert werden.

Solche bekannten Systeme können passive, aktive und interaktive Systeme umfassen. Bei passiven Systemen werden die Glieder nur passiv stabilisiert oder im Bewegungsbereich beschränkt. Bei bekannten Systemen wie in US 5.466.213 oder US 5.794.621 wird der Arm dabei indirekt dadurch bewegt, dass die Hand einen Handgriff ergreift und dieser durch das System bewegt wird. Diese Systeme leiden an dem Nachteil, dass sie Bewegungen des Unterarms und Oberarms nur indirekt gekoppelt aufnehmen, übertragen und somit keine direkte Führung für das Ellenbogengelenk anbieten. Sie bewegen die Hand nur in der Tisch-Ebene und nicht im dreidimensionalen Raum. Ferner ist es mit diesen bekannten Systemen nicht möglich, dezidiert den Oberarm- bzw. den Unterarmbereich zu trainieren.

Diese Systeme für die Armtherapie haben einen, mit der die Posi- tion eines Benutzers bestimmenden Vorrichtung fest verbindbaren ersten Antrieb. Die die Position eines Benutzers bestimmende Vorrichtung kann ein Stuhl mit einer Rückenlehne sein, die die Rückenpartie festlegt, es kann eine im wesentlichen horizontale Liegefläche sein. Der erste Antrieb kann direkt an diesem Objekt angeordnet sein oder an einem mit diesem Objekt in Verbindung stehenden Gestell etc. Die mit dem Arm eines Benutzers zu verbindende erste Manschette ist bei dem oben genannten Stand der Technik eine Handgelenksmanschette, wobei diese mit dem ersten Antrieb verbunden ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein System und ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine grossere Anzahl von Freiheitsgraden geführt und unterstützt werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss für ein System mit den kennzeichnenden Merkmalen gemäss dem Anspruch 1 gelöst. Ein erfin- dungsgemässes Rotationsmodul ist durch die kennzeichnenden Merk- male des Anspruchs 6 oder 7 angegeben. Ein erfindungsgemässes Verfahren wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9 angegeben.

Dadurch, dass das System mit einer Manschette in den Oberarm eingreift, wobei die Kraftübertragung über selbstbeweglich fixierte Arme ausgeführt wird, kann der Oberarm vollständig geführt werden. Durch eine entsprechende Verbindung mit dem Unterarm kann das Ellbogengelenk überbrückt und getrennt trainiert werden.

Dadurch, dass die Manschette seitlich offen ausgestaltet ist, kann der Benutzer seinen Arm in die Vorrichtung leichter einfüh- ren. Dies ist insbesondere für Patienten hilfreich, die wegen Kontrakturen (versteifte Gelenke) oder Spastik ihre Armgelenke nicht mehr (vollständig) beugen können.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind somit auch die Dre- hungen des Handgelenkes (Pro-/Supination) nachführbar, was bei den bekannten Vorrichtungen unmöglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Kurze Figurenbeschreibung

Die Erfindung wir nun in grosserem Detail unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: FIG. 1 eine sehr schematische perspektivische Darstellung des

Gesamtsystems nach der Erfindung mit einem schematisch dargestellten Patienten, FIG. 2 eine schematische Explosionsansicht der wesentlichen

Elemente des Systems nach FIG. 1, FIG. 3 eine perspektivische Ansicht des Systems nach FIG. 1, von der geschlossenen Seite aus gesehen, FIG. 4 eine perspektivische Ansicht des Systems nach FIG. 3 aus einer anderen Perspektive,

FIG. 5 eine schematische Explosionsansicht des Oberarmmoduls, FIG. 6 eine schematische Ansicht des Oberarmmoduls nach FIG.

5, von der offenen Seite aus gesehen, FIG. 7 eine perspektivische Ansicht von einigen freigelegten

Teilen des Oberarmmoduls, und FIG. 8 eine perspektivische Unteransicht von einigen freigelegten Teilen des Oberarmmoduls.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele FIG. 1 zeigt eine sehr schematische Darstellung des Systems nach der Erfindung mit einem schematisch dargestellten Patienten 4. Der Patient 4 sitzt auf einem Stuhl 1, der den Patienten 4 und insbesondere die Schulter des Patienten positioniert. Dabei ist die Rückenlehne des Stuhls 1 vorteilhafterweise so konzipiert, dass die Schulter definiert positioniert ist, aber gleichzeitig die Bewegungsfähigkeit von Schulter und Schulterblatt nicht eingeschränkt wird. Der Stuhl 1 ist hier so vor dem Gestell und der Roboter-Halterung 2 angeordnet, dass der rechte Arm des Patienten behandelt werden kann. Es versteht sich von selbst, dass ein spiegelbildlicher Aufbau des Systems, auf der linken Seite von einem Stuhl montiert, zur Behandlung eines linken Arms des Patienten vorgesehen sein kann. Eine alternative Lösung für eine Vorrichtung für einen linken Arm ist weiter unten bei der detaillierten Beschreibung gegeben.

Die Roboter-Halterung 2 ist hier ein mobiles Element und kann insbesondere auf einem Chassis mit Rädern montiert werden, so dass das Robotersystem einfach verschoben werden kann. Dafür ist dann ein Gegengewicht 3 vorgesehen, welches ein Kippen des Sys- tems verhindert. Die Roboter-Halterung ist dafür vorgesehen, die Schiene eines Linear-Antriebs 11 aufzunehmen. Natürlich ist es auch möglich, den Linear-Antrieb 11 direkt an einer Wand, an einem Gestell etc. zu befestigen. Der Linear-Antrieb 11 ist dafür vorgesehen, einen horizontal positionierten Ausleger 12 in einer vertikal orientierten Ebene nach oben und unten zu bewegen. Eine einfache Lösung des Linear-Antriebs 11 ist eine Kugelspindel, welche mit dem Schiff des Linear-Antriebs 11 verbunden ist und durch einen Motor angetrieben wird. Das Schiff des Linear- Antriebs 11 ist dabei beispielsweise auf einem Monorail kugelgelagert. Der hier senkrecht zum Gestell 2 und damit zur Achse des Linear-Antriebs 11 angeordnete horizontale Ausleger 12 verbindet das Schiff des Linear-Antriebes 11 mit der Orthese 16-23, 28-37 und 38-52, das heisst den Elementen: Oberarmrotationsmodul, Ellbogenrotationsmodul und Unterarmrotationsmodul sowie Verbindungsstücke. Diese Teile können beispielsweise zur Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger Gewährleistung ausreichender Steifigkeit aus Aluminium bestehen.

In FIG. 2 werden die mit dem Ausleger verbundenen Elemente näher beschrieben, die den Oberarm 5 des Patienten 4 und den Unterarm 6 des Patienten 4 führen. Die in FIG. 1 schematisch dargestellte Hand 7 (oder Handgelenk) ist frei beweglich. Es kann aber auch ein in den Zeichnungen nicht dargestellter Handgriff vorgesehen sein, der mit der Unterarm-Orthese verbunden ist. Eine Oberarm- Manschette 10 verbindet den Oberarm 5 des Patienten 4 mit der Orthese; die Unterarm-Manschette 9 verbindet den Unterarm 6 des Patienten 4 mit der Orthese und die Handgelenk-Manschette 8 ver- bindet den handgelenknahen Teil des Unterarms 6 des Patienten 4 mit der Orthese. Alle Manschetten bestehen vorteilhafterweise aus einem hautverträglichen Stoff und können bevorzugterweise mit Hilfe eines Klettverschlusses straff angezogen werden. Unter Manschette wird jegliches übliches Befestigungselement verstan- den, dass zum Fixieren eines Armbestandteils oder eines einen Arm umgebenden Kleidungsstückes an einem anderen Gegenstand geeignet ist.

FIG. 2 zeigt nun in einer Explosionsansicht in schematischer Weise die weiteren mechanischen Merkmale des Systems gemäss der Erfindung. Gleiche Merkmale sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. An dem senkrechten Linear- Antrieb 11 ist der Ausleger 12 befestigt, auf dem ein zweiter Antrieb 26 montiert ist. Dieser zweite Antrieb 26 mit vertikaler Rotationsachse ermöglicht die Rotation des Patientenarms in der horizontalen Ebene. Der nur schematisch dargestellte zweite Antrieb 26 besteht üblicherweise aus einem DC-Motor, einem Digi- tal-Encoder und einem spielfreien, sogenannten „Harmonie Drive"- Getriebe. Es ist auch der Einsatz anderer Antriebe möglich, wie bürstenlose Gleichstrommotoren und Planetengetriebe. Seine parallel zur Spindel des Linear-Antriebes 11 angeordnete Hauptachse ist mit einem sechs Freiheitsgrade messender Kraftsensor 27, kurz 6-DOF-Kraftsensor 27, verbunden, der die auftretenden Kräfte und Drehmomente misst und die erkannten Signale an eine Steuerelektronik weiterleitet. Dies bedeutet, dass der Kraftsensor 27 auch die horizontale Kraft misst, die vom ersten Antrieb 25, siehe Fig. 3, die Kugelspindel antreibt, bei der es sich um ei- nen kommerziell erhältlichen DC-Motor-Encoder sowie einen Kugel- spindelantrieb handeln kann. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet den Antrieb, der sich im Linearmodul 11 befindet. Ferner misst der Kraftsensor 27 das vom zweiten Antrieb 26 gelieferte Drehmoment und, nach einer Koordinaten-Transformation, das Drehmoment, wel- ches vom dritten Antrieb 29 geliefert wird, der in der Folge noch näher erläutert wird. Der Kraftsensor 27 kann beispielsweise als System mehrerer Dehnungsmessstreifen für alle sechs Achsen ausgelegt sein.

Der zweite Antrieb 26 treibt, gekoppelt über den Kraftsensor 27, die obere Stützverbindung 13 an. Die obere Stützverbindung 13 verbindet eine Stützverbindung 14 mit dem Kraftsensor 27. Die Stützverbindung 14 kann dabei frei um die horizontale Achse rotieren, was einem passiven Freiheitsgrad entspricht. Die Stütz- Verbindung 13 kann aus einer auf zwei Kugellagern montierten Achse bestehen.

Die Stützverbindung 14 verbindet das Oberarmrotations-Modul, insbesondere den äusseren Halbzylinder 16 davon, mit dem Kraftsensor 27. Auch hier wird aus Materialgewichts- und _Steifheitsgründen vorteilhafterweise eine Stützverbindung 14 aus Aluminium gewählt. Vorzugsweise verfügt die Stützverbindung 14 über eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Längenverstellung, die eine Längenverstellung der Stützverbindung ermöglicht, damit das System in einfacher Weise für Patienten 4 mit verschiedenen Armlängen verwendet werden kann. Dabei kann die Stützverbindung 14, wie in dem hier dargestellten Ausführungs- beispiel, aus drei Rundstäben bestehen, welche mehr oder weniger in den Aluminiumkörper (oben, bzw. unten) der Stützverbindung 14 versenkt werden können.

Die untere Stützverbindung 15 verbindet die Stützverbindung 14 mit dem Oberarmrotations-Modul und besteht, wie die obere Stützverbindung 13, vorteilhafterweise aus einer auf zwei Kugellagern montierten Achse. Funktionell handelt es sich hier um ein Scharniergelenk, des mit Hilfe von zwei Kugelgelenken realisiert ist.

Das Oberarmrotations-Modul besteht insbesondere aus einem äusseren Halbzylinder 16 und einem inneren Halbzylinder 17, deren genauere Funktion noch unter Bezugnahme auf FIG. 5 und FIG. 6 näher beschrieben werden wird. Eine Verbindungsschiene 18 verbindet das Oberarmrotations-Modul 16, 17 mit dem vierten Antrieb 32, dem Ellenbogenantrieb. Die Verbindungsschiene 18 besteht hier aus vier Rundstäben, die ungleichmässig über ca. 180° um den durch die Halbzylinder 16 und 17 vorgegebenen Hohlraum angeordnet sind.

An dem äusseren Halbzylinder 16 ist parallel zu der besagten Verbindungsschiene 18 ein dritter Antrieb 29 angeordnet, dem ein Drehmoment-Sensor 28 vorgeschaltet und ein Encoder 30 für die dritte Achse nachgeschaltet ist. Die hier genannten Encoder für die verschiedenen Achsen dienen als Signalgeber für die Steuerelektronik zur Festlegung der Position und zur Rückkopplung und Steuerung der Antriebe. Der Drehmoment-Sensor 28 der dritten Achse misst das vom dritten Antrieb 29 gelieferte Drehmoment und ist vorteilhafterweise durch einen Dehnungsmessstreifen realisiert. Der dritte Antrieb 29 liefert das Drehmoment für eine interne und externe Schulterrotation, wie es noch in der Folge erläutert werden wird. Der dritte Encoder 30 misst die Position der dritten Achse, wobei es sich vorteilhafterweise um einen op- tischen Encoder handelt.

Die Verbindungsschiene 18 vom Oberarm zum Ellenbogen wird in den oberarmnahen Ellenbogen-Halbzylinder 22 gesteckt, an dem ein vierter Antrieb 32 mit einem Drehmoment-Sensor 33 für die vierte Achse sowie einem Encoder 31 für die vierte Achse angeordnet sind. Die Drehachse dieses Antriebs kreuzt mittig im rechten Winkel die Symmetrieachse des Oberarmrotations-Moduls. An dem handgelenknahen Halbzylinder 23 des Ellenbogens, der in den genannten oberarmnahen Ellenbogen-Halbzylinder 22 eingreift, ist noch die Unterarmmanschette 9 befestigt. Der oberarmnahe Halbzylinder 23 ist nun wieder über die Verbindungsschiene 19 und über den Drehmomentsensor 37 mit dem äusseren Halbzylinder 20 des Un- terarmrotations-Moduls verbunden.

Das Unterarmrotations-Modul besteht aus dem inneren Zylinder 21, der in dem äusseren Halbzylinder 20 rotiert und so die Pro- /Supination des Unterarms eines Patienten ermöglicht. Hierfür ist an dem äusseren Halbzylinder 20 ein fünfter Antrieb 35 vorgesehen, der zusammen mit einem Drehmomentsensor 36 der fünften Achse und einem fünften Encoder 34 eine Einheit bildet.

Das Drehmoment des fünften Antriebs 35 kann redundant sowohl mit dem Drehmomentsensor 36 wie auch mit dem Drehmomentsensor 37 ge- messen werden. Der Sensor 27 misst die Drehmomente der Antriebe 25, 26 und 29.

Die FIG. 3 zeigt nun ein zusammengebautes Ausführungsbeispiel eines Systems gemäss der Erfindung in einer schematischen Perspektivzeichnung. Der Linearantrieb 11 beinhaltet den ersten Antrieb 25, der die (nicht dargestellte) Kugelspindel antreibt, mit welcher der Ausleger 12 hoch und runter bewegt wird. Es ist aus FIG. 3 ersichtlich, dass durch den zweiten Antrieb 26 der äussere Zylinder 16 des Oberarmrotations-Moduls durch die gleichzeitige Höhenverstellung durch den Ausleger 12 in jeder beliebigen Orientierung und Höhe in Bezug auf die Position des Linearantriebs 11 und sonst auch in Bezug auf einen sitzenden Patienten geordnet werden kann. Dabei wird durch den dritten An- trieb 29 das Drehmoment für die interne und externe Schulter- Rotation geliefert. Dadurch dreht sich die Verbindungsschiene 18 zum Ellenbogengelenk mit, welche dann durch den dritten Antrieb 32 für die Flexion bzw. Extension des Ellbogens verdreht wird. Der mit der Manschette 9 gehaltene Unterarm wird mit der im Be- reich des Armgelenks vorgesehenen Handgelenksmanschette 8, welche über das Unterarmrotations-Modul 20/21 und die Unterarm- Verbindungsschiene 19 mit dem Ellbogen verbunden ist, für die Pro-/Supination des Unterarms vorbereitet, die durch den Antrieb 35 als Relativbewegung der Manschetten 8 und 9 zueinander be- wirkt werden kann. Das Unterarmrotations-Modul 20/21 ist, vorteilhafterweise etwas kleiner und leichter ausgelegt, ansonsten aber identisch zu dem Oberarmrotations-Modul 16/17 aufgebaut, so dass die Beschreibung zu den Fig. 5 bis 7 auch auf das Unterarmrotations-Modul 20/21 zutreffen ist.

FIG. 4 zeigt den in der FIG. 3 dargestellten Gegenstand von der gegenüberliegenden Seite und damit sehr gut die in der Ruhestellung seitlich offenen Rotations-Module 16/17 bzw. 20/21 bzw. 22/23. Es ist klar, dass auch bei beschränkter Beweglichkeit des Patienten 4 dieser einen Arm in leichter Weise seitlich in das System einlegen kann.

FIG. 5 zeigt nun eine ExplosionsZeichnung des Oberarm-Moduls. In gleicher Weise kann das Unterarmrotations-Modul verwirklicht sein, lediglich sind die Dimensionen vorteilhafterweise etwas kleiner und statt Schienen 18 oder Stützverbindungsösen 39 sind nun die Schiene 19 beziehungsweise die Aufnahme für die Schienen 18 vorgesehen. Beim Ellenbogen wird noch eine einfache Drehbewegung um eine Achse derselben über einen direkten Antrieb 32 ausgelöst.

Das Oberarmrotations-Modul besteht, wie gesagt, aus einem äusse- ren Halbzylinder 16 und einem inneren Halbzylinder 17. Der äus- sere Halbzylinder 16 besteht aus einer mittigen Halterungswand 42, auf der zwei Ösen 39 für die Befestigung der unteren Stützverbindung 15 vorgesehen sind. Die Halterungswand 42 positioniert die Aussenwände 41 bzw. 43 des Oberarmrotations-Moduls, die jeweils seitlich auf der Wand 42 aufgesetzt werden. Die mo~ torseitige Aussenwand des Oberarmrotations-Moduls ist mit einer Öffnung 38 für die Welle des Antriebs 29 versehen, der über den Kabelantriebs-Flansch 44 die (hier) drei Kabel 45, 46 und 47 antreibt. Der Kabelantriebs-Flansch kann beispielsweise ein mit Sandstrahl aufgerauter Aluminiumstift sein. Die Antriebskabel 45, 46 und 47 übertragen die Rotationsbewegung des Kabelan- triebs-Flanschs 44 auf den inneren Halbzylinder 17 des Oberarmrotations-Moduls.

Die Vorspannung des Kabels kann beispielsweise mit einer hier nicht dargestellten Stellschraube reguliert werden. Um ein möglichst grosses Untersetzungs-Verhältnis zu erreichen, werden mehrere, hier drei Kabel verwendet. Dadurch verteilt sich die Last auf diese drei Kabel und es können dünnere Kabel 45, 46 und 47 mit kleineren Biegungsradien verwendet werden. So kann ein grosseres UnterSetzungsverhältnis erreicht werden, welches sich aus dem Verhältnis zwischen Aussendurchmesser des inneren HaIb- zylinders 17 des Oberarmrotations-Moduls und dem Aussendurchmesser des Kabelantriebs-Flansche 44 errechnet. Der innere Halbzylinder 17 des Oberarmrotations-Moduls greift motorseitig, das heisst in der FIG. 5 links dargestellt, in das Kugellager ein, wie in FIG. 7 noch genauer zu erkennen ist. An dem inneren HaIb- zylinder 17 des Oberarmrotations-Moduls sind auf der distalen Seite Öffnungen zur Aufnahme der besagten Verbindungsschiene 18 vom Oberarm zum Ellbogen vorgesehen. Es ist klar, dass anstelle der stabführenden Verbindungsschiene 18 auch ein halb hohlzy- lindrisches Vollmaterial Verwendung finden kann, bei dem es sich auch um eine Fortführung des einseitig offenen Zylinders des Oberarmrotations-Moduls handeln kann.

Anstelle der hier gezeigten, auf der äusseren Oberfläche des inneren Zylinders 17 befestigten Kabel 45, 46, 47 können diese auch jeweils an der Innenwand des äusseren Zylinders 16 befestigt sein. Dann ist der Kabelantriebs-Flansch 44 an einem Antrieb befestigt, der an dem inneren Hohlzylinderteil 17 befestigt ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform können es auch zwei gegenüberliegende Paare von Kabeln (sozusagen zwei Hälften 46) sein, wobei beim Drehen des Flansches 44 in die eine Richtung das eine Kabel aufgewickelt wird und das diametral angeordnete Kabel abgewickelt; der Flansch 44 arbeitet dann als Rolle. Das in den Ausführungsbeispielen dargestellte Modul hat aber den Vorteil, dass der Draht einfacher in dem geringen Platzvolumen zwischen den Hohlzylinderteilen 16 und 17 geführt werden kann und nicht auf dem Flansch 44 in nachteiliger Weise aufgewickelt werden muss .

Bei einer anderen in den Zeichnungen nicht dargestellten Ausführungsform können die Kabel 45 bis 47 auch durch einen Keilriemen ersetzt werden. Der Keilriemen wird im Bereich der Enden des Hohlzylinders 17 befestigt. Der Keilriemen hat Noppen und wird um den Antriebsflansch geführt, welcher ebenfalls Noppen hat und einen spielfreien Kontakt mit dem Zahnriemen gewährleistet.

Schliesslich ist es prinzipiell auch möglich, eine auf dem Zylinder angeordnete gekrümmte Zahnstange vorzusehen, in die ein entsprechend angetriebenes Zahnrad oder Spindel eingreift.

FIG. 6 zeigt das Oberarmrotations-Modul von der offenen Seite. Es ist gut zu erkennen, dass die Manschette 10 am inneren Zylinder 17 befestigt ist, der seitlich von der motorseitigen Aussen- wand 41 und der distalen Aussenwand 42 gehalten wird.

Die hier gezeigten Vorrichtungen sind jeweils für das Training eines rechten Armes eines Benutzers 4 vorgesehen. Wenn die Öffnung der Manschette 8 des Oberarmrotations-Moduls nach unten gerichtet ist, ist nur ein Umstecken des Ellenbogenantriebs und gegebenenfalls des Unterarmrotations-Modul und ein Ersetzen des Handgriffs auf eine linke Hand notwendig. Bei einer seitlichen Öffnung der Manschette 8 des Oberarmrotations-Moduls kann alternativ auch das Oberarmrotations-Modul um 180 Grad längs der Oberarmachse rotiert werden.

FIG. 7 zeigt nun in einer teilweise demontierten perspektivi- sehen Ansicht des Oberarmrotations-Moduls eine genauere Sicht auf den Antrieb des inneren Halbzylinders. Fig. 8 zeigt schliesslich eine perspektivischen Unteransicht des Oberarmrotations-Moduls Die ersten, zweiten und dritten Antriebskabel 45, 46 und 47 sind an jeweiligen Ankerpunkten 51 eingespannt. Eine ähnliche Verankerung ist am gegenüberliegenden Ende des inneren HalbZylinders 17 vorgesehen. Die Kabel 45, 46 und 47 laufen dann über und um den Kabelantriebs-Flansch 44 herum zu der besagten zweiten Befestigung. Der Kabelantriebs-Flansch 44 ragt durch eine Lagerung in der distalen Aussenwand 43 des Oberarmrotations- Moduls und wird von der gegenüberliegenden Seite angetrieben.

In der schematischen Darstellung sind einige der insgesamt zehn inneren Kugellager 48 und der zehn äusseren Kugellager 49 dargestellt. Ferner bestehen zwölf seitliche Kugellager 50. Die seitlichen Kugellager 50 stehen in Kontakt mit der polierten Aussen- kante des inneren Halbzylinders 17. Dadurch führen sie den Halbzylinder 17. Je nach Position des inneren Halbzylinders 17 haben vier oder fünf Kugellager Kontakt. Die Kugellager 48 und 49 liegen auf dem äusseren Ende von Stahlstiften, wobei das andere Ende in die jeweilige Aussenwand 41 bzw. 43 des Oberarmrotati- ons-Moduls eingelassen und fixiert ist. Die Kugellager 50 werden ebenfalls von Stahlstiften gehalten. Dabei liegen die Kugellager in der Mitte der Stahlstifte, welche an den beiden Enden mittels Schrauben, welche senkrecht zum Stahlstift stehen, mit der jeweiligen Aussenwand 41 bzw. 42 des Oberarmrotations-Moduls verbunden werden. Dabei kommen die Stahlstifte parallel zur Aussenwand zu liegen. In der Aussenwand sind Einsparungen angebracht, so dass die Kugellager frei drehen können. Diese Kugellager 50 werden von Stahlstiften gehalten, welche auf der Innenseite der jeweiligen Aussenwand 41 bzw. 43 des Oberarmrotations-Moduls fixiert sind.

Dabei können durchaus übliche Typen von Kugellagern Verwendung finden. Diese Kugellager 50 bestimmen zusammen mit den inneren und äusseren Kugellagern 48 und 49 die Position des inneren Halbzylinders 17. Die Kugellager-Kombination schränkt die Bewe- gung des inneren Halbzylinders 17 auf eine Rotation um das Zentrum des Halbzylinders 17 ein. Bei dieser Rotation entsteht nun keine Gleitreibung sondern nur eine Rollreibung in den Kugellagern 48, 49 und 50. Die Kugellager 48 sind jeweils auf einem Stahlstift montiert, welcher auf der Aussenwand 41 bzw. 43 fixiert ist. Die Kugellager 49 sind dabei leicht verschoben zum inneren Kugellager 48 montiert. Beide Kugellager 48 und 49 sind innerhalb des Seitenschlitzes 52 des Halbzylinders 17 montiert, der in der Fig. 6 gut zu erkennen ist. Die inneren Kugellager 48 sind dabei in Kontakt mit der näher beim Zentrum liegenden Kante und die äusseren Kugellager 49 stehen in Kontakt mit der weiter vom Zentrum entfernten Kante des Schlitzes 52.

Es ist aus der Beschreibung klar erkennbar, dass das Rotations- Modul mit dem inneren 17 und äusseren 18 Halbzylinder statisch überbestimmt ist. Daher müssen die einzelnen Komponente mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Es können in anderen Ausgestaltungen der Erfindung auch weniger Kugellager Verwendung finden, so dass das System nicht überbestimmt ist, oder die Kugel- lager können federnd gelagert werden, sofern die Federkräfte grösser als die von aussen aufgeprägten Lagerlasten sind.

Der Begriff Halbzylinder bedeutet in diesem Zusammenhang hier nicht ein halber Zylinder, der einen Raumwinkel von 180 Grad ab- deckt. Der Begriff Halbzylinder bedeutet hier einen hohlen, einen im wesentlichen zylindrischen Mantel aufweisenden Rotationskörper, der einen Winkel zwischen 130 und 210 Grad abdeckt. Die Befestigung des Kabelzugs gestattet maximal eine Drehung über diesen Winkel abzüglich des Winkelbereichs, der für die Halte- rung der Kabel notwendig ist. Da dieser, abhängig von dem Modul Oberarm/Ellenbogen/Handgelenk unterschiedlich ist, kann ein Bewegungswinkel für eine Rotation im Bereich von ungefähr 110 bis 190 abgedeckt werden. Die Einheit kann auch als ein Hohlzylin- derteilelement bezeichnet werden.

Obwohl die hier beschriebenen Komponenten an Sensoren und Robo^¬ tik aus der Technologie der Industrieroboter dem Prinzip nach teilweise bekannt sind, sind die hier vorgestellten Merkmale von unterschiedlicher Tragweite, insbesondere da es für den Einsatz mit Patienten der Einhaltung medizinischer Regulatorien bedarf.

Die wesentlichsten Elemente der Lösung des Systems liegen darin, dass der distale Teil des Systems als Exoskelett aufgebaut ist. Der Arm des Patienten ist an genau drei Stellen mit körperverträglichen Manschetten 8, 9 und 10 mit dem System verbunden. Die in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beschriebene Version weist fünf aktuierte Freiheitsgrade (vier ohne aktuierte Unterarmmanschette) auf und ermöglicht die Flexion und die Extension des Ellenbogengelenks sowie räumliche Schulterbewegungen um drei Freiheitsgrade. Ferner steht die Pro-/Supination des Handgelenks 7 zur Verfügung.

Der Vorteil der Kugellager 48, 49 und 50 besteht nicht nur in der leichtgängigen und spielarmen Rotation des inneren Halbzylinders 17 im äusseren Halbzylinder 18, sondern auch im Auffangen der durch die Orthese entstehenden Kippmomente durch deren freie Bewegung im Raum mit entsprechenden langen Hebelarmen von der Mitte des Oberarms (Ösen 39) bis zur Befestigung im Bereich des Handgelenks 7, so dass im wesentlichen nur Rollreibung entsteht.

Es bestehen im wesentlichen zwei technische Möglichkeiten zur Herstellung des Innen- bzw. Aussenzylinders, 16/17; 20/21; 22/23, das heisst des zugrunde liegenden hohlen Rotationskörpers. Die eine Möglichkeit ist das Drehen eines VollZylinders, der nachher aufgeschnitten wird. Bei dem hier dargestellten Aus- führungsbeispiel ist der Rotationskörper dagegen aus einem Block ausgefräst worden, da sich der Rotationskörper beim Aufschneiden eines VollZylinders, nachdem er auf seine Dimensionen abgedreht worden ist, wegen möglichen Spannungen im ursprünglichen Alumi- niumblock in der Form verändern kann. Eine geeignete Fräsmaschine weist eine Genauigkeit von einem Mikron auf. Die optimale Breite der Nut 52 für die Kugellager wurde dann in kleinen Fräs- schritten angenähert.

Der Vorteil des Systems gemäss der Erfindung liegt darin, dass es die Schulter, angenähert durch drei rotatorische Freiheits- grade, und den Ellenbogen, angenähert durch einen rotatorischen Freiheitsgrad, uneingeschränkt und direkt bewegen kann. Ein weiterer Freiheitsgrad wird durch die Pro-/Supination des Unterarms bedingt. Das Ausführungsbeispiel gemäss der Erfindung weist eine kleine Trägheit, wenig Reibung und ein geringes Spiel auf. Die Aktuatoren sind vorteilhafterweise fähig, die Hand des Patienten 4 mit einer Tangentialgeschwindigkeit von bis zu 1 Meter pro Sekunde zu erreichen und dabei eine Beschleunigung von ungefähr der Erdbeschleunigung sowohl beim Beschleunigen als auch beim Bremsen ausüben zu können.

Der Linearantrieb 11 mit der ersten Achse und dem ersten Antrieb 25 erlaubt die Abduktion und die Adduktion der Schulter. Die Ro- tation der Schulter in der horizontalen Ebene wird mit einem zweiten Rotationsantrieb 26 realisiert. Dieser Antrieb 26 ist mit dem Schiff des Linearantriebs 11 direkt verbunden. Das Rotations-Modul weist einen dritten Antrieb 29 auf und erlaubt die interne und externe Schulterrotation, da es mit einer Manschette 10 mit dem Oberarm des Patienten 4 verbunden ist. Die Ellenbogen-Flexion und Ellenbogen-Extension wird mittels eines vierten Rotationsantriebs 32 gewährleistet, wobei eine Manschette 9 mit dem Ellenbogenbereich des Patienten 4 verbunden ist. Schliess- lieh wird die Pro-/Supination mittels eines fünften Rotationsantriebs 35 ermöglicht, wobei eine Manschette 8 mit dem Handgelenkbereich 7 des Patienten 4 verbunden ist.

Das System ist Dank den zwei nicht aktuierten Freiheitsgraden bei der Verbindung der Orthese mit dem Linear-Modul 11 nur in Kombination mit dem Patientenarm statisch bestimmt. Dadurch können Vorspannungen zwischen dem Roboter und dem Patientenarm wirksam ausgeschlossen werden.

Es können insbesondere zwei Regelungstypen vorgesehen werden. Es kann zum Beispiel eine beliebige freie Bewegung des Patientenarms erlaubt aufgenommen und gespeichert werden, wobei die jeweiligen Encoder der verschiedenen Antriebe die Achsenposition aufnehmen und in einer Speichereinheit abspeichern. Somit ist es möglich, durch direkte Ansteuerung der relevanten Antriebe, entsprechend der gespeicherten Encoder-Positionen, eine vorher durchgeführte Bewegung vollständig und identisch zu wiederholen. Ferner ist es möglich, durch Bewegung eines Patientenarms dessen bestehende Beweglichkeit aufzunehmen und als Grenzwert für ein Bewegungsprogramm abzuspeichern.

Es ist möglich, für jeden Benutzer eine sogenannte patientenkooperative Regelung vorzusehen. Bei einer solchen wird auf der Basis von Impedanz- und Admittanzmessungen die vorhandene Pati- entenwillkürmotorik sensorisch erfasst und bei der Bewegungsrechnung berücksichtigt. Dies bedeutet, dass die Anstrengung des Patienten, einer von der Steuerung vorgegebenen Bewegung zu folgen, dadurch Berücksichtigung findet, dass die entsprechenden Aktuatoren weniger stellen, also dem Benutzer weniger helfen, die Bewegung zu vollführen.

Für diese patientenkooperative Regelung werden die Sensorsignale der Positionssensoren und der Kraftsensoren ausgewertet. Durch die Datensignale der Sensoren ist es der Steuerelektronik möglich, eine Feedback-geführte Bewegung vorzusehen. Insbesondere ist es vorteilhaft, einen Bildschirm mit einer Darstellung eines Abbild des Armes des Patienten 4 vorzusehen, so das Start- und Zielpunkte einblendbar sind, um mit der Steuerelektronik die ausgelesenen Encodersignale in eine entsprechende Bildschirmdarstellung umzuformen.

Es ist klar, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an der Vorrichtung und an dem vorgeschlagenen durchzuführenden Verfahren vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den nachfolgenden Patentansprüchen niedergelegt ist.

Bezugszeichenliste

1 Stuhl

2 Roboterhalterung

3 Gegengewicht 4 Patient

5 Oberarm des Patienten

6 Unterarm des Patienten

7 Hand des Patienten

8 Handgelenkmanschette 9 Unterarmmanschette

10 Oberarmmanschette

11 Linearantrieb

12 Ausleger

13 obere Stützverbindung 14 Stützverbindung

15 untere Stützverbindung

16 äusserer Halbzylinder des Oberarmrotationsmoduls

17 innerer Halbzylinder des Oberarmrotationsmoduls 18 Verbindungsschiene Oberarm - Ellenbogen

19 Verbindungsschiene Ellenbogen - Unterarm

20 äusserer Halbzylinder des Unterarmrotationsmoduls

21 innerer Halbzylinder des Unterarmrotationsmoduls 22 oberarmnaher Halbzylinder des Ellbogenrotationsmoduls

23 handgelenknaher Halbzylinder des Ellbogenrotationsmoduls

25 Antriebsmodul mit erstem Antrieb

26 zweiter Antrieb

27 6-DOF-Kraftsensor 28 Drehmomentsensor der dritten Achse

29 dritter Antrieb

30 Encoder der dritten Achse

31 Encoder der vierten Achse

32 vierter Antrieb 33 Drehmomentsensor der vierten Achse

34 Encoder der fünften Achse

35 fünfter Antrieb

36 Drehmomentsensor der fünften Achse

37 weiterer Drehmomentsensor der fünften Achse 38 Öffnung

39 Öse

41 motorseitige Aussenwand des Oberarmrotationsmoduls

42 Seitenwand des Oberarmrotationsmoduls

43 distale Aussenwand des Oberarmrotationsmoduls 44 Kabelantriebsflansch

45 erstes Antriebskabel

46 zweites Antriebskabel

47 drittes Antriebskabel

48 inneres Kugellager 49 äusseres Kugellager

50 seitliches Kugellager

51 Ankerpunkt

52 Seitenschlitz

Claims

Patentansprüche

1. System für die Armtherapie mit einem mit der die Position eines Benutzers (4) bestimmenden Vorrichtung fest verbindbaren ersten Antrieb (11) , mit einer mit dem Arm eines Benutzers (4) zu verbindenden ersten Manschette (10) , wobei die erste Manschette (10) und der erste Antrieb (11) über mindestens ein Gelenk beweglich miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeich- net, dass die erste Manschette eine Oberarmmanschette (10) ist, die an einem inneren Teil (17) eines Oberarmrotationsmoduls (16, 17) befestigt ist, dass der erste Antrieb (11) und ein zweiter Antrieb (26) ausgestaltet und an einem äusseren Teil des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) angelenkt sind, um das Oberarmrota- tionsmodul (16, 17) im Raum eineindeutig zu positionieren, und dass ein dritter Rotationsantrieb (29) am Oberarmrotationsmodul

(16, 17) selber vorgesehen ist, um die besagte innen angeordnete

(17) , im geschlossenen Zustand im wesentlichen hohlzylindrische

Oberarmmanschette (10) um ihre Hauptachse relativ zum äusseren Teil (16) des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) zu drehen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Oberarmmanschette (10) befestigte innere Teil (17) des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) über erste Verbindungselemente (18) verfügt, mit denen es an einem oberarmnahen Teil (22) eines Ellenbogenrotationsmoduls (22, 23) befestigt ist, dass das Ellenbogenrotationsmodul (22, 23) über ein handgelenknahes Teil (23) verfügt, das mit einer Ellbogenmanschette (9) verbunden ist, wobei das oberarmnahe Teil (22) und das handgelenknahe Teil (23) über ein Gelenk miteinander einstellbar verbunden sind, dass die Gelenkachse mit der Ellenbogenachse eines einzulegenden Armes eines Benutzers (4) übereinstimmt, insbesondere dass diese Achse durch einen vierten Rotationsantrieb (32) angetrieben ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das handgelenknahe Teil (23) des Ellenbogenrotationsmoduls (22, 23) über zweite Verbindungselemente (19) verfügt, mit denen es an einem äusseren Teil (20) eines Handgelenkrotationsmoduls (20, 21) befestigt ist, dass das Handgelenkrotationsmodul (20, 21) über ein inneres Teil (21) verfügt, das mit einer Handgelenksmanschette (8) verbunden ist, wobei das äussere Teil (20) und das innere Teil (21) gegeneinander verdrehbar verbunden sind, insbesondere dass ein fünfter Rotationsantrieb (35) am Handgelenkrotationsmodul (20, 21) selber vorgesehen ist, um die besagte innen angeordnete (21) , im geschlossenen Zustand im wesentlichen hohlzylindrische Handgelenksmanschette (8) um ihre Hauptachse relativ zum äusseren Teil (21) des Handgelenkrotationsmo- duls (20, 21) zu drehen.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Antriebe (11, 26, 29, 32, 35) jeweils über einen die Achsenlage der Antriebe (11, 26, 29, 32, 35) bestimmenden Signalgeber (--,27, 28, 30, 31, 34) verfügen.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Rotationsmodule (16, 17; 20, 21; 22, 23) eine seitliche Öffnung in einer Grosse aufweisen, dass der zugeordnete Armteil eines Benutzers (4) von der Seite in die entsprechende Manschette (10, 9, 8) einlegbar ist.

6. Rotationsmodul (16, 17; 20, 21) für ein System für die Armtherapie mit einem inneren Hohlzylinderelementteil (17; 21) , der mit einer entsprechend zugeordneten Manschette (10; 8) verbunden ist, und mit einem äusseren Hohlzylinderelementteil (16; 20) , wobei an einem der beiden Teile (16 oder 17) in einem Win- kelabstand voneinander mindestens ein Kabel (45, 46, 47) , ein Keilriemen oder ein Zahnkranz fixiert ist, welches zwischen der inneren Oberfläche des äusseren Hohlzylinderelementteils (16; 20) und der äusseren Oberfläche des inneren Hohlzylinderelement- teils (17; 21) um einen Antriebsstrang (44) geführt wird oder mit einem Zahnrad im Eingriff steht, um die im geschlossenen Zustand im wesentlichen hohlzylindrische Manschette (10; 8) um ihre Hauptachse relativ zum äusseren Teil (16; 21) des Rotations- moduls (16, 17; 20, 21) zu drehen.

7. Rotationsmodul (16, 17; 20, 21) für ein System für die Armtherapie mit einem inneren Hohlzylinderelementteil (17; 21) , der mit einer entsprechend zugeordneten Manschette (10; 8) verbunden ist, und mit einem äusseren Hohlzylinderelementteil (16; 20) , wobei das innere Hohlzylinderelementteil (17; 21) in zwei seitlichen Führungen (52) von dem äusseren Hohlzylinderelementteil (16; 20) zuzurechenden Abschlussstücken (41, 43) geführt wird, wobei die Führung (52) über entsprechende Radialkugellager (48, 49) verfügt und wobei weiterhin vorzugsweise seitliche Ra- dialkugellager (50) zum Abstützen des inneren Hohlzylinderelementteils (17; 21) gegen die Abschlusstücke (41, 43) vorgesehen sind.

8. Rotationsmodul (16, 17; 20, 21) nach Anspruch 6 oder An- spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es eine seitliche Öffnung in einer Grösse aufweist, dass der zugeordnete Armteil eines Benutzers (4) von der Seite in die entsprechende Manschette (10; 8) einlegbar ist.

9. Verfahren für die Armtherapie mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das System über eine Manschette (10) verfügt, die an einem inneren Teil (17) eines Oberarmrotationsmoduls (16, 17) befestigt ist, wobei ein erster Antrieb (11) und ein zweiter Antrieb (26) an einem äusseren Teil des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) angelenkt und mit einer Ansteuerelektronik verbunden sind, um mit von dieser erzeugten Steuersignalen das Oberarmrotationsmodul (16, 17) im Raum eineindeutig zu positionieren, und wobei ein dritter Rotationsantrieb (29) am Oberarmrotationsmodul (16, 17) selber vorgesehen ist, um mit von diesem erzeugten Steuersignalen die besagte innen angeordnete

(17) , im geschlossenen Zustand im wesentlichen hohlzylindrische Oberarmmanschette (10) um ihre Hauptachse relativ zum äusseren Teil (16) des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) zu drehen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ellenbogenrotationsmodul (22, 23) über erste Verbindungselemente (18) mit dem Oberarmrotationsmodul (16, 17) verbunden ist, dass ein vierter Rotationsantrieb (32) am Ellenbogenrotationsmodul (22, 23) selber vorgesehen und mit einer Ansteuerelektronik verbunden ist, um mit von diesem erzeugten Steuersignalen die Ellbogenmanschette (9) quer zu ihrer Hauptachse relativ zur Achse des Oberarmrotationsmoduls (16, 17) zu drehen, und dass das handgelenknahe Teil (23) des Ellenbogenrotationsmoduls (22, 23) über zweite Verbindungselemente (19) verfügt, mit denen es an einem äusseren Teil (20) eines Handgelenkrotationsmoduls (20, 21) befestigt ist, dass das Handgelenkrotationsmodul (20, 21) über ein inneres Teil (21) verfügt, das mit einer Handgelenks- manschette (8) verbunden ist, wobei das äussere Teil (20) und das innere Teil (21) dieser Manschette (8) gegeneinander verdrehbar verbunden sind, und dass ein fünfter Rotationsantrieb

(35) am Handgelenkrotationsmodul (20, 21) selber vorgesehen und mit einer Ansteuerelektronik verbunden ist, um mit von diesem erzeugten Steuersignalen die besagte innen angeordnete (21) , im geschlossenen Zustand im wesentlichen hohlzylindrische Handgelenksmanschette (8) um ihre Hauptachse relativ zum äusseren Teil (21) des Handgelenkrotationsmoduls (20, 21) zu drehen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den Antrieben (11, 26, 29, 32, 35) Signalgeber (--,27, 28, 30, 31, 34) zugeordnet sind, mit denen Positions-, Winkel- und Kraft- sowie Drehmomentssignale an die Steuerelektronik übermittelbar sind, um repetitive Bewegungen zu definieren, diese aufzunehmen oder entsprechende Steuersignale für die Antriebe zu erzeugen.