WO2010051798A1

WO2010051798A1 - Fingerelement

Info

Publication number: WO2010051798A1
Application number: PCT/DE2009/001537
Authority: WO
Inventors: Stefan Schulz
Original assignee: Stefan Schulz
Priority date: 2008-11-08
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2010-05-14
Also published as: EP2364129B1; DE102008056520A1; DE102008056520B4; US8491666B2; EP2364129A1; US20120109337A1

Abstract

Fingerelement, umfassend eine Trägerkomponente (1), ein erstes Fingerglied (5) mit einer ersten Gelenkverbindung (2) zur Trägerkomponente, ein zweites Fingerglied (6) mit einer zweiten Gelenkverbindung (7) zum ersten Fingerglied, einen Stellantrieb für die erste Gelenkverbindung (2) mit Motor mit Antriebswelle und Schneckengetriebe mit einer Gewindeschnecke und einem auf die Gewindeschnecke eingreifenden Zahnsegment sowie einen Kopplungsmechanismus (8) zwischen ersten und zweiten Gelenkverbindung. Die Aufgabe liegt darin, ein Fingerelement so zu modifizieren, dass das Fingerelement in seiner aktiven und passiven Funktion sowie in seinen Abmessungen einem natürlichen Finger sehr nahe kommt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Gewindeschnecke auf der Antriebswelle axial bewegbar formschlüssig gelagert sowie axial durch separate Führungen geführt ist.

Description

Fingereiement

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Fingerelement gemäß des ersten Patentanspruchs. Es dient als autarkes Element fύr^den Einsatz als künstliche Einzelfingerprothese oder als Komponente einer künstlichen Hand- oder Armprothese.

Es gibt künstliche Fingerelemente als integrale Bestandteile von Hand- oder Armprothesen eingesetzt sind. Sie orientieren sich in ihrer Form und ihrer Beweglichkeit an einen Finger.

Aus der DB 309 367 ist bereits aus der Zeit des ersten Weltkriegs Handprothesen mit mehrgliedrigen gegeneinander wirkenden Daumen- und Zeigefingerelementen bekannt. Die einzelnen Fingergelenke werden über ein Getriebe mit Zahnbogen und Gewindeschnecken positioniert, wobei der Antrieb über Seilzüge und Hebelmechanismen aus der Handfläche heraus erfolgt. Ein motorischer Antrieb ist nicht vorgesehen, ebenso eine individuelle Bewegbarkeit einzelner Finger.

Auch die DE 323 970 von 1919 offenbart einen derartigen Schwenkmechanismus für ein Fingerglied.

Handprothesen mit einem motorischen Schwenkantrieb für zwei Finger gegeneinander offenbaren beispielsweise DE 26 07 499 C3 und US 4.094.016. Ein Getriebemotor als Stellelement befindet sich in diesen Konzepten im Handflächenbereich der Prothese.

Die genannten Systeme umfassen jedoch keine autark angetriebene Fingerelemente, wobei alle für den Betrieb erforderlichen Stellelemente im Fingerelement enthalten sind. Die Antriebe sind bei diesen Systemen außerhalb der Fingerelemente angeordnet. Sie eignen sich daher konzeptionell nicht für einen Einsatz als Einzelfingerprothese. Auch ein Einsatz als Komponente in einem Prothesen-Baukastensystem wird hierdurch wesentlich eingeschränkt .

Dagegen offenbaren die DE 698 16 848 T2 sowie DE 198 54 762 C2 je ein Fingerelement mit je einem motorischen Schwenkantrieb mit Gewindeschnecke und Zahnrad pro Gelenk. Die Motoren sind direkt in den Fingergliedern untergebracht.

Bei diesen Fingerelementen ist jedoch das Schneckenrad fest mit der Motorwelle verbunden, sodass bei einer Belastung des Fingerelements hohe Kräfte auf den Motor einwirken können. Ein vorzeitiger Getriebe- oder Motorschaden sowie ein Blockieren des Schneckenantriebes unter Last wird damit begünstigt.

Konstruktionen wie z.B. in DE 319 092 A und DS 2005 0021154 Al beschrieben, bei denen die Bewegung der distalen Fingerglieder über steife praktisch nicht nachgiebige Schub- und Zugstangen erreicht werden soll, wirken meist unrealistisch roboterhaft und eignen sich insbesondere nicht für sensible Greifaufgaben. Auch ist hierbei mit vorzeitigen Überlastungssymptomen zu rechnen.

In der WO 2007/063266 Al wird dagegen ein Prothesenhand mit beweglichen Fingerelementen beschrieben, bei der eine Entkopplung von Motorwelle und Gewindeschnecke über eine dazwischen angeordnete Kegelzahnradübersetzung mit einer Umlenkung der Drehbewegung um etwa einen rechten Winkel realisiert wird.

Mit dem letztgenannten Konzept erhält man zwar eine mechanische Teilentkopplung von Schneckenrad und Motorwelle und damit eine mechanische Entlastung der letztgenannten, allerdings in Verbindung mit zusätzlichen Komponenten und/oder einem größeren Bauvolumen. Letzteres schränkt den Einsatz als Einzelfingerprothese insbesondere für den Ersatz kleinerer Finger aus ästhetischen Gründen wesentlich ein. Davon ausgehend liegt die Aufgabe der Erfindung darin, ein Fingerelement so zu modifizieren, dass es grundsätzlich als autarkes Element, d.h. auch als Einzelfingerprothese einsetzbar ist. Insbesondere soll das Fingereleraent in seiner aktiven und passiven Funktion sowie in seinen Abmessungen einem natürlichen Finger, vor allem auch kleinerer Finger sehr nahe kommen und dabei eine hohe Lebensdauer aufweisen.

Die Aufgabe wird mit einem Fingerelement mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Auf diesen rückbezogene Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Fingerelements wieder.

Die Aufgabe wird mit einem Fingerelement mit einer Trägerkomponente, ein an dieses über eine erste Gelenkverbindung gelenkig angebundenes erstes Fingerglied sowie ein an letzteres über eine zweite Gelenkverbindung gelenkig angebundenes zweites Fingerglied gelöst. Ferner ist ein Stellantrieb für die erste Gelenkverbindung vorgesehen. Dieser umfasst einen Motor mit oder ohne eine integrierte Getriebeübersetzung zu einer Antriebswelle. Die Antriebswelle treibt eine Gewindeschnecke eines vorteilhaft selbsthemmenden Schneckengetriebes an, die wiederum in ein Zahnsegment eingreift und dieses synchron der Drehbewegung der Motorwelle bewegt. Zudem umfasst das Fingerelement einen Kopplungsmechanismus zwischen ersten und zweiten Gelenkverbindung .

Das Zahnsegment ist vorzugsweise ein Teil eines Zahnrads oder eines Zahnradsegments um eine Zahnradachse, die vorzugsweise gleichzeitig mit der Schwenkachse der ersten Gelenkverbindung zusammenfällt. Die Erfindung umfasst grundsätzlich auch ein Zahnsegment als Teil einer Zahnstange, die beweglich in einem Abstand zur Schwenkachse im Fingereleraent angreifend gelagert ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung umfasst eine Entkopplung von Motorwelle und Gewindeschnecke in axialer Richtung zur Motorwelle. Die GewindeSchnecke ist vorzugsweise auf die Motorwelle aufgesetzt und ist in ümdrehungsrichtung mit ihr formschlüssig, z.B. über eine Verzahnung oder eine Nutverbindung gekoppelt. Eine axiale Beweglichkeit der Motorwelle in der Gewindeschnecke muss dabei sichergestellt sein.

Als axiale Führung der Gewindeschnecke dient somit nicht der Motor über die Motorwelle, sondern separate Führungen. Sie sind vorzugsweise als Gleitführungen an beiden Stirnseiten der Gewindeschnecke angeordnet .

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Führungen und die GewindeSchnecken zu einer Baugruppe zusammenzufassen. Beispielsweise werden die beiden Führungen durch einen starren, bevorzugt einstückigen Rahmen gebildet, in den die Schnecke mit einem geringen Axialspiel eingesetzt ist.

Wird diese Baugruppe als Einheit und/oder das Zahnsegment zudem elastisch nachgiebig in das Fingerelement eingesetzt, entsteht durch diese eine elastische Biegenachgiebigkeit des Fingerelements um die Gelenkverbindung, die einer funktionale Nachbildung eines natürlichen Fingers nahe kommt. Die genannte Baugruppe wird hierzu vorzugsweise in eine elastomere Halte- rung im Fingerelement eingesetzt, die eine Nachgiebigkeit der Baugruppe in laterale und/oder rotatorische Freiheitsgrade ermöglicht. Das Zahnsegment, das Zahnradsegment oder das Zahnrad ist vorzugsweise frei drehend auf der Schwenkachse gelagert und wird dabei über eine elastomere Elemente elastisch in seiner Drehbewegung gehemmt.

Zur Sicherstellung eines gleich bleibenden Spiels zwischen Gewindeschnecke und Zahnsegment ist vorzugsweise ein Abstands- halter zwischen Schwenkachse und der vorgenannten Baugruppe vorgesehen. Dieser ist vorzugsweise drehbar auf der Schwenkachse gelagert und mit der Drehachse der GewindeSchnecke verbunden. Beispielsweise ist hierzu die Gewindeschnecke in den Führungen nicht nur axial, sondern auch radial gelagert, während der Abstandshalter fix mit den Führungen verbunden ist.

Im Falle einer elastischen Nachgiebigkeit der Baugruppe und damit der Gewindeschnecke relativ zu Motor ist die formschlüssige Lagerung der Gewindeschnecke auf der Motorwelle als eine schwenkbare Drehkupplung vorzusehen, beispielsweise als Gelenkwellenkupplung z.B. mit umlaufenden und in Vertiefungen in der Motorwelle und Innenbohrung der Gewindeschnecke eingreifende Festkörper, z.B. Kugeln eines Kugelrings.

Der Kopplungsmechanismus umfasst vorzugsweise mindestens eine elastische Verbindung z.B. als Zug- und Schubstange zwischen Trägerkomponente und zweitem Fingerglied parallel geschaltet zum ersten Fingerglied. Er besteht weiter bevorzugt aus einer oder zwei FederStabverbindungen (z.B. Federdraht oder Federblech) , die exzentrisch zu den Schwenkachsen der ersten und zweiten Gelenkverbindungen an der jeweils benachbarten Trägerkomponente bzw. zweiten Fingerglied angreifen. Für die Nachbildung von Eigenschaften einer natürlichen Hand, d.h. mit einer elastischen Nachgiebigkeit mit vorzugsweise anfänglicher progressiver Federcharakteristik hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Drahtverbindungen gebogen oder geknickt zu gestalten. Es entspricht der Mechanik eines natürlichen Fingers, wenn die Zug- und Schubstange in Schließrichtung (z.B. beim Greifen) auf Zug beansprucht ist und damit nicht nur größere Kräfte übertragen kann, sondern auch eine stärkere Progression in der Federcharakteristik aufweist (eine Krümmung oder Knick in einer FederStabverbindung zieht sich bei Zugbelastung gerade und wird damit steifer, im Gegensatz zu einer Belastung unter Druck) . Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit den folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. Ia bis c jeweils eine seitliche Ansicht einer Ausführungsform in gestreckter (a) sowie in zwei gebeugten (b, c) Stellungen,

Fig.2 eine prinzipielle Schnittdarstellung der Ausführungsform in gestreckter Stellung,

Fig.3a und b jeweils eine Ansicht einer Handprothese, ausgestattet mit Fingerelementen sowie

Fig.4a bis d jeweils eine Ansicht einer Ausführungsform als Daumenelement in verschiedenen Stellungen.

Die dargestellten Ausführungsformen des Fingerelements umfassen eine jeweils eine Trägerkomponente 1 mit einer ersten Gelenkachse 2 und Zahnradsegment 3 mit mehreren Zahnsegmenten 4. Die Trägerkomponente 1 weist nicht weiter dargestellte Mittel wie Montagebohrungen für die Befestigung des Fingerelements z.B. an eine Handprothese {vgl. Fig.3a und b) auf. Die erste Gelenkachse 2 dient zugleich als Lagerung des Zahnradsegments und als Schwenkachse für das erste Fingerglied 5. Das erste Fingerglied ist wiederum über eine zweite Gelenkverbindung mit einem zweiten Fingerglied 6 verbunden, wobei die zweite Gelenkachse 7 die Schwenkachse für das zweite Fingerglied bildet. Die Schwenkbewegung vom erstem und zweiten Fingerglied um die jeweiligen Schwenkachsen sind über einen Kopplungsmechanismus gekoppelt (vgl. Fig. Ia bis c und Fig.4a bis d) . Dieser umfasst in den Ausführungsbeispielen zwei parallel zueinander beidseitig des ersten Fingerglieds 5 angeordnete elastische Federstabverbindungen 8, die jeweils an der Trägerkomponente und an dem zweiten Fingerglied drehbar in je einer Lagerboh- rung 9 und bzw. 10 exzentrisch zu der ersten bzw. zweiten Gelenkachse 2 bzw. 7 eingesetzt eingreifen.

Fig.2 zeigt einen Querschnitt durch ein Fingerelement. Ein motorischer Antrieb 11 für eine direkt auf die Antriebswelle 12 aufgesetzte Gewindeschnecke 13 befindet sich im Innern des rohrfόrraigen ersten Fingerglieds 5. Die Gewindeschnecke ist über eine nicht näher dargestellte Feder-Nut-Verbindung in ümdrehungsrichtung formschlüssig miteinander gekoppelt, axial aber verschiebbar auf der Antriebsachse aufgeschoben. Die Gewindeschnecke ist im Ausführungsbeispiel in radialer Richtung auf der Antriebswelle geführt, wird aber in ihrer axiale Verschiebbarkeit durch zwei Führungen 14 vorzugsweise spielfrei begrenzt. Die Materialien für die Gewindeschnecke weisen zu den Materialien der Führungen vorzugsweise einen geringen Gleitreibungskoeffizienten sowie hohe abrasive Beständigkeiten auf. Beispielsweise ist die Gewindeschnecke wegen der zu erwartenden hohen Belastung des Stellantriebs aus Messing oder Stahl, die Führungen aus einem bevorzugt trocken schmierenden Gleitlagerbuchsenmaterial wie einem PTFE-Material oder einer Gleitlagerbronze gefertigt.

Der Antrieb 11 umfasst zumindest einen elektrischen Motor als Stellelement, optional auch eine Getriebeeinheit und/oder für einen Einsatz z.B. als autarke Fingerprothese eine elektrische Spannungsquelle sowie eine Steuerelektronik {Batterie, Akku etc.), wobei insbesondere die letztgenannten Komponenten sich auch im Kern 15 des zweiten Fingerglieds 6 anordnen lassen.

Das zweite Fingerglied 6 umfasst zudem eine elastische Fingerkuppe 18 vorzugsweise aus einem Elastomer sowie einen auf eine Gleitfläche 17 (vorzugsweise ein einsetzbares Deckelelement z.B. aus Kunststoff) des ersten Fingerglieds 5 wirkenden Abstreifer 16. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen einen optionalen taktilen Sensor in die Fingerkuppe 18 und/oder in den Kern 15 zu integrieren und/oder Dehnmessstreifen auf eines der Pingerglieder zu befestigen, der bzw. die ein taktiles Signal direkt in die Steuerelektronik (vorzugsweise dann im Kern angeordnet) weiterleitet. Das taktile Signal dient vorzugsweise einer sensiblen Erkennung der angreifenden Kraft und einer taktilen Rückmeldung einer Greifkraft an den Prothesenträger (Kraftrückkop- plung) alternativ oder zusätzlich zur Stromaufnahme des motorischen Antriebs und damit der Kraftbegrenzung bei der Bewegungssteuerung .

Fig.3a und b geben eine Handprothese mit drehbarer Anbindungs- komponente 20, Handflächenelement 19 (Fig.4a) und mehreren Fingerelementen in der beschriebenen Ausführungsform aus zwei Perspektiven wieder. Sämtliche Fingerelemente sind über die Trägerkomponente an das Handflächenelement 19 befestigt. Zeige-, Mittel- und Ringfingerelement sind dabei starr an eine elastische Aufnahme 21 (Fig.4b) angebunden, während für die Aufnahme des Daumenelements 24 eine separate Fingerelementaufnahme 22 mit einem zusätzlichen aktiv angetriebenen sowie elastisch um eine Mittelstellung federnden Gelenk vorgesehen sind. Auch das kleine Fingerelement 25 weist eine eigene elastisch nachgiebige Fingerelementaufnahme 23 auf.

Ein Daumenelement 24 mit der dazugehörigen Fingerelementaufnahme 22 ist zudem in Fig.4a bis d in verschiedenen Stellungen im Detail dargestellt. Fig.4a und b geben dabei Stellungen mit gestreckter Fingereleraentaufnähme 22 wieder, während Fig.4c und d jeweils eine abgewinkelte Stellung der Fingerelementaufnahme zeigen. Die Fingerelementaufnahme weist hierzu eine motorisch angetriebene Gelenkverbindung auf, die vorzugsweise einer ersten Gelenkverbindung zwischen Trägerkomponente 1 und erstem Fingerglied 5 konzeptionell entspricht. Die Gelenkverbindung 22 in der dargestellten Ausführungsform umfasst folg- lieh ein eigenes Antriebsgehäuse 26 (entsprechend dem ersten Fingerglied) mit einem motorischen Antrieb mit Gewindeschnecke und Zahnradsegment 27 um eine Schwenkachse 28 sowie eine An- bindungsplattform 29 für die Trägerkomponenten 1 des Daumen- elements 25 (vgl. Fig.4a) .

Die Konzeption der Fingerelemente in den dargestellten Ausfüh- rungsforraen lässt eine Anpassung an die jeweilige Verwendung allein durch einen Austausch der Fingerkuppe 18 und für einen Einsatz in einer Handprothese des Handflächenelement 19 sowie der elastischen Aufnahme 21 zu. Zudem sind die Fingerelement- aufnahmen 22 und 25 gem. Fig.3a und b sowie 4a bis d ausschließlich mit Komponenten des Fingerelements gefertigt. Das Antriebsgehäuse 26 ist mit allen Einbauteilen vorzugsweise baugleich mit dem ersten Fingerglied 5, die Anbindungspattform 28 mit der Trägerkomponente 1. Dies begünstigt eine Standardisierung der Komponenten oder ganzer Baugruppen, was wiederum eine wirtschaftliche Fertigung und Lagerhaltung sowie eine Anpassung auf individuelle Bedürfnisse des Prothesenträgers signifikant begünstigt.

Nicht in den Figuren dargestellt ist eine optische Verkleidung des Fingerelements oder der gesamten Handprothese z.B. mit einem Handschuh. Ein bevorzugter Handschuh aus einem elastomeren Material wie z.B. aus Silikonkautschuk hat gegenüber einem textilen oder ledernen Handschuh nicht nur optische Vorteile, sondern bietet einen besseren Schutz gegenüber Verschmutzungen. Bezugszeichenliste

1 Trägerkomponente

2 erste Gelenkachse

3 Zahnradsegment

4 Zahnsegment

5 erstes Fingerglied

6 zweites Fingerglied

7 zweite Gelenkachse

8 Federstabverbindungen

9 Lagerbohrung an der Trägerkomponente

10 Lagerbohrung an zweitem Fingerglied

11 motorischer Antrieb

12 Antriebswelle

13 Gewindeschnecke

14 Führung

15 Kern

16 Abstreifer

17 Gleitfläche

18 Fingerkuppe

19 Handflächenelement

20 Anbindungskomponente

21 elastische Aufnahme

22 Fingerelementaufnahme für Daumenelement

23 Fingerelementaufnahme für kleine Fingerelement

24 Daumenelement

25 kleines Fingerelement

26 Antriebsgehäuse

27 Zahnradsegment

28 Schwenkachse

29 Anbindungsplattform

Claims

Patentansprüche;

1. Fingerelement, umfassend a) eine Trägerkomponente (1) , b) ein erstes Fingerglied (5) mit einer ersten Gelenkverbindung (2) zur Trägerkomponente, c) ein zweites Fingerglied (6) mit einer zweiten Gelenkverbindung (7) zum ersten Fingerglied, d) einen Stellantrieb für die. erste Gelenkverbindung (2) mit Motor (11) mit Antriebswelle (12) und Schneckengetriebe mit einer Gewindeschnecke (13) und einem auf die Gewindeschnecke eingreifenden Zahnsegment (4) sowie e) einen Kopplungsmechanismus (8) zwischen ersten und zweiten Gelenkverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass f) die GewindeSchnecke auf der Antriebswelle axial bewegbar foπnschlüssig gelagert sowie axial durch separate Führungen (14) geführt ist.

2. Fingerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor und die Gewindeschnecke (13) sowie die Führungen (14) im ersten Fingerglied (5) angeordnet sind und das Zahnsegment (4) mit der Trägerkomponente (1) verbunden ist.

3. Fingerelement nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnsegment (4) durch ein Zahnradsegment (3) mit einer Zahnradachse gebildet wird, wobei die Zahnradachse eine Schwenkrichtung der ersten Gelenkverbindung vorgibt.

4. Fingerelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungen (14) und die Gewindeschnecke (13) zu einer Baugruppe zusammengefasst im ersten Fingerglied (5) eingesetzt ist.

5. Fingerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe elastisch eingesetzt ist.

6. Fingerelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindeschnecke (13) radial zum Zahnsegment (4) in den Führungen (14) gelagert ist.

7. Fingerelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungsmechanismus mindestens eine elastische Verbindung (8) zwischen Trägerkomponente (1) und zweitem Fingerglied (6) parallel geschaltet zum ersten Fingerglied (5) aufweist.

8. Fingerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine oder zwei Federstabverbindungen (8) als Zug-Druckstangen umfasst.

9. Fingerelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das zweite Fingerglied eine austauschbare Fingerkuppe (18) aufweist.

10. Fingerelement nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Fingerglied einen taktilen Sensor oder einen Dehnungsmess- streifen zur Erfassung taktiler Signale umfasst.

11. Fingerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federstabverbindungen gebogen oder geknickt sind.