WO2015144705A1

WO2015144705A1 - Vorrichtung zur unterstützung von greiffunktionen einer hand und zum training von greiffunktionen

Info

Publication number: WO2015144705A1
Application number: PCT/EP2015/056258
Authority: WO
Inventors: Patrick Weiss; Matteo LASAGNI
Original assignee: Institut Für Technische Informatik Universität Zu Lübeck
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2015-10-01
Also published as: DE102014004508A1

Abstract

Die Vorrichtung ist zur Unterstützung von Bewegungen von zwei oder mehr Fingern einer Hand und zur Verwendung für das kontrollierte Training von Greiffunktionen einzelner Finger vorgesehen. Dazu weist die Vorrichtung einen Motor (2) auf,der zur Leistungsübertragung auf ein Verteilergetriebe (1) eingerichtet ist. Weiter ist das Verteilergetriebe als ein sogenanntes Differentialgetriebe ausgebildet und weist eine Antriebswelle und zwei voneinander unabhängig bewegbare Abtriebswellen auf. Jede der Abtriebswellen ist mit jeweils einer Spindel verbunden, die Körpergliedmaße sind mittels Verbindungselementen mit den Spindeln verbindbar.

Description

Vorrichtung zur Unterstützung von Greiffunktionen einer Hand und zum Training von Greiffunktionen

Beschreibung

Hiermit wird der gesamte Inhalt der Prioritätsanmeldung DE 10 2014 004 508.0 durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterstützung von Greiffunktionen einer Hand und zum Training/Üben von Greiffunktionen einzelner Finger.

Das wesentliche Einsatzgebiet für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die eines unterstützenden, technischen Hilfsmittels bei Patienten mit Störungen der Greiffunktion an der Hand, die z.B. durch einen Schlaganfall ausgelöst werden. Statistische Studien (aus 2005) haben ergeben, dass jedes Jahr allein in Deutschland ca. 250.000 Menschen einen Schlaganfall erleiden. Die Auswirkungen auf den Körper sind je nach Ort des Schlaganfalls unterschiedlich, wobei zu den häufigsten bleibenden Folgen eine Störung der Handfunktion gehört.

Durch die zentrale Rolle der Hand mit ihren 14 Griffarten ist eine Kombination von Präzisionsgriffen und/oder Kraftgriffen möglich, ohne dabei die Beweglichkeit einzelner Finger einzuschränken, mit der gleichzeitigen Fähigkeit, die Griffkräfte an das zu ergreifende Objekt und die Anforderungen der Greifaufgabe anpassen zu können. Eine Einschränkung oder gar der Wegfall dieser Funktionalität bedeutet einen großen Verlust an Lebensqualität und eine spürbare Beeinträchtigung des täglichen Lebens. Meist ist eine langwierige Rehabilitation notwendig, um die Funktionsstörungen zumindest zu reduzieren. Derartige Rehabilitationsmaßnahmen werden in der Regel durch Therapeuten ohne Unterstützung technischer Hilfsmittel durchgeführt.

Im Stand der Technik sind aber auch mechanische beziehungsweise passive Systeme bis zu komplexen, aufwendig konstruierten robotischen Systemen bekannt, mit denen die Greiffunktionen der Hand trainiert werden können.

Ein Beispiel für ein einfaches mechanisches System zeigt die DE 10 201 1 009 399 A1 mit einer Vorrichtung zur Bewegungstherapie, die eine leicht verschiebbare Handauflage auf einer Unterlage rollen oder gleiten lässt, wenn die Bewegung der Hand trainiert wird.

Ein weiteres Beispiel für ein mechanisches System zeigt eine Armschiene der Firma Saebo, die unter der Bezeichnung SaeboFlex bekannt ist (vgl. internet Firmenschrift Saebo: 19 Years Ago A Stroke Paralyzed My Hand, 30.01.2009, 2725 Water Ridge Parkway, Charlotte, NC 28217, http://www.saebo.com/pdf/SaeboOrthosisFinal0408.pdf). Das mechanische System nutzt einzelne Federn für jeden Finger, die an den Benutzer angepasst werden müssen.

Es sind auch reine Messsysteme zur Bestimmung der Schwere der Beeinträchtigungen und zur Protokollierung des Fortschritts bekannt.

Weiter sind Systeme zur Beweglichkeits- und Gelenkwinkelbestimmung der oberen und unteren Extremitäten sowie zur Messung der Greifkraft einer Hand bekannt (vgl. http://www.orthoaktiv.de/index. php?page=hand). Diese Systeme werden jedoch zur Dokumentation eines Status eingesetzt und ermöglichen kein Rehabilitationstraining. - -

Das unter dem Namen Cybergrasp bekannte System, das für haptische

Anwendungen entwickelt wurde, jedoch auch für die Schlaganfallrehabilitation eingesetzt wird, gehört zur Gruppe der bekannten komplexen, aufwendig konstruierten robotischen Systeme mit unabhängiger Motorisierung der einzelnen Finger, die damit eine individuelle Kraftaufbringung erlaubt, die gezielt einzelne Finger stärkt (vgl. Firmenschrift CyberGlove Systems: CyberGrasp System v2.0 User Guide, 12/2007, CyberGlove Systems LLC, 2355 Paragon Drive, San Jose, CA 05131 ,

http://www.upc.edu/sct/es/documents_equipament/d_184_id-485.pdf).

Ein ähnliches komplexes und aufwendig konstruiertes robotisches System zeigt die Schrift EP 2 436 358 A1 mit einen roboterartigen Greifarm, bei dem für jeden Finger einer Hand ein einzelnes motorgetriebenes Scharniergelenk aufgesetzt wird, um ein Rehabilitationsverfahren zu unterstützen. Derartige Systeme sind durch die Verwendung von jeweils einzelnen motorgestützten Einheiten für jeden einzelnen Finger einer Hand und die daraus folgende Komplexität der Konstruktion und der Regelung kompliziert und damit teuer in der Herstellung und Anpassung an die Einzelnen Bedürfnisse und Aufgaben. Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Unterstützung und zum kontrollierten Trainieren von Bewegungen der menschlichen Hand und einzelner oder mehrerer Finger und insbesondere zur Verbesserung deren Bewegungsfähigkeit und Kraft bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schafft eine einfach aufgebaute, kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung zum kontrollierten Trainieren von Bewegungen der menschlichen Hand und einzelner oder mehrerer Finger. Sie ist insbesondere bei der feinmotorischen Kraftkontrolle einer Hand einsetzbar, aber auch darüber hinaus - bei entsprechender Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messdatenerhebung über Sensoren, deren Speicherung und Auswertung geeignet. Eine Überwachung und Regelung von Greiffunktionen ist damit direkt durch die Vorrichtung möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt somit ein die Rehabilitation begleitendes technisches Hilfsmittel bereit, das den Therapeuten zeitlich entlastet und es dem Betroffenen ermöglicht, auch ohne Therapeuten und jederzeit ein kontrolliertes Training von Greiffunktionen durchzuführen. Die Vorrichtung erlaubt eine einfache und sichere Handhabung, die ohne spezielle Schulung oder Servicekräfte durch den Benutzer selbst vorgenommen werden kann.

Insbesondere dadurch kann die Vorrichtung in kleineren Rehabilitationszentren und für die Heimrehabilitation eingesetzt werden.

Dabei ist es von Vorteil, dass sich die Vorrichtung vorzugsweise modular mit Sensoren und/oder Aktuatoren erweitern lässt und damit eine weitere Anpassbarkeit der Unterstützung und des Trainings möglich werden kann sowie eine objektiv messbare Beurteilung des Rehabilitationsfortschritts möglich wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine eigenständige Vorrichtung als kompaktes Gerät unter Verwendung robotischer Elemente zur Rehabilitation der Handfunktionen, das es erlaubt, jeden einzelnen Finger einer Hand unabhängig zu trainieren und dabei von den Maßen und vom Gewicht her derart ausgelegt ist, dass das Gerät auf die Hand aufgesetzt werden bzw. von ihr umfasst werden kann, bereitgestellt.

Im Sinne der Erfindung ist unter einem Motor jede Einrichtung zu verstehen, welche eine Motor-Antriebswelle aufweist, die sich mit einer im Wesentlichen konstanten oder einer veränderbaren Drehzahl dreht und dabei ein ebenfalls konstantes oder veränderbares Drehmoment an eine mit der Motor- . .

Antriebswelle verbundene Getriebeeinrichtung abgibt. Vorzugsweise ist der Motor ein Elektromotor, es kommen aber auch andere Antriebsprinzipien, wie z. B. ein pneumatischer Motor in Frage. Unter dem Begriff "Getriebeeinrichtung" ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zu verstehen, in der eine auf die Getriebe-Eingangswelle aufgebrachte Drehbewegung bezüglich der Drehzahl und/oder des Drehmoments gewandelt wird. Ein Verteilergetriebe ist erfindungsgemäß ein Getriebe, in dem ein Eingangsdrehmoment auf wenigstens zwei Abtriebe aufgeteilt wird.

Vorzugsweise ist das Verteilergetriebe ein Dreiwellengetriebe und bevorzugt ein Umlaufgetriebe. In diesen Getrieben werden zur Bewegungsübertragung Räder verwendet, die an den zur Bewegungsübertragung vorgesehenen Abschnitten eine zylindrische oder eine kegelige Form aufweisen und als Kegel-, Stirn- oder Hohlräder ausgeführt sind. Die Räder können sowohl als Reibgetriebe ausgeführt werden oder bevorzugt als Zahnräder. Solche Umlaufgetriebe werden häufig als Differential oder Differentialgetriebe bezeichnet und sind als Kegelrad- oder Planetengetriebe (Stirnraddifferential) ausführbar. Dabei ist unter einem Dreiwellengetriebe ein Rädergetriebe, vorzugsweise ein Zahnradgetriebe, zu verstehen, welches wenigstens drei Wellen aufweist.

Erfindungsgemäß ist unter einem Verbindungselement ein Bauteil zu verstehen, welches dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Körperglied mit einer Spindel zur Kraftübertragung mittelbar oder unmittelbar zu verbinden.

Im Sinne der Erfindung ist unter einer Spindel ein Bauteil zu verstehen, auf welchem das Verbindungselement aufwickelbar ist. Vorzugsweise ist die Spindel drehbar gelagert und drehfest oder wenigstens drehmomentleitend mit einer der Abtriebswellen des Dreiwellengetriebes verbunden. Weiter vorzugsweise ist die Spindel eine, wenigstens im Wesentlichen rotationssymmetrische Rolle, Spule oder Trommel. Das Verbindungselement ist vorzugsweise als Zugmittel ausgestaltet und insbesondere als Draht, Seil, Schnur, Faden, Band oder . .

Geflecht. Vorzugsweise weist das Verbindungselement als einen Bestandteil Nylon- oder Carbonfasern auf, weiter vorzugsweise besteht das Verbindungselement aus Nylon- oder Carbonfasern. Vorzugsweise sind eine erste und eine zweite Spindel jeweils mit einer ersten und einer zweiten Abtriebswelle des Verteilergetriebes koppelbar, vorzugsweise ist die dritte Welle des Verteilergetriebes als Antriebswelle ausgeführt. Vorzugsweise kann an dieser Antriebswelle ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl vorgegeben werden. Die Drehmomentvorgabe kann mittels einer Bremse oder Kupplung erfolgen, vorzugsweise erfolgt die Drehzahl- und/oder Drehmoment-Vorgabe an dieser Antriebswelle aber mittels des Motors. Bei Verwendung eines Elektromotors ist dieser vorzugsweise in mehreren Betriebsquadranten betreibbar, d.h. im Motor- und im Bremsbetrieb. Vorzugsweise ist wenigstens eine, bevorzugt mehrere, Wellen des Dreiwellengetriebes mit einem Sensor, insbesondere zur Drehzahl und oder Drehmomentüberwachung, ausgerüstet. Vorzugseise wird die Drehzahl und/oder das Drehmoment von wenigstens zwei, bevorzugt von mehreren und besonders bevorzugt von allen, Spindeln mit jeweils wenigstens einem Sensor aufgenommen. Vorzugsweise werden die Messwerte wenigstens eines Sensors zur Steuerung der Vorrichtung herangezogen. Die Sensorwerte werden bevorzugt in einem Datenspeicher abgespeichert.

Als Sensoren können optische, magnetische, induktive oder kapazitive Messsensoren verwendet werden. Vorzugsweise sind Messsensoren vorgesehen, welche nach einem nicht berührungsfreien Prinzip arbeiten. Mit derartigen Sensoren ist eine besonders sichere Messwertübertragung und ein robuster Aufbau möglich. Weiter vorzugsweise sind Messsensoren vorgesehen, die mittels eines berührungslosen Messprinzips arbeiten. Mit derartigen Sensoren ist ein besonders reibungsarmes System erreichbar. . _

Durch die Verwendung von Sensoren ist es möglich, die Vorrichtung zu überwachen und das Training damit zu kontrollieren und vorzugsweise ist es möglich, die Vorrichtung drehzahl-/drehmomentabhängig zu regeln und so das Training zu verbessern und anzupassen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verteilergetriebe als ein Kegelraddifferential ausgestaltet, vorzugsweise weist dieses Kegelraddifferential wenigstens zwei Kegel- und wenigstens ein Tellerrad auf. Vorzugsweise kämmt das mit der ersten Abtriebswelle verbundene Kegelrad mit dem Tellerrad. Weiter vorzugsweise kämmt ein mit der zweiten Abtriebswelle verbundenes Kegelrad mit demselben Tellerrad. Weiter vorzugsweise sind diese Kegelräder mit diesem Tellerrad in einem drehbar gelagerten Differentialkorb gelagert. Vorzugsweise ist der Differentialkorb achsparallel zur ersten und zweiten Abtriebswelle drehbar, bevorzugt konzentrisch zu diesen drehbar gelagert und weist weiter vorzugsweise ein Antriebszahnrad auf, vorzugsweise rotiert dieses Antriebszahnrad mit diesem Differentialkorb und ermöglicht die Leistungsübertragung auf diesen. Insbesondere durch Verwendung eines Kegelraddifferentials ist ein einfacher Aufbau eines Verteilergetriebes möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mittels des Antriebszahnrads ein Drehmoment auf die Antriebswelle des Verteilergetriebes aufbringbar, welches vorzugsweise unabhängig von einer Drehzahl ist. Die beschriebenen Verteilergetriebe sind insbesondere derart ausgestaltet, dass bei Vorgabe einer Drehzahl an der Antriebswelle, insbesondere durch eine Bremseinrichtung oder durch den Motor, und bei Vorgabe einer Drehzahl an der ersten/zweiten Abtriebswelle, insbesondere durch ein Körpergliedmaß und das Verbindungselement , sich die Drehzahl an der zweiten/ersten Abtriebswelle zwangsläufig ergibt. Insbesondere durch diese besondere Kinematik des Verteilergetriebes wird ein effizientes Trainieren der Finger möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Übungs-Vorrichtung eine Motor- Steuereinrichtung auf. Vorzugsweise wertet die Steuereinrichtung die - -

Drehzahl/Drehmomentsignale von wenigstens einem der Sensoren aus und steuert den Motor unter Heranziehung wenigstens eines der Sensorwerte. Weiter vorzugsweise weist die Steuereinrichtung einen Datenspeicher zur Speicherung wenigstens eines der Sensorwerte auf, bevorzugt wird eine Vielzahl, besonders bevorzugt alle Sensorwerte, gespeichert.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Antriebs-/Bremsleistung von einem Motor mittels eines Motorritzels auf dieses Antriebszahnrad aufgebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Differentialkorb beziehungsweise eine mit dem Differentialkorb drehfest verbundene Welle als Antriebswelle eines Motors ausgestaltet. Insbesondere bei der Übertragung der Antriebsleistung mittels eines Antriebszahnrads kann praktisch ein beliebiges Übersetzungsverhältnis (Drehzahlverhältnis) vorgegeben werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind neben diesem ersten Verteilergetriebe noch ein zweites Verteilergetriebe und ein weiteres sogenanntes Koppel-Dreiwellengetriebe vorhanden. Vorzugsweise sind die beiden Verteilergetriebe als Dreiwellengetriebe ausgeführt. Diese drei Getriebe sind in drehmomentleitender Weise derart miteinander verbunden, dass sich vier Abtriebswellen und eine Antriebswelle ergeben, die Getriebe sind vorzugsweise kaskadiert. Vorzugsweise ist dieses zweite Verteilergetriebe, wenigstens im Wesentlichen, baugleich zu diesem ersten Verteilergetriebe. Vorzugsweise weist das Koppel-Dreiwellengetriebe eine erste Koppel-Abtriebswelle, eine zweite Koppel-Abtriebswelle und eine Koppel-Antriebswelle auf, vorzugsweise sind das erste und zweite Verteilergetriebe mittels der Koppel-Abtriebswellen antreibbar, insbesondere jedes der Verteilergetriebe mittels einer der Koppel- Abtriebswellen. Das Koppel-Dreiwellengetriebe ist insbesondere so eingerichtet, dass dieses keine Spindeln aufweist. Vorzugsweise kämmt das Antriebszahnrad des ersten und des zweiten Verteilergetriebes mit jeweils einem, mit den Koppel-Abtriebswellen drehfest verbundenen, Koppel-Abtriebszahnrad des Koppel-Dreiwellengetriebes. - -

Insbesondere durch diese Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass vier Spindeln mit der Antriebs-/Bremsleistung aus einem Motor beaufschlagbar und gegeneinander bewegbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels eines Sensors die vom Motor aufgenommene/abgegebene Leistung überwacht. Vorzugsweise ist zur Leistungsüberwachung am Motor ein Sensor zur Strommessung und bevorzugt ein zusätzlicher Sensor zur Spannungsmessung vorgesehen. Die Messung der aufgenommenen Leistung ist in der Regel besonders einfach darstellbar, daher ist mit dieser Messmethode eine besonders einfache Bewertung der Übungsintensität möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehwinkelstellung der Motorwelle des Motors, welcher zum Antrieb der Übungs-Vorrichtung vorgesehen ist, mit einem Sensor, insbesondere einem sogenannten Motorencoder, überwacht. Ein Motorencoder ist ein Sensor, der die Drehwinkelstellung mittels eines Inkrementalgebers oder mittels eines Potentiometers erfasst. Damit wird an der Motorwelle die Gesamtwegänderung, also die Bewegung sämtlicher Körpergliedmaßen, welche mit der Vorrichtung in Verbindung stehen, erfasst und damit eine besonders einfache Überwachung der Gesamtintensität der durchgeführten Übungen möglich.

Es ist auch möglich, dass einzelne Gliedmaßen, insbesondere durch die vorgeschlagene Kinematik der Übungs-Vorrichtung, einzeln bewegt werden und sämtliche andere Gliedmaßen stillgesetzt sind. Bei dieser Verwendung der Übungsvorrichtung ist die Messung der Übungen für jede einzelne Körpergliedmaße in serieller Abfolge mit nur einem Sensor an der Motorwelle des Motors möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bewegungen von wenigstens zwei, vorzugsweise von allen Spindeln, oder von den mit den Spindeln drehfest - -

in Verbindung stehenden Abtriebswellen des Verteilergetriebes mit jeweils wenigstens einem Sensor gemessen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind an wenigstens einer oder bevorzugt an mehreren Getriebewellen, Spindeln oder Körpergliedmaßen Sensoren zur Messung der Beschleunigung (Beschleunigungssensoren) angeordnet. Es ist bekannt, dass durch die Summation oder Integration der Beschleunigungen auf die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke geschlossen werden kann. Weiter vorzugsweise sind an den Körpergliedmaßen, welche mit der Übungs- Vorrichtung mittels der Verbindungselemente in Verbindung stehen, die Beschleunigungssensoren mittelbar oder unmittelbar angeordnet. Vorzugsweise arbeitet ein Beschleunigungssensor der erfindungsgemäßen Übungs- Vorrichtung nach dem gyroskopischen Messprinzip. Dabei ist unter dem mittelbaren Anordnen zu verstehen, dass diese Sensoren auf einem mit dem Körpergliedmaß verbundenen Anbindungselement angeordnet sind, so dass der Beschleunigungssensor die Bewegungen der Körpergliedmaße zwangsläufig mit ausführt und so die im Wesentlichen gleiche Beschleunigung wie diese erfährt.

Vorzugsweise ist unter einem Anbindungselement, auf welchem der Beschleunigungssensor angeordnet ist, ein ringartiges oder handschuhartiges Element zu verstehen, welches vorzugsweise wenigstens einen Finger zumindest abschnittsweise umgibt. Weiter vorzugsweise ist der Beschleunigungssensor in unmittelbarer Nähe zu einem Anlenkpunkt des Verbindungselements an diesem Anbindungselement. Im Sinne der Erfindung ist unter„in unmittelbarer Nähe" in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Beschleunigungssensor vorzugsweise nicht weiter als 30 mm, bevorzugt nicht weiter als 20 mm und besonders bevorzugt nicht weiter als 10 mm, von diesem Anlenkpunkt entfernt angeordnet ist. Weiter vorzugsweise ist der Sensor, insbesondere der Beschleunigungssensor, am Ende der Gliedmaßen angeordnet, bevorzugt an der Fingerspitze. . .

Vorzugsweise sind zur Überwachung der Bewegung der Körpergliedmaße Biegungssensorstreifen zu verstehen, derartige Sensoren ändern ihren elektrischen Widerstand mit einer Deformation des Streifens, dabei ist der Biegungssensorstreifen so an den Körpergliedmaßen angeordnet, dass dieser bei Bewegung der Körpergliedmaße deformiert wird. Vorzugsweise sind derartige Streifen von der Fingerspitze ausgehend angeordnet und stehen mit dem Anbindungselement in Verbindung. Insbesondere mit derartigen Biegungssensorstreifen ist es möglich, die Bewegung der Körpergliedmaße, insbesondere der Finger, ohne bewegliche Teile auf besonders einfache und präzise Art aufzunehmen, dadurch ist eine verbesserte Übungs-Vorrichtung erreichbar.

Vorzugsweise sind zur Aufnahme der Bewegung der Körpergliedmaße elastische Dehnungssensoren vorgesehen. Im Sinne der Erfindung sind unter solchen Dehnungssensoren derartige Sensoren zu verstehen, welche aufgrund einer Dehnung eine Spannung abgeben (piezoelektrischer Effekt) oder aber ihren elektrischen Widerstand verändern. Vorzugsweise werden Dehnungssensoren an der dem Anbindungselement abgewandten Seite der Körpergliedmaße angeordnet, besonders bevorzugt auf dem Handbeziehungsweise Fingerrücken.

Vorzugsweise werden zur Überwachung der Bewegung der Körpergliedmaße, insbesondere der Hand, bevorzugt der Finger, Lichtwellenleiter als Dehnungssensoren verwendet, derartige Sensoren sind beispielsweise aus Nishiyama, M., and Watanabe, K.; Wearable Sensing Glove With Embedded Hetero-Core Fiber-Optic Nerves for Unconstrained Hand Motion Capture bekannt. Insbesondere durch derartige Wearable-Sensoren ist eine besonders einfache Anbringung der Sensoren an den Körpergliedmaßen möglich.

Vorzugsweise können die oben genannten Sensoren an Gelenkstellen der Körpergliedmaße, von welchen die Bewegung überwacht wird, angebracht - -

werden. Weiter vorzugsweise können diese Sensoren auch an den im Wesentlichen starren Bereichen zwischen oder hinter Gelenken angeordnet sein. Insbesondere durch die Anordnung der Sensoren an den Gelenken ist eine besonders genaue Erfassung der Bewegung der Gelenke möglich, insbesondere durch die Anbringung der Sensoren auf den im Wesentlichen starren Bereichen der Körpergliedmaße ist eine besonders einfache Anbringung dieser Sensoren möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bewegungen der Körpergliedmaße, welche mit der Übungs-Vorrichtung zur Bewegung in Verbindung stehen, berührungslos, also insbesondere ohne Sensoren, überwacht. Zur Überwachung wird bei dieser Ausführungsform wenigstens eine Kameraeinrichtung verwendet. Vorzugsweise werden auf den Körpergliedmaßen sogenannte Marker angeordnet. Bei einer Bewegung der Körpergliedmaße nimmt die Kameraeinrichtung wenigstens ein Bild in dem ersten Zustand und wenigstens ein zweites Bild auf, diese wenigstens zwei Aufnahmen werden ausgewertet und daraus eine Bewegung berechnet. Derartige Verfahren zur Bewegungserfassung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Weiter vorzugsweise kann eine Kameraeinrichtung mit weiteren Sensoreinrichtungen vorteilhaft kombiniert werden, derartige Systeme sind beispielsweise als Microsoft Kinect bekannt. Insbesondere durch diese gut erprobte Art der Bewegungserfassung ist einerseits eine besonders präzise und andererseits kostengünstige Möglichkeit der Bewegungserfassung möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Zug-/Druckbelastung der Verbindungselemente gemessen. Vorzugsweise wird für eine solche Messung das Drehmoment des Antriebsmotors überwacht, vorzugsweise der elektrische Strom zum/vom Motor zum Antrieb der Vorrichtung. Weiter vorzugsweise wird die Seilspannung, welche durch die auf das Verbindungselement ausgeübten Zugkräfte verursacht ist, erfasst. Für eine derartige Messung können Sensoren der zuvor beschriebenen Arten verwendet werden. - -

In einer bevorzugt Ausführungsform ist durch die Vorrichtung verhindert, dass die Gliedmaßen durch die Vorrichtung in sicherheitsgefährdender Art und Weise eingezogen werden. Dabei ist und dem sicherheitsgefährdenden Einziehen im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass eine Verletzung der bewegten Gliedmaßen, insbesondere der Gelenke durch die Vorrichtung verhindert ist, insbesondere durch das Stoppen der Bewegung der Vorrichtung. Vorzugsweise geschieht dies auf Grundlage der Messung der Zugkraft, welche auf die zu bewegende Gliedmaßen mittels des Verbindungselements übertragen werden. Weiter vorzugsweise ist für diese Zugkraft ein Referenzwert vorgebbar, dabei ist dieser Referenzwert vorzugsweise an den Körpergliedmaßen orientiert, insbesondere Art, Geometrie, Vorschädigung, aktueller Zustand usw. Vorzugsweise ist der Referenzwert aus einem Bereich ausgewählt, wobei der Bereich vorzugsweise größer ist als 0 Newton, bevorzugt größer als 0,5 Newton und besonders bevorzugt größer als 5 Newton und weiter vorzugswiese ist der Bereich kleiner als 30 Newton, bevorzugt kleiner als 15 Newton und besonders bevorzugt kleiner als 10 Newton.

Wird dieser Referenzwert überschritten, so wird wenigstens das Einziehen der Gliedmaßen gestoppt. Weiter vorzugsweise kann die Vorrichtung einen Referenzwert selbst aufnehmen, in dem die Vorrichtung, insbesondere in einem Teaching-Betriebsmodus einmalige die Bewegung ausführt. Im Sinne der Erfindung ist unter einem Teaching-Betriebsmodus eine Betriebsart der Vorrichtung zu verstehen, in welcher wenigstes eine Bezugsgrößen ermittelt wird, insbesondere Zugkräfte und Bewegungsstrecken für die Gliedmaßen. Wird während des an den Teaching-Betriebsmodus anschließenden Übungsbetriebs, also dem Trainieren der Gliedmaßen, dieser Referenzwert überschritten, wird das Einziehen gestoppt. Weiter vorzugsweise wird der Gradient der Kraft, welche zum Einziehen der Gliedmaßen aufgewendet wird, überwacht. Übersteigt der Gradient einen bestimmten Wert wird das Einziehen der Gliedmaßen gestoppt. - -

Weiter vorzugsweise ist ein sicherheitsgefährdendes Einziehen durch eine Wegvorgabe verhindert. Vorzugsweise kann ein bestimmter Einzugsweg (Weg zwischen den Endlagen, zwischen welchen die Gliedmaßen bewegt werden) für das Verbindungselement vorgebbar. Vorzugsweise zieht die Vorrichtung das Verbindungselement nicht weiter ein, als durch diese Wegvorgabe definiert. Vorzugsweise kann auch diese Wegvorgabe im Teaching-Modus der Vorrichtung ermittelt werden. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass wenigstens einmalig der Bewegungsbereich der nicht sicherheitsgefährdend ist, abgefahren wird und die Vorrichtung diesen Weg aufnimmt und die Gliedmaßen anschließend nur in diesem als sicher definierten Bereich bewegt werden. Weiter vorzugsweise sind auch mehrere der zuvor genannten Methoden, zum verhindern eines sicherheitsgefährdenden Einziehen, miteinander kombinierbar.

Insbesondere durch das Verhindern eines sicherheitsgefährdenden Einziehens wird eine besonders sichere und damit verbesserte Vorrichtung zur Verfügung gestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Beschleunigungswiderstand für die Vorrichtung regelbar. Im Sinne der Erfindung ist unter einem Beschleunigungswiderstand zu verstehen, dass einer Beschleunigung der Bewegung der Gliedmaßen ein Widerstand, d. h. eine zusätzliche Kraft, entgegenwirkt. Vorzugsweise ist diese Kraft durch den Motor zum Antrieb der Vorrichtung aufbringbar. Diese Kraft, welche der Beschleunigung der Gliedmaßen entgegenwirkt, ist insbesondere in Bezug auf ihre Größe regelbar. Vorzugsweise ist die Kraft derart regelbar, dass mittels des Beschleunigungswiderstandes ein Massenträgheitsmoment, wenigstens einer der Spindeln, d.h. insbesondere durch den Motor zum Antrieb der Vorrichtung, virtuell erhöht wird. Vorzugsweise wirken einer großen Beschleunigung der Gliedmaßen eine große Kraft und damit ein großer Beschleunigungswiderstand entgegen. Weiter vorzugsweise einer kleinen Beschleunigung ein kleiner Beschleunigungswiderstand. Vorzugsweise ist der Beschleunigungswiderstand - -

in Abhängigkeit des Weges, der Geschwindigkeit, der Dauer oder Anzahl der Bewegungen der Gliedmaßen regelbar.

Insbesondere durch eine Regelung des Beschleunigungswiderstandes ist ein besonders effizientes Üben/Trainieren der Gliedmaßen ermöglicht und damit wird eine verbesserte Vorrichtung zum Trainieren bereitgestellt.

Die Figuren zeigen beispielhaft in teilweise schematisierter Darstellung Ausführungsformen der erfinderischen Vorrichtung auf, die zur Erläuterung der Funktionsweise und des Aufbaus der Vorrichtung dienen.

Dabei zeigt:

Fig. 1 , eine erfinderische Vorrichtung mit Motor (2) und Getriebeeinheit (1 ) mit

Platzierung der Hand auf dem Deckel (14) des Gehäuses (13, 14) für die Funktionalität assistives Schließen oder resistives Öffnen der einzelnen Finger einer Hand,

Fig. 2, eine erfinderische Vorrichtung mit Motor (2) und Getriebeeinheit (1 ) mit

Platzierung der Bodengruppe (13) auf der Hand für die Funktionalität assistives Öffnen oder resistives Schließen der einzelnen Finger einer Hand,

Fig. 3a, zeigt den Innenaufbau eines Deckels (14) mit deckelseitigen

Lagerträgern (6) für die Abtriebswellen (8) der Differentialgetriebe (3,

4) mit Distanzstücken, die den Deckel (14) auf der Bodengruppe (13) fixieren.

Fig. 3b, zeigt den Aufbau der Getriebeeinheit (1 ) mit Antriebsrad (7) für den

Motor, mit dem Differentialgetriebe erster Stufe (3) und dem

Differentialgetriebe zweiter Stufe. - -

Fig. 4, zeigt den Aufbau der Getriebeeinheit (1 ) in einem geschlossenen

Gehäuse mit Bodengruppe (13) und Deckel (14) mit einem extern angebrachten Motor (2). Alle Finger einer Hand werden unter Verwendung nur eines Aktuators, hier ein Motor 2, trainiert (vgl. Fig. 1 , 2, 4). Die Motorisierung ermöglicht es die Trainingsintensität anzupassen, die Auslenkung zu messen und die Kraft z.B. über die Messung des Motorstroms abzuleiten. Bei Verwendung nur einer einzelnen Abtriebswelle eines Motors für die Bewegung der Finger einer Hand entstehen Probleme, da die Fingerwege unterschiedlich lang sind. Unter Verwendung nur einer Abtriebswelle mit unterschiedlichen Durchmessern kann dieses Problem zwar etwas reduziert werden, jedoch können die Finger nicht unabhängig voneinander bewegt werden. In der Therapie würde ein Anwender bei einer derartigen Einschränkung somit vorwiegend den stärksten Finger verwenden und damit die anderen Finger ungewollt entlasten.

Um dieser einseitigen Auslegung entgegenzuwirken werden in der erfinderischen Vorrichtung (Fig. 2) mehrstufige Differentialgetriebe 3, 4 als Getriebeeinheit 1 eingesetzt. Durch den Einsatz von mindestens zwei Stufen ist die Verteilung des Drehmoments eines einzigen Aktuators, hier ein Motor 2 der über ein Antriebsrad 7 auf die Getriebeeinheit 1 wirkt, auf vier Abtriebswellen 8 möglich. An diesen Abtriebswellen 8 werden die Seilzüge 10 auf Spindeln 9 befestigt, die die Kräfte auf die Finger jeweils über eine Fingerhalterung 12 übertragen.

In der ersten Stufe (Fig. 2) verteilt ein Differentialgetriebe 3 das Drehmoment zunächst auf zwei Abtriebswellen 8a. Auf diese Weise könnten jedoch nur zwei Finger unabhängig bewegt werden. Mit dem Einsatz von zwei Differentialgetrieben 4 zweiter Stufe ist die Verteilung des Drehmoments auf vier Finger möglich, die damit alle von einander unabhängig bewegt werden können. - -

Somit wird durch die zwei Abtriebswellen 8a des Differentialgetriebes der ersten Stufe 3 je zwei weitere, insbesondere baugleiche Differentialgetriebe zweiter Stufe 4 angetrieben. Diese teilen das Drehmoment wieder auf je zwei weitere Abtriebswellen 8 auf. Somit ergeben sich vier Abtriebswellen 8 auf denen Spindeln (9) befestigt sind, die den jeweiligen Seilzug 10 zu den an den Fingern befestigten jeweiligen Fingerhalterungen 12 führen (siehe auch Fig. ).

Die Fig. 2 dient der Erläuterung des Konstruktionsprinzips, ohne einschränkend auf die Art der Anbringung der Vorrichtung auf der Hand zu sein. Die Differentialgetriebe 3, 4 sind als Getriebeeinheit 1 konzipiert, um eine Einheit mit dem Motor 2 bilden zu können und somit zusammen in ein Gehäuse (nicht dargestellt) integrierbar sind. Diese integrierte Kombination aller Bauteile ermöglicht es, eine einfache kompakte Einheit bereitzustellen, die modular den Austausch und/oder die Anpassung an unterschiedliche vorgewählte Kraftbereiche, insbesondere durch Abstimmung vorgewählter Bauteile und Komponenten aufeinander, genau an die Anforderungen der jeweiligen Hand anpasst. Weiterhin lässt sich diese Art der Konstruktion einfacher miniaturisieren und an zu integrierende Sensoren 16 (nicht dargestellt), Mess- /Auswerteeinheiten 17 (nicht dargestellt) mit MikroControllern 18 (nicht dargestellt) und Schnittstellen zu Datenspeichern und/oder zur Datenübertragung, wie WLAN, Bluetooth oder dergleichen anpassen.

Die Ausgabe oder Visualisierung von Daten oder Informationen über eine Anzeige oder ein Display direkt an der Vorrichtung oder Kommunikationsmedien, wie handelsübliche Smartphones oder dergleichen bilden eine weitere Ausgestaltungsvariante.

Der Motor 2 kann mit einer Verstärkerschaltung 19 (nicht dargestellt) versehen sein, durch den die Motorkraft über Taster/Regler, insbesondere stufenlos, geregelt wird. Damit kann dann durch einen oder mehrere Taster oder einen oder mehrere Regler z.B. ein Schwierigkeitsgrad und/oder ein Trainingsmodus - -

bestimmt werden. Vorstellbare Modi sind z.B. auch ein rein passives Training, also die Mobilisierung der Finger allein durch Motorkraft.

Für die Anwendung der Vorrichtung auf einem Handrücken (Fig. 2), wird das jeweilige Seil 1 1 der einzelnen Seilzüge 10 geführt oder umgelenkt, so dass die Sehne nicht über den Fingerrücken läuft. Dazu kann die Hand mit einem Handschuh 22 (nicht dargestellt) mit Fingerhalterungen eingehüllt sein, der über Führungen und/oder Umlenkeinrichtungen verfügt oder die Fingerhalterungen weisen derartige Führungen auf oder an der Bodengruppe sind derartige Führungen oder Umlenkungen angebracht. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung auch statt mit einem Handschuh oder einer Fingerhalterung mit einem handelsüblichen Exoskelett verknüpft werden.

Sobald eigenständige Fingerbewegungen durch den Anwender erkannt und möglich sind, kann die Unterstützung reduziert werden, soweit dass ab einem bestimmten Punkt resistive Kräfte wirken. Danach kann durch Erhöhung des Motordrehmoments die Gegenkraft bzw. der Schwierigkeitsgrad angepasst werden. Es sind auch Trainingsmodi vorstellbar, wobei anhand der aktuellen Kraft die Aktuation angepasst wird.

Der Motor ist mit einem Encoder zur Messung der Auslenkung ausgestattet, was einerseits die Trainingsmöglichkeiten erweitert und weiterhin auch als Mittel zur Evaluation des Rehabilitationsfortschritts eingesetzt werden kann. Hier können neben dem Motor, der gleichzeitig als Sensor funktioniert, weitere Sensoren für einzelne Finger oder Fingerbereiche eingesetzt werden, die eine erweiterte Evaluation ermöglichen.

Bei der Platzierung des Systems auf dem Handrücken ist eine einfache und sichere Fixierung über einen Klettverband möglich, der z.B. über die Handinnenseite geschlossen wird. Eine zugehörige Befestigung am System lässt sich einfach an der Bodengruppe 13 anbringen. - -

Bei der Platzierung des Systems unter der Hand muss die Hand nicht fixiert werden, sondern

kann nur aufgelegt werden. Für die Extension der Finger gegen den Motor dient die Handfläche als Abstützung. Als Materialien eigenen sich hier z.B. Polyamid. Neopren, als Auflage, kann beispielweise zusätzlich auch als Dämpfung für besseren Komfort eingesetzt werden. Die Stromversorgung des Motors kann über eine leichte Kabelverbindung oder z.B. induktive Kopplung oder Batterien/Akkus erfolgen. Die Datenschnittstelle, z.B. USB, kann für die Kommunikation und Spannungsversorgung genutzt werden. Der Motor kann als bautechnisch externe oder interne Komponente mit dem Getriebe kombiniert werden.

Figur 3a zeigt eine perspektivische Ansicht des Deckels 14 mit Distanzstücken 15. Im Deckel 14 sind Lagerträger 6 vorgesehen, die Lager/Lagerstellen 5 können unmittelbar in den Lagerträger 6 integriert sein oder es kann in den Lagerträger ein Gleitlager oder Wälzlager zur Lagerung der Wellen 8 und 8a (nicht dargestellt) eingesetzt werden.

Figur 3b zeigt die Bodengruppe 13 mit den Getrieben 3, 4 in einer perspektivischen Darstellung. An den Abtriebswellen 8 sind vier Spindeln 9 angeordnet. Die Verteilergetriebe 4 der zweiten Stufe werden von dem Koppelgetriebe der ersten Stufe 3 angetrieben. Die Antriebskraft des Motors 2 (nicht dargestellt) wird mittels des Antriebszahnrads 7 auf das Koppelgetriebe 3 übertragen.

Figur 4 zeigt die Vorrichtung in zusammengesetzten Zustand aus Bodengruppe 13 und Deckel 14. Zwischen Deckel 14 und Bodengruppe 13 sind die Getriebe 3, 4 integriert. Der Motor 2 ist in dieser Ausführungsform geometrisch außerhalb der Bodengruppe 13 und des Deckels 14 angeordnet. Zwischen der Bodengruppe 13 und dem Deckel 14 erstrecken sich mehrere Distanzstücke zur sicheren Verbindung. Die einzelnen Seile 1 1 des Seilzugs 10 werden auf den Spindeln 9 aufgenommen.

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Unterstützung und zum kontrollierten Trainieren von Bewegungen der menschlichen Hand und einzelner oder mehrerer Finger und insbesondere zur Verbesserung von deren Bewegungsfähigkeit und Kraft mit einem Motor (2), der dafür eingerichtet ist, ein Drehmoment auf eine Getriebeeinrichtung (3) zu übertragen, welche als Verteilergetriebe und insbesondere als Differentialgetriebe ausgebildet ist, wobei die Getriebeeinrichtung wenigstens eine Antriebswelle und wenigstens zwei, Abtriebswellen (8a) aufweist, welche jeweils mit wenigstens einer Spindel (9) verbunden sind, und die zu trainierenden Körpergliedmaßen mittels Verbindungselementen (11 ) mit den Spindeln verbindbar sind.

Vorrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Getriebeeinrichtung wenigstens ein erstes Verteilergetriebe (4), und wenigstens ein zweites, insbesondere im Wesentlichen baugleiches, Verteilergetriebe (4) sowie wenigstens ein Koppelgetriebe (3) aufweist, dass jedes Koppelgetriebe (3) wenigstens eine erste und eine zweite Koppel-Abtriebswelle (8a) aufweist, die jeweils zum Antrieb eines

Verteilergetriebes (4) eingerichtet sind, und

dass jedes Koppelgetriebe (3) durch den Motor (2) an der Koppel- Antriebswelle (7) antreibbar ist.

Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

wenigstens die Drehzahl und/oder wenigstens das Drehmoment einer Spindel (9) mittels eines Sensors mittelbar oder unmittelbar überwacht wird. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die mechanische Verbindung zwischen einem Körpergliedmaß und einer Spindel über ein Anbindungselement (12), insbesondere eine

Fingerhalterung (12) am Fingerglied, unmittelbar oder über ein handschuhartiges Element, mittelbar erfolgt.

Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Motorsteuereinrichtung, insbesondere eine Verstärkerschaltung, vorgesehen ist, welche zur Ansteuerung des Motors (2) eingerichtet ist, und welche insbesondere mindestens einen Schalter und/oder Regler aufweist und

dass mittels dieses Schalters und/oder Reglers, das Motordrehmoment, insbesondere stufenlos, veränderbar ist.

Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Motor (2) und wenigstens ein Verteilergetriebe (3, 4) auf einem Trägerelement, insbesondere einer Bodengruppe (13), befestigt sind.

Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Trägerelement (13) mit Fixiermitteln (21 ), vorzugsweise einem Seil, bevorzugt einem Band und besonders bevorzugt einem Klettverband, an einer Körpergliedmaße, insbesondere an der Hand, direkt oder indirekt fixierbar ist. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Deckel (14) als eine, insbesondere ergonomische, Handauflage geformt ist, die bewirkt, dass Zugkräfte aus einer geeigneten Richtung auf die Finger angreifen und welcher ein übermäßiges,

sicherheitsgefährdendes Einziehen der Körpergliedmaße, insbesondere wenigstens eines Fingers, vermeidet.

Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass

das jeweilige Anbindungselement, insbesondere die jeweilige

Fingerhalterung (12), über das jeweilige Verbindungselement,

insbesondere den jeweiligen Seilzug (10), sowohl in dorsaler,

insbesondere vom Rücken der jeweiligen Körpergliedmaße weggerichtet, als auch palmarer, insbesondere in der entgegengesetzten, Richtung ansetzbar sind.

Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Motor (2) extern an der Getriebeeinheit (3, 4) ankoppelbar ist oder intern in die Getriebeeinheit, insbesondere in den Zwischenraum zwischen der Bodengruppe (13) und dem Deckel (14), integrierbar ist.

Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Beschleunigungswiderstand regelbar ist.