WO2016187636A1 - Arm-exoskelett - Google Patents

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WO2016187636A1
WO2016187636A1 PCT/AT2016/050161 AT2016050161W WO2016187636A1 WO 2016187636 A1 WO2016187636 A1 WO 2016187636A1 AT 2016050161 W AT2016050161 W AT 2016050161W WO 2016187636 A1 WO2016187636 A1 WO 2016187636A1
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WO
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arm
module
exoskeleton
drive
movement
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PCT/AT2016/050161
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Inventor
Werner Reichenfelser
Markus PUCHINGER
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Technische Universität Wien
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    • A61H2201/165—Wearable interfaces

Definitions

  • the invention relates to an arm exoskeleton for motorized Be ⁇ movement of an arm, with several modules and a plurality of actuators for movement of several joints of the arm, wherein in each case at least one drive for the movement of a joint of the Ar ⁇ mes is arranged on each module, with means for Attachment of the arm, and with one connected to the at least one drive
  • exoskeleton or outer skeleton represents a ⁇ support structure for an organism and forms a stable outer shell around this organism.
  • Artificial upper and lower limb exoskeletons are used to support and enhance the wearer's movement and to rehabilitate and improve the quality of life of persons with impaired motor skills.
  • the main movements of the upper limb are defined by 5 degrees of freedom, viz
  • EP 2052709 Al describes an arm-Exoske ⁇ lett, wherein the movements are realized by means of cables.
  • the ⁇ - like drives are expensive and have a large size, so that an assembly, for example, on a wheelchair ⁇ is very difficult to achieve.
  • An arm exoskeleton of the subject type is also known from EP 2 067 462 AI, which is mounted on the body of the wearer and thus the entire weight must be borne by the wearer. This makes it difficult to carry out the movements of the respective arm.
  • EP 2 070 492 A1 discloses an arm exoskeleton which is also fastened to the wearer's body.
  • this exoskeleton allows the movement of the shoulder only in one degree of freedom, namely the elevation.
  • the object of the present invention is to provide an above-mentioned arm exoskeleton which the movements even in patients without sufficient existing muscle strength he ⁇ enables, the structure should be as simple and miniaturized ⁇ bar, so a simple application example on a wheelchair is possible. Disadvantages of known systems should be prevented or at least reduced.
  • each drive is formed by a stepper motor and a gear
  • the modules are slidably connected to each other via rods
  • a module is formed by a shoulder joint module with two shoulder movement drives for movement of the shoulder joint , which shoulder joint module is connected to a weight compensation device, and further means for connection, for example with a wheelchair is provided.
  • the slidable connection of the modules via rods allows easy adaptation to the size of the upper extremity above the bars.
  • gear motor-gear combinations are used on the one hand be able to apply the required torques and forces and on the other hand, have the smallest possible size and mass ⁇ .
  • the shoulder joint module which is formed by two shoulder movement drives, can perform both shoulder elevation and rotation at the shoulder elevation level.
  • the weight of the exoskeleton can be compensated as well as possible from the shoulder joint module downwards and thus the required engine torque can be reduced.
  • a simple installation in persons with reduced mobility can be made.
  • the fact that the respective drive for moving the respective joint of the arm is integrated in the respective module, resulting in a simple modular design with a small size and low weight.
  • the subject arm exoskeleton provides a bottom support alarm ⁇ wetting of the movement of several joints on a plurality of modules with a plurality of drives and forms a natural movement of the arm by better.
  • rehabilitation of a particular joint is also possible only with a module to support movement of that particular joint.
  • the modules are connected via clamping devices.
  • mechanical clamping devices have proven particularly useful in the form of locking screws or the like.
  • electrical clamping devices and Ver ⁇ ⁇ devices conceivable.
  • the rods are made of fiber-reinforced plastic, in particular of pultruded carbon fiber plastic, gebil ⁇ det. These materials are characterized by low weight and high strength.
  • a module can be formed by a wrist module with a hand-held and with a hand-drive to move the wrist be.
  • the wrist module a support of the pro- / supination movement of the hand by preferably +/- 45 ° is made possible.
  • the hand receiving is equipped with a foam insert in the hand of the Pati ⁇ ducks is arranged.
  • the hand receptacle is connected to a round arch on which round arch a sliding carriage connected to the hand drive is arranged, which runs on the round arch, so that the pro- / supination movement of the hand, which is arranged in the hand receptacle, is made possible.
  • the power transmission from the drive to the round arch is preferably via gears and correspondingly shaped racks.
  • a module may be through a elbow joint module with a Ellen ⁇ arc drive for movement of the elbow joint of the arm forms ⁇ ge.
  • the elbow joint module realizes the flexion or extension of the elbow joint with an integrated elbow drive formed by a stepper motor with a corresponding gearbox, preferably a Hamonic-Drive gearbox.
  • the connection to the possible wrist module and upper arm rotation module via appropriate rods, preferably made of carbon fiber plastic and easily adjustable clamping devices, which allows adaptation to the respective forearm and upper arm length of the patient.
  • a module is formed by an upper arm rotation module with an upper arm receptacle for fastening ⁇ tion of the upper arm of the arm and with a Oberarmrotations- drive for rotation of the upper arm.
  • An derarti ⁇ ges upper arm rotation module, a further degree of freedom, NaEM ⁇ Lich the medial or lateral rotation of the upper arm, are simulated by means of the arm exoskeleton and supported. This extends the work area of the arm exoskeleton.
  • the upper arm receptacle of the upper arm rotation ⁇ module is connected to a round arch on which round arch connected to the upper arm rotation drive slide is arranged so that a rotational movement of the upper arm is made ⁇ light.
  • the upper arm rotation module is formed by a sleeve-like and with a corresponding foam ⁇ material protected device on the outside of the circular arc is fixed, on which the connected with the Oberarmrotati- ons-power slide carriage runs.
  • the force transfer from the upper arm rotation drive to the round arch is also realized here preferably via a toothed wheel and a correspondingly curved toothed rack.
  • the two shoulder joint drives can be arranged substantially normal to each other. As a result, the movements in the shoulder can be carried out optimally.
  • the weight compensation device may be formed by a spring disposed within a tube. This represents a simple and robust realization possibility.
  • connection device for connection for example, with a wheelchair can be formed by a mounting frame, which is fastened at a suitable location, for example on a wheelchair.
  • the battery of the electrically driven wheelchair or a separate battery can be used ver ⁇ .
  • Figure 1 is a schematic diagram of an arm Exoske ⁇ Letts;
  • Figure 2 is a disclosed embodiment of an arm exoskeleton with four modules, namely a wrist module, a Ellenbogenge ⁇ steering module, an upper arm rotation module and a shoulder ⁇ hinge module.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a Ellenbogengelenksmo ⁇ duls
  • FIG. 5 shows an embodiment of a Oberarmrotationsmo ⁇ duls
  • FIG. 7 shows a realization of a weight compensation device for compensating the weight of the arm exoskeleton.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an arm exoskeleton 1 for realizing various movements of the upper extremity.
  • the arm exoskeleton 1 is used to support or perform various pre-programmed movements of the arm 2, wherein Gi of the arm 2 single modu le ⁇ Mi are provided with respective actuators Ai for moving various joints.
  • a wrist module Ml with a drive AI is provided for movement of the wrist Gl, further an elbow hinge module M2 with a drive A2 to the movement of the elbow joint G2, an upper arm rotation module M3 for Rota ⁇ tion of the upper arm and a shoulder joint module M4 with two to ⁇ exaggerated A4 and A5 for performing the various movements of the shoulder joint G3.
  • the individual modules Ml to M4 contain the individual drives AI to A4, so that no cables or other complex drive connections are required ⁇ .
  • the individual modules M1 to M4 are connected to one another via corresponding rods 5 and clamping devices 6 (see FIG. 2), so that individual adaptation to the arm lengths of the respective patient is possible quickly and easily.
  • Arm Exoskeleton 1 shows a preferred embodiment of the invention Arm Exoskeleton 1, comprising a Hangelenksmodul 9 for moving the wrist 12, an elbow joint module 16 for moving the elbow joint 18, a Oberarmrotationsmodul 19 for rotation of the upper arm 21 and a shoulder joint module 25 for movement of the shoulder joint 28.
  • the individual modules are via rods. 5 and clamping devices 6 connected to each other adjustably.
  • the shoulder joint module 25 is connected to a holder or a mounting frame 35 and mounted, for example, on the wheelchair 34.
  • the individual modules will now be explained in more detail with reference to FIGS. 3 to 6.
  • FIG. 3 shows a variant of a wrist module 9 with a corresponding hand receptacle 10 for arranging the hand of the patient.
  • the hand holder 10 is adaptable to the respective hand of the patien ⁇ th, for example the corresponding belts with
  • a round arch 13 is arranged on which a with the manual drive 11 ver ⁇ bound sliding carriage is movably mounted.
  • the hand-drive 11 which is preferably formed of a corresponding stepper motor together with a harmonic drive gear
  • a pro- / supination movement of the hand can be achieved preferably in the extent of +/- 45 °.
  • limit switch can be arranged, which automatically turn off the manual drive 11 when reaching the limit of movement.
  • the wrist module 9 is connected to the following elbow joint module 16 (see Fig. 4) or other devices via a rod 5.
  • For individual adaptation to the respective length of the lower arm can be provided for slidable fixing of the rod 5 a Klem ⁇ my directions. 6
  • Markers 32 may be provided on rod 5 to document certain settings and to find specific settings more quickly.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an elbow joint module 18 with an elbow drive 17, which in turn is preferably formed by a miniaturized stepping motor and a harmonic drive transmission.
  • the Ellen ⁇ bow joint module 16 is slidably connected to the wrist module 9.
  • the connection is made with a subsequent upper arm rotation module 19 (see Fig. 5) or a corresponding holder.
  • markings 32 may be arranged on the rods 5 again.
  • An end stop 36 can prevent the material injury ⁇ supply the elbow joint in the event of a malfunction.
  • an angle ⁇ range for the flexion and extension of the elbow joint up to 165 ° of flexion may preferably be carried out.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a Oberarmrotationsmo ⁇ duls 19 comprising an upper arm support 20 in sleeve form in which the upper arm is inserted and consolidate, for example with straps be ⁇ .
  • a round arch 23 is provided, for example, with a curved rack, on which a sliding carriage 24, which is connected to the upper arm rotation drive 22, is arranged.
  • the upper arm rotation drive 22 which in turn is formed by a minia ⁇ turis investigating stepper motor with a harmonic drive gear ⁇ ge, there is a corresponding rotation of the upper arm 21 by the desired angular range.
  • the upper arm receptacle 20 may be made of fiber-reinforced plastic, for example of pultruded carbon fiber plastic.
  • the compound may be a Klemmein ⁇ device 6 with a respective bar 5 (not shown) with the elbow joint module 16 (s. Fig. 4) are made.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a Schultergelenksmo ⁇ duls 25 with two shoulder motion drives 26 and 27 which perform the shoulder elevation and rotation in the Schulterelevati- onsebene. Is attached via a weight compensating means 29, which receive the upper arm 19 on the upper arm rotation module (s. Fig. 5), a compensation of Ge ⁇ Klobuk Arm exoskeleton. 1
  • FIG. 7 shows a variant embodiment of a weight compensating device 29 in partially cut form, comprising a tube 30, for example made of fiber-reinforced plastic, in particular carbon-fiber plastic, in which a spiral spring 31 is arranged.
  • a tube 30 for example made of fiber-reinforced plastic, in particular carbon-fiber plastic, in which a spiral spring 31 is arranged.
  • a Federseilzugmechanismus is realized over which the weight of the arm exoskeleton 1 can be at least partially compensated.
  • the spring is stretched 31 so the resulting rope force generates a torque whose orientation ge ⁇ exactly opposite to that of gravity.
  • a geeigne ⁇ te bias length as stiffness of the spring 31 a completely autonomous arrangementskompensa ⁇ tion can be achieved over the entire range of motion.
  • This arm exoskeleton 1 is characterized by the USAGE ⁇ dung of actuators Ai, which are formed in the respective modules Mi to the movement of the respective joints Gi. Using appropriate control routines, it can support patients with upper limb motor limitations in performing everyday exercise, or even fully autonomously perform these movements in patients without sufficient muscle power.
  • the Steue ⁇ tion of the drives is made via a corresponding control device, which is supplied for example via a computer with appropriate sequences of movement. The control can take place according to predetermined movement patterns, wherein preferably the angular positions of the individual joint movements are detected and used to control the stepper motors of the drives.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Arm-Exoskelett (1) zur motorisierten Bewegung eines Armes (2), mit mehreren Modulen (Mi) und mehreren Antrieben (Ai) zur Bewegung mehrerer Gelenke (Gi) des Armes (2), wobei an jedem Modul (Mi) jeweils zumindest ein Antrieb (Ai) zur Bewegung eines Gelenks (Gi) des Armes (2) angeordnet ist, mit Einrichtungen (3) zur Befestigung des Armes (2), und mit einer mit dem zumindest einen Antrieb (Ai) verbundenen Steuereinrichtung (4). Erfindungsgemäß ist jeder Antrieb (Ai) durch einen Schrittmotor (7) und ein Getriebe (8) gebildet, sind die Module (Mi) über Stangen (5) verschiebbar miteinander verbunden, und ist ein Modul (Mi) durch ein Schultergelenksmodul (25) mit zwei Schulterbewegungs-Antrieben (26, 27) zur Bewegung des Schultergelenks (28) gebildet, welches Schultergelenksmodul (25) mit einer Gewichtskompensations-Einrichtung (29) verbunden ist, und ist eine Einrichtung (33) zur Verbindung beispielsweise mit einem Rollstuhl (34) vorgesehen.

Description

Arm-Exoskelett
Die Erfindung betrifft ein Arm-Exoskelett zur motorisierten Be¬ wegung eines Armes, mit mehreren Modulen und mehreren Antrieben zur Bewegung mehrerer Gelenke des Armes, wobei an jedem Modul jeweils zumindest ein Antrieb zur Bewegung eines Gelenks des Ar¬ mes angeordnet ist, mit Einrichtungen zur Befestigung des Armes, und mit einer mit der zumindest einen Antrieb verbundenen
Steuereinrichtung .
Ein sogenanntes Exoskelett bzw. Außenskelett stellt eine Stütz¬ struktur für einen Organismus dar und bildet eine stabile äußere Hülle um diesen Organismus. Angewendet werden künstliche Exoske- lette für die untere und obere Extremität zur Unterstützung und Verstärkung der Bewegung des Trägers und zur Rehabilitation und Verbesserung der Lebensqualität von Personen mit Einschränkungen der motorischen Fähigkeiten.
Die Hauptbewegungen der oberen Extremität werden durch 5 Freiheitsgrade definiert, nämlich
1. Rotation der Schulter in der Elevationsebene
2. Schulterelevation
3. Oberarmrotation (mediale bzw. laterale Rotation)
4. Ellenbogen-Flexion/-Extension
5. Unterarm Pro-/Supinationsbewegung
Für die Unterstützung der Bewegung der oberen Extremität sind verschiedene Varianten von Arm-Exoskeletten entwickelt worden, welche verschiedene Freiheitsgrade ermöglichen.
Beispielsweise beschreibt die EP 2 052 709 AI ein Arm-Exoske¬ lett, wobei die Bewegungen über Seilzüge realisiert werden. Der¬ artige Antriebe sind jedoch aufwendig und weisen eine große Baugröße auf, sodass eine Montage beispielsweise auf einem Roll¬ stuhl nur sehr schwer realisierbar ist.
Aus der WO 2006/058442 AI ist ein Arm-Exoskelett bekannt gewor¬ den, welches ebenfalls die Bewegungen über Seilzüge in konstruktiv sehr aufwendiger Weise realisiert. Eine Konstruktion eines Arm-Exoskeletts zur Unterstützung der Oberarmrotation ist aus der US 2007/0255190 AI bekannt geworden, wobei mit aufwendigen Messeinrichtungen die Position der oberen Extremität überwacht und die Antriebe entsprechend geregelt wer¬ den .
Ein Arm-Exoskelett der gegenständlichen Art ist auch aus der EP 2 067 462 AI bekannt geworden, welches am Körper des Trägers montiert wird und somit das gesamte Gewicht vom Träger getragen werden muss. Dies erschwert die Durchführung der Bewegungen des jeweiligen Armes.
Aus der EP 2 070 492 AI geht ein Arm-Exoskelett hervor, welches ebenfalls am Körper des Trägers befestigt wird. Darüber hinaus ermöglicht dieses Exoskelett die Bewegung der Schulter nur in einem Freiheitsgrad, nämlich der Elevation.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein oben genanntes Arm-Exoskelett zu schaffen, welches die Bewegungen auch bei Patienten ohne ausreichend vorhandener Muskelkraft er¬ möglicht, wobei der Aufbau möglichst einfach und miniaturisier¬ bar sein soll, sodass eine einfache Anwendung beispielsweise auch auf einem Rollstuhl ermöglicht wird. Nachteile bekannter Systeme sollen verhindert oder zumindest reduziert werden.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein oben genanntes Arm-Exoskelett, wobei jeder Antrieb durch einen Schrittmotor und ein Getriebe gebildet ist, die Module über Stangen verschiebbar miteinander verbunden sind, und ein Modul durch ein Schultergelenksmodul mit zwei Schulterbewegungs-Antrieben zur Bewegung des Schultergelenks gebildet ist, welches Schultergelenksmodul mit einer Ge- wichtskompensations-Einrichtung verbunden ist, und weiters eine Einrichtung zur Verbindung beispielsweise mit einem Rollstuhl vorgesehen ist. Durch die verschiebbare Verbindung der Module über Stangen wird eine einfache Anpassung an die jeweilige Größe der oberen Extremität über die Stangen ermöglicht. Für die An¬ triebe werden Motor-Getriebe-Kombinationen verwendet, welche einerseits die geforderten Drehmomente und Kräfte aufbringen können und andererseits kleinstmögliche Baugröße und Masse auf¬ weisen. Hier haben sich Miniaturschrittmotoren mit besonders ho- her Positioniergenauigkeit in Kombination mit sogenannten Harmo- nic-Drive-Getrieben besonders bewährt. Durch das mit zwei Schul- terbewegungs-Antrieben gebildete Schultergelenksmodul kann sowohl die Schulterelevation als auch die Rotation in der Schul- terelevationsebene ausgeführt werden. Durch die Verbindung des Schultergelenksmoduls mit einer Gewichtskompensations-Einrich- tung kann das Gewicht des Exoskeletts vom Schultergelenksmodul abwärts möglichst gut kompensiert und somit das benötigte Motor¬ moment reduziert werden. Durch die Einrichtung zur Verbindung beipielsweise mit einem Rollstuhl oder dergleichen kann eine einfache Installation bei Personen mit eingeschränkter Mobilität vorgenommen werden. Dadurch, dass der jeweilige Antrieb zur Bewegung des jeweiligen Gelenks des Armes im jeweiligen Modul integriert ist, resultiert ein einfacher modularer Aufbau bei geringer Baugröße und geringem Gewicht. Durch die Integration des zumindest einen Antriebs kann auch die Anpassung an die je¬ weilige Größe der oberen Extremität wesentlich einfacher erfol¬ gen, da beispielsweise keine hinderlichen Seilzüge oder
dergleichen die Anpassung erschweren. Aufgrund der geringeren Baugröße ist auch eine Montage an einem Rollstuhl einfach möglich. Das gegenständliche Arm-Exoskelett bietet eine Unterstüt¬ zung der Bewegung mehrerer Gelenke über mehrere Module mit mehreren Antrieben und bildet eine natürliche Bewegung des Armes besser nach. Es ist aber eine Rehabilitation eines bestimmten Gelenks auch nur mit einem Modul zur Unterstützung der Bewegung dieses bestimmten Gelenks möglich.
Es ist von Vorteil, wenn die Module über Klemmeinrichtungen verbunden sind. Dabei haben sich mechanische Klemmeinrichtungen in Form von Feststellschrauben oder dergleichen besonders bewährt. Es sind aber auch elektrische Klemmvorrichtungen und Versteil¬ vorrichtungen denkbar.
Vorzugsweise sind die Stangen aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus pultrudiertem Carbon-Faser-Kunststoff, gebil¬ det. Diese Materialien zeichnen sich durch niedriges Gewicht und hohe Festigkeit aus.
Ein Modul kann durch ein Handgelenksmodul mit einer Handaufnahme und mit einem Hand-Antrieb zur Bewegung des Handgelenks gebildet sein. Durch das Handgelenksmodul wird eine Unterstützung der Pro-/Supinationsbewegung der Hand um vorzugsweise +/- 45° ermöglicht. Zur Vermeidung von Druckstellen wird die Handaufnahme mit einer Schaumstoffeinlage ausgestattet in der die Hand des Pati¬ enten angeordnet wird.
Die Handaufnahme ist mit einem Rundbogen verbunden, auf welchem Rundbogen ein mit dem Hand-Antrieb verbundener Gleitschlitten angeordnet ist, der am Rundbogen abläuft, sodass die Pro-/Supi- nationsbewegung der Hand, welche in der Handaufnahme angeordnet ist, ermöglicht wird. Die Kraftübertragung vom Antrieb auf den Rundbogen erfolgt vorzugsweise über Zahnräder und entsprechend geformte Zahnstangen.
Ein Modul kann durch ein Ellenbogengelenksmodul mit einem Ellen¬ bogen-Antrieb zur Bewegung des Ellenbogengelenks des Armes ge¬ bildet sein. Das Ellenbogengelenksmodul realisiert die Flexion bzw. Extension des Ellenbogengelenks mit einem integrierten Ellenbogen-Antrieb der durch einen Schrittmotor mit einem entsprechenden Getriebe, vorzugsweise einem Hamonic-Drive-Getriebe, gebildet ist. Die Verbindung zum allfälligen Handgelenksmodul und Oberarmrotationsmodul erfolgt über entsprechende Stangen, vorzugsweise aus Carbon-Faser-Kunststoff und leicht verstellbare Klemmeinrichtungen, welche eine Anpassung an die jeweilige Unterarm- und Oberarmlänge des Patienten ermöglicht.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Modul durch ein Oberarmrotationsmodul mit einer Oberarmaufnahme zur Befesti¬ gung des Oberarmes des Arms und mit einem Oberarmrotations- Antrieb zur Rotation des Oberarmes gebildet. Durch ein derarti¬ ges Oberarmrotationsmodul kann ein weiterer Freiheitsgrad, näm¬ lich die mediale bzw. die laterale Rotation des Oberarmes, mit Hilfe des Arm-Exoskeletts simuliert und unterstützt werden. Dies erweitert den Arbeitsbereich des Arm-Exoskeletts.
Vorteilhafterweise ist die Oberarmaufnahme des Oberarmrotations¬ moduls mit einem Rundbogen verbunden, auf welchem Rundbogen ein mit dem Oberarmrotations-Antrieb verbundener Gleitschlitten angeordnet ist, sodass eine Rotationsbewegung des Oberarms ermög¬ licht wird. Dies stellt eine einfache und effiziente Realisierung des Oberarmrotationsmoduls dar. Die Oberarmaufnahme ist durch eine manschettenartige und mit entsprechendem Schaum¬ stoff geschützte Einrichtung gebildet, an deren Außenseite der Rundbogen befestigt ist, an welchem der mit dem Oberarmrotati- ons-Antrieb verbundene Gleitschlitten abläuft. Ähnlich wie beim Handgelenksmodul ist die Kraftübertrag vom Oberarmrotations- Antrieb zum Rundbogen auch hier vorzugsweise über ein Zahnrad und eine entsprechend gebogene Zahnstange realisiert.
Die beiden Schultergelenks-Antriebe können im Wesentlichen normal zueinander angeordnet sein. Dadurch können die Bewegungen in der Schulter optimal ausgeführt werden. Zur Vermeidung von
Zwangskräften müssen sich die beiden Rotationsachsen der beiden Schulterbewegungs-Antriebe im Kugelgelenksmittelpunkt schneiden. Eine Anpassung an das jeweilige Schultergelenk ist durch Verschiebung von Klemmeinrichtungen entlang der die Module verbindenden Stangen leicht und rasch möglich.
Die Gewichtskompensations-Einrichtung kann durch eine innerhalb eines Rohres angeordnete Feder gebildet werden. Dies stellt eine einfache und robuste Realisierungsmöglichkeit dar.
Wenn auf den Stangen Markierungen angeordnet sind, kann eine gewünschte Einstellung des Arm-Exoskeletts rasch vorgenommen werden bzw. die Einstellung für einen individuellen Patienten entsprechend dokumentiert werden.
Die Verbindungs-Einrichtung zur Verbindung beispielsweise mit einem Rollstuhl kann durch einen Montagerahmen gebildet werden, der an geeigneter Stelle beispielsweise am Rollstuhl befestigt wird. Für die Spannungsversorgung der Antriebe und der Steuereinrichtung des Arm-Exoskeletts kann die Batterie des elektrisch angetriebenen Rollstuhls oder auch eine gesonderte Batterie ver¬ wendet werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Prinzipskizze eines Arm-Exoske¬ letts; Fig. 2 eine Aus führungs form eines Arm-Exoskeletts mit vier Modulen, nämlich einem Handgelenksmodul, einem Ellenbogenge¬ lenksmodul, einem Oberarmrotationsmodul und einem Schulter¬ gelenksmodul ;
Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines Handgelenksmoduls;
Fig. 4 eine Ausführungsvariante eines Ellenbogengelenksmo¬ duls;
Fig. 5 eine Ausführungsvariante eines Oberarmrotationsmo¬ duls;
Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines Schultergelenksmoduls; und
Fig. 7 eine Realisierung einer Gewichtskompensations-Ein- richtung zur Kompensation des Gewichts des Arm-Exoskeletts.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Arm-Exoskeletts 1 zur Realisierung verschiedener Bewegungen der oberen Extremität. Das Arm-Exoskelett 1 dient zur Unterstützung bzw. Durchführung verschiedener vorprogrammierter Bewegungen des Armes 2, wobei zur Bewegung verschiedener Gelenke Gi des Armes 2 einzelne Modu¬ le Mi mit entsprechenden Antrieben Ai vorgesehen sind. Im konkreten Ausführungsbeispiel ist ein Handgelenksmodul Ml mit einem Antrieb AI zur Bewegung des Handgelenks Gl vorgesehen, weiters ein Ellenbogengelenksmodul M2 mit einem Antrieb A2 zur Bewegung des Ellenbogengelenks G2, ein Oberarmrotationsmodul M3 zur Rota¬ tion des Oberarmes und ein Schultergelenksmodul M4 mit zwei An¬ trieben A4 und A5 zur Durchführung der verschiedenen Bewegungen des Schultergelenks G3. Die einzelnen Module Ml bis M4 enthalten die einzelnen Antriebe AI bis A4, sodass keine Seilzüge oder an¬ dere aufwendige Antriebsverbindungen erforderlich sind. Die einzelnen Module Ml bis M4 sind über entsprechende Stangen 5 und Klemmeinrichtungen 6 (s. Fig. 2) miteinander verbunden, sodass eine individuelle Anpassung an die Armlängen des jeweiligen Patienten rasch und einfach möglich ist.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungs- gemäßen Arm-Exoskeletts 1, umfassend ein Hangelenksmodul 9 zur Bewegung des Handgelenks 12, ein Ellenbogengelenksmodul 16 zur Bewegung des Ellenbogengelenks 18, ein Oberarmrotationsmodul 19 zur Rotation des Oberarmes 21 und ein Schultergelenksmodul 25 zur Bewegung des Schultergelenks 28. Die einzelnen Module sind über Stangen 5 und Klemmeinrichtungen 6 miteinander verstellbar verbunden. Über Verbindungs-Einrichtungen 33 wird das Schultergelenksmodul 25 mit einer Halterung oder einem Montagerahmen 35 verbunden und beispielsweise am Rollstuhl 34 montiert. Es werden nunmehr die einzelnen Module anhand der Fig. 3 bis 6 näher erläutert .
Fig. 3 zeigt eine Variante eines Handgelenksmoduls 9 mit einer entsprechenden Handaufnahme 10 zur Anordnung der Hand des Patienten. Die Handaufnahme 10 ist an die jeweilige Hand des Patien¬ ten anpassbar, beispielsweise über entsprechende Gurte mit
Klettverschluss oder dergleichen. An der Handaufnahme 10 ist ein Rundbogen 13 angeordnet an dem ein mit dem Hand-Antrieb 11 ver¬ bundener Gleitschlitten beweglich montiert ist. Bei entsprechender Ansteuerung des Hand-Antriebs 11, der vorzugsweise aus einem entsprechenden Schrittmotor zusammen mit einem Harmonic-Drive- Getriebe gebildet ist, kann eine Pro-/Supinationsbewegung der Hand vorzugsweise im Ausmaß von +/- 45° erzielt werden. An den seitlichen Enden des Rundbogens 13 können Endschalter angeordnet sein, welche den Handantrieb 11 bei Erreichen der Bewegungsgrenze automatisch abschalten. Über eine Stange 5 wird das Handgelenksmodul 9 mit dem nachfolgenden Ellenbogengelenksmodul 16 (s. Fig. 4) oder anderen Einrichtungen verbunden. Zur individuellen Anpassung an die jeweilige Länge des Unterarmes kann eine Klem¬ meinrichtungen 6 zur verschiebbaren Fixierung der Stange 5 vorgesehen sein. Zum Dokumentieren bestimmter Einstellungen und rascherem Finden bestimmter Einstellungen können Markierungen 32 an der Stange 5 vorgesehen sein.
Fig. 4 zeigt eine Aus führungs form eines Ellenbogengelenksmoduls 18 mit einem Ellenbogen-Antrieb 17, der wiederum vorzugsweise durch einen miniaturisierten Schrittmotor und ein Harmonic- Drive-Getriebe gebildet ist. Über eine Stange 5 wird das Ellen¬ bogengelenksmodul 16 mit dem Handgelenksmodul 9 verschiebbar verbunden. Über eine weitere Stange 5 mit einer entsprechenden Klemmeinrichtung 6 erfolgt die Verbindung mit einem nachfolgenden Oberarmrotationsmodul 19 (s. Fig. 5) oder eine entsprechende Halterung. Auch hier können wiederum Markierungen 32 an den Stangen 5 angeordnet sein. Ein Endanschlag 36 kann die Schädi¬ gung des Ellenbogengelenks im Falle einer Störung verhindern. Mit dem Ellenbogengelenksmodul 16 kann vorzugsweise ein Winkel¬ bereich für die Flexion und Extension des Ellenbogengelenks von bis zu 165° Flexion durchgeführt werden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante eines Oberarmrotationsmo¬ duls 19 umfassend eine Oberarmaufnahme 20 in Manschettenform, in welcher der Oberarm eingelegt und beispielsweise mit Riemen be¬ festigt wird. An der Oberarmaufnahme 20 ist ein Rundbogen 23 beispielsweise mit einer gebogenen Zahnstange vorgesehen, an dem ein Gleitschlitten 24, der mit dem Oberarmrotations-Antrieb 22 verbunden ist, angeordnet wird. Bei entsprechender Ansteuerung des Oberarmrotationsantriebs 22, der wiederum durch einen minia¬ turisierten Schrittmotor mit einem Harmonic-Drive-Getriebe ge¬ bildet wird, erfolgt eine entsprechende Rotation des Oberarmes 21 um den gewünschten Winkelbereich. Die Oberarmaufnahme 20 kann aus faserverstärktem Kunststoff, beispielsweise aus pultrudier- tem Carbon-Faser-Kunststoff, gebildet sein. Über eine Klemmein¬ richtung 6 kann die Verbindung mit einer entsprechenden Stange 5 (nicht dargestellt) mit dem Ellenbogengelenksmodul 16 (s. Fig. 4) vorgenommen werden.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsvariante eines Schultergelenksmo¬ duls 25 mit zwei Schulterbewegungs-Antrieben 26 und 27, welche die Schulterelevation und die Rotation in der Schulterelevati- onsebene ausführen. Über eine Gewichtskompensations-Einrichtung 29, welche an der Oberarmaufnahme des Oberarmrotationsmoduls 19 (s. Fig. 5) befestigt wird, erfolgt eine Kompensation des Ge¬ wichts des Arm-Exoskeletts 1.
Schließlich zeigt Fig. 7 eine Ausführungsvariante einer Ge- wichtskompensations-Einrichtung 29 in teilweise geschnittener Form umfassend ein Rohr 30, beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere Carbon-Faser-Kunststoff, in welchem eine Spiralfeder 31 angeordnet ist. Über einen Seilzug 37 und eine Umlenkrolle 38 wird ein Federseilzugmechanismus realisiert über den das Gewicht des Arm-Exoskeletts 1 zumindest teilweise kompensiert werden kann. Wird die Feder 31 gespannt so erzeugt die entstehende Seilkraft ein Drehmoment dessen Orientierung ge¬ nau entgegengesetzt dem der Schwerkraft ist. Durch eine geeigne¬ te Vorspannung, Länge wie Steifigkeit der Feder 31 kann über den gesamten Bewegungsbereich eine völlig autonome Gewichtskompensa¬ tion erreicht werden.
Das vorliegende Arm-Exoskelett 1 zeichnet sich durch die Verwen¬ dung von Antrieben Ai aus, welche in den jeweiligen Modulen Mi zur Bewegung der jeweiligen Gelenke Gi ausgebildet sind. Unter Verwendung entsprechender Steuerungsroutinen können damit Patienten mit motorischen Einschränkungen der oberen Extremitäten in der Ausführung alltäglicher Bewegung unterstützt werden bzw. diese Bewegungen auch bei Patienten ohne ausreichend vorhandener Muskelkraft vollkommen autonom durchgeführt werden. Die Steue¬ rung der Antriebe wird über eine entsprechende Steuereinrichtung vorgenommen, die beispielsweise über einen Computer mit entsprechenden Bewegungsabläufen versorgt wird. Die Steuerung kann nach vorgegebenen Bewegungsmustern erfolgen, wobei bevorzugt die Winkellagen der einzelnen Gelenksbewegungen erfasst und zur Steuerung der Schrittmotoren der Antriebe verwendet werden.

Claims

Patentansprüche :
1. Arm-Exoskelett (1) zur motorisierten Bewegung eines Armes (2), mit mehreren Modulen (Mi) und mehreren Antrieben (Ai) zur Bewegung mehrerer Gelenke (Gi) des Armes (2), wobei an jedem Mo¬ dul (Mi) jeweils zumindest ein Antrieb (Ai) zur Bewegung eines Gelenks (Gi) des Armes (2) angeordnet ist, mit Einrichtungen (3) zur Befestigung des Armes (2), und mit einer mit dem zumindest einen Antrieb (Ai) verbundenen Steuereinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Antrieb (Ai) durch einen Schrittmotor (7) und ein Getriebe (8) gebildet ist, die Module (Mi) über Stangen (5) verschiebbar miteinander verbunden sind, und ein Modul (Mi) durch ein Schultergelenksmodul (25) mit zwei Schulter- bewegungs-Antrieben (26, 27) zur Bewegung des Schultergelenks (28) gebildet ist, welches Schultergelenksmodul (25) mit einer Gewichtskompensations-Einrichtung (29) verbunden ist, und eine Einrichtung (33) zur Verbindung beispielsweise mit einem Rollstuhl (34) vorgesehen ist.
2. Arm-Exoskelett (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (Mi) über Klemmeinrichtungen (6) verbunden sind.
3. Arm-Exoskelett (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stangen (5) aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus pultrudiertem Carbon-Faser-Kunststoff, gebildet sind .
4. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul (Mi) durch ein Handgelenksmodul (9) mit einer Handaufnahme (10) und mit einem Hand-Antrieb (11) zur Bewegung des Handgelenks (12) gebildet ist.
5. Arm-Exoskelett (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Handaufnahme (10) mit einem Rundbogen (13) verbunden ist, auf welchem Rundbogen (13) ein mit dem Hand-Antrieb (11) verbundener Gleitschlitten (14) angeordnet ist.
6. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul (Mi) durch ein Ellenbogengelenks¬ modul (16) mit einem Ellenbogen-Antrieb (17) zur Bewegung des Ellenbogengelenks (18) des Armes (2) gebildet ist.
7. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul (Mi) durch ein Oberarmrotations¬ modul (19) mit einer Oberarmaufnahme (20) zur Befestigung des Oberarmes (21) des Armes (2) und mit einem Oberarmrotations- Antrieb (22) zur Rotation des Oberarmes (21) gebildet ist.
8. Arm-Exoskelett (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberarmaufnahme (20) des Oberarmrotationsmoduls (19) mit einem Rundbogen (23) verbunden ist, auf welchem Rundbogen
(23) ein mit dem Oberarmrotations-Antrieb (22) verbundener
Gleitschlitten (24) angeordnet ist, sodass eine Rotationsbewe¬ gung des Oberarmes (21) ermöglicht wird.
9. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schultergelenks-Antriebe (26, 27) im Wesentlichen normal zueinander angeordnet sind.
10. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskompensations-Einrichtung (29) durch eine innerhalb eines Rohres (30) angeordnete Feder (31) gebildet ist.
11. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da¬ durch gekennzeichnet, dass auf den Stangen (5) Markierungen (32) angeordnet sind.
12. Arm-Exoskelett (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da¬ durch gekennzeichnet, dass die Verbindungs-Einrichtung (33) durch einen Montagerahmen (35) gebildet ist.
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