WO2019179814A1

WO2019179814A1 - Human-exoskelett

Info

Publication number: WO2019179814A1
Application number: PCT/EP2019/056083
Authority: WO
Inventors: Martin Storz; Gerhard Rinninger
Original assignee: HAWE Altenstadt Holding GmbH
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US20200206899A1; KR20200052323A; JP2020533125A; EP3648933A1; DE102018106846B3

Abstract

Ein zur Ankopplung an einen menschlichen Körper vorgesehenes Human-Exoskelett umfasst eine erste Skelettstruktur (1) mit einer zu ihrer Ankoppelung an eine erste Partie (4) des menschlichen Körpers geeigneten ersten Koppeleinheit (6), eine mit dieser gelenkig verbundene zweite Skelettstruktur (3) mit einer zu ihrer Ankoppelung an eine zweite Partie (7) des menschlichen Körpers geeigneten zweiten Koppeleinheit (9) und eine zwischen der ersten Skelettstruktur (1) und der zweiten Skelettstruktur (3) wirkende Verstelleinheit (10) mit mindestens einer hydraulischen Aktuatoreinheit (11) und einem diese beaufschlagenden, zwei Pumpenanschlüsse (21a, 21b) aufweisenden Hydraulikaggregat (12). Dabei ist das Hydraulikaggregat (12) fördermengenverstellbar ausgeführt; und ein erster Pumpenanschluss (21a) ist sowohl über eine Druckleitung (18a) mit einem Arbeitsraum (A) der Aktuatoreinheit (11) als auch über eine bei Druckbeaufschlagung jenes Arbeitsraumes (A) durchströmte Abströmleitung (23, 23a), in welche eine Strömungsdrossel (24, 24a) integriert ist, sowie einen dieser nachgeschalteten Beruhigungsbehälter (22) mit dem zweiten Pumpenanschluss (21b) strömungsverbunden.

Description

Human-Exoskelett

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Human-Exoskelett zur Ankopplung an einen menschlichen Körper, umfassend eine erste Skelettstruktur mit einer zu ihrer Ankoppelung an eine erste Partie des menschlichen Körpers geeigneten ersten Koppeleinheit, eine mit dieser gelenkig verbundene zweite Skelettstruktur mit einer zu ihrer Ankoppelung an eine zweite Partie des menschlichen Körpers geeigneten zweiten Koppeleinheit und eine zwischen der ersten

Skelettstruktur und der zweiten Skelettstruktur wirkende Verstelleinheit mit mindestens einer hydraulischen

Aktuatoreinheit und einem diese beaufschlagenden, zwei Pumpenanschlüsse aufweisenden Hydraulikaggregat.

Human-Exoskelette der vorstehenden Art sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der EP 1991180 Bl, WO 2010/005473 Al und WO 2010/019300 Al, bekannt. Sie sind in zwei Hauptanwendungen im praktischen Einsatz. Sie können insbesondere mobil zur Unterstützung der

Körperfunktion - namentlich im Sinne der Bereitstellung einer zusätzlichen, die Muskelkraft der betreffenden, das Exoskelett tragenden Person verstärkenden Kraft - eingesetzt werden. Andere Anwendungen sind primär

stationär, insbesondere auf dem Rehabilitations- und/oder Trainingssektor; hier kann es sowohl um einen gezielten Aufbau der körpereigenen Bewegungsfunktion durch

gesteuerte aktive Einflussnahme des Exoskeletts als auch um eine Stärkung der Körpermuskulatur durch eine Bewegung der zu trainierenden Körperpartien gegen eine gesteuerte, durch das (passiv arbeitende) Exoskelett bereitgestellte Bremskraft gehen. Eine typische Einsatzregion ist beispielsweise das Bein, wobei eine der beiden

Skelettstrukturen des Exoskeletts an den Oberschenkel und die andere Skelettstruktur an den Unterschenkel

angekoppelt wird.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, ein Exoskelett der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, dass sich in besonderer Weise für Anwendungen auf dem Einsatzgebiet der Rehabilitation eignet und durch seine immanente Betriebscharakteristik zu besonders günstigen Entwicklungen beim Fortgang der Rehabilitation beiträgt.

Gelöst wird diese Aufgabenstellung, indem bei einem gattungsgemäßen Exoskelett das Hydraulikaggregat

fördermengenverstellbar ausgeführt und ein erster

Pumpenanschluss sowohl über eine Druckleitung mit einem Arbeitsraum der Aktuatoreinheit als auch über eine bei Druckbeaufschlagung jenes Arbeitsraumes durchströmte Abströmleitung, in welche eine Strömungsdrossel

integriert ist, sowie einen dieser nachgeschalteten

Beruhigungsbehälter mit dem zweiten Pumpenanschluss strömungsverbunden ist. Die Höhe der durch die

Aktuatoreinheit bereitgestellten, je nach der

individuellen Anwendungssituation im Sinne einer

Veränderung bzw. einer Aufrechterhaltung der Lage der beiden Skelettstrukturen des Exoskeletts relativ

zueinander wirkenden Verstell- bzw. Haltekraft wird erfindungsgemäß durch eine Veränderung der Fördermenge des Hydraulikaggregats variiert, indem sich in

Abhängigkeit von der Fördermenge an der Strömungsdrossel der Abströmleitung, welche bei einer Druckbeaufschlagung des besagten Arbeitsraumes der Aktuatoreinheit

durchströmt ist, ein spezifischer Druckabfall einstellt, wodurch sich wiederum Einfluss nehmen lässt auf das

Druckniveau an der Zuströmseite der Strömungsdrossel und somit in dem beaufschlagten Arbeitsraum der hydraulischen (hydrostatischen) Aktuatoreinheit. Mit nochmals anderen Worten: Durch Variation der Fördermenge des

Hydraulikaggregats lässt sich, weil sich an der

"parallel" zu der Beaufschlagung der Aktuatoreinheit durchströmten, in der Abströmleitung angeordneten

Strömungsdrossel ein fördermengenspezifischer bzw.

-abhängiger Druckabfall einstellt, auf das Druckniveau der Beaufschlagung der Aktuatoreinheit einwirken. Durch den in Reihe zu der Strömungsdrossel angeordneten, nämlich dieser nachgeschalteten Beruhigungsbehälter wird dabei das Risiko, dass in der Strömungsdrossel stark beunruhigte Hydraulikflüssigkeit vor den zweiten

Pumpenanschluss gelangt und von diesem angesaugt wird, maßgeblich reduziert. So wird eine die Steifigkeit des hydraulischen Systems beeinträchtigende Entstehung von Ausgasungen auf der Druckseite der hydraulischen

Verstelleinheit vermieden, was eine optimal

reproduzierbare Betriebscharakteristik begünstigt. Auch das ist gerade für Anwendungen auf dem Gebiet der

Rehabilitation ein wesentlicher Gesichtspunkt.

Bei Umsetzung der vorliegenden Erfindung kann durch eine Fördermengenveränderung des Hydraulikaggregats namentlich die durch die Aktuatoreinheit bereitgestellte Kraft so eingestellt werden, dass sie größer oder kleiner ist als die von außen, d. h. durch den menschlichen Körper auf das Exoskelett ausgeübte, an der Aktuatoreinheit wirksame Verstellkraft, oder aber gleich groß wie letztere; so kann auf von außen wirkende Kräfte (z. B. Muskelkraft des das Exoskelett tragenden Menschen) abgestimmt eine Verstellung der beiden Skelettstrukturen zueinander in der einen oder der anderen Richtung oder aber ein Halten der bestehenden Stellung bewirkt werden. Als aktive

Verstellung des Exoskeletts soll dabei im Folgenden eine Veränderung der Stellung der beiden Skelettstrukturen entgegen einer von außen wirkenden Kraft verstanden werden, als passive Verstellung dagegen eine Veränderung der Stellung der beiden Skelettstrukturen mit einer von außen wirkenden Kraft, wobei bei der zuletzt genannten passiven Verstellung typischerweise die Verstelleinheit dazu dient, die Bewegung gesteuert zu bremsen, so dass diese langsamer erfolgt als ohne die Verstelleinheit.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Exoskeletts, nämlich als Folge der Beeinflussung des in dem

Arbeitsraum der hydrostatischen Aktuatoreinheit

herrschenden Arbeitsdruckes durch die von der Fördermenge des Hydraulikaggregats abhängenden strömungsdynamischen Verhältnisse an der Strömungsdrossel in der

Abströmleitung, verfügt dieses über eine besonders weiche Betriebs- und Arbeitscharakteristik. Ruckartige

Bewegungen wie Stöße und dergleichen werden vermieden, zumindest ist die Gefahr solcher Unstetigkeiten gegenüber den bekannten Exoskeletten maßgeblich reduziert. Durch den Wegfall von Stößen und sonstigen abrupten Bewegungen der beiden Exoskelett-Skelettstrukturen zueinander, die namentlich auf dem Rehabilitationssektor für die das Exoskelett tragende Person regelmäßig schmerzhaft sein und zu den Rehabilitationserfolg unterminierenden

Verkrampfungen führen können, begünstigt die Verwendung des erfindungsgemäßen Exoskeletts einen raschen und nachhaltigen Erfolg der betreffenden

Rehabilitationsmaßnahme. Diese eklatanten Vorteile rechtfertigen den bei dem erfindungsgemäßen Exoskelett bestehenden Effizienznachteil, der sich durch die

permanente Umwälzung von Hydraulikflüssigkeit durch die Abströmleitung (samt Strömungsdrossel) hindurch während der Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes der

hydraulischen Aktuatoreinheit durch das Hydraulikaggregat ergibt. Deutlich begrenzen lässt sich dieser

Effizienznachteil, indem in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung (s. u.) ein den beaufschlagten Arbeitsraum absperrendes Sperrventil vorgesehen ist, mit welchem sich die Hydraulikflüssigkeit in dem Arbeitsraum einsperren lässt, wenn - ohne Beaufschlagung der Aktuatoreinheit durch das Hydraulikaggregat und unabhängig von auf die Skelettstrukturen wirkenden äußeren Verstellkräften - die Stellung der beiden Skelettstrukturen relativ zueinander für einen bestimmten Zeitraum erhalten bleiben soll.

Die vorstehend dargelegten, aus der besonderen Betriebs und Arbeitscharakteristik des Exoskeletts resultierenden Eigenschaften sind, worauf vorsorglich hinzuweisen ist, nicht nur auf dem Rehabilitationssektor von Vorteil.

Vielmehr sind sie in gleicher Weise auch auf anderen Einsatzgebieten - mit stationären wie auch mobilen

Anwendungen - willkommen. Sie gelten im Übrigen

unabhängig von der konkreten konstruktiven Ausführung der hydraulischen Aktuatoreinheit. Nicht nur kann diese mindestens einen Linearaktuator umfassen; vielmehr kommt beispielsweise auch die Umsetzung der vorliegenden

Erfindung mit mindestens einem Drehaktuator in Betracht.

Die für die vorliegende Erfindung wesentliche

Fördermengen-Verstellbarkeit des Hydraulikaggregats lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung, das Hydraulikaggregat einen drehzahlverstellbaren

Elektromotor oder eine fördermengenverstellbare

Hydraulikpumpe umfasst. Welchem Ansatz der Vorzug zu geben ist, richtet sich nach den individuellen, für die jeweilige Anwendung maßgeblichen Randbedingungen.

Beispielsweise ist, wenn eine besonders hohe mögliche Verstelldynamik angestrebt wird, die Verwendung einer fördermengenverstellbaren Hydraulikpumpe mit gewissen Vorteilen verbunden; denn bei entsprechenden

Verstellpumpen lässt sich die Fördermenge typischerweise schneller verstellen als durch die Veränderung der

Rotordrehzahl einer Konstantpumpe. Ersichtlich kommt auch in Betracht, dass das Hydraulikaggregat sowohl einen drehzahlverstellbaren Elektromotor als auch eine

fördermengenverstellbare Hydraulikpumpe umfasst. Der erhöhte bauliche Aufwand dieser Weiterbildung

rechtfertigt sich aus einer erhöhten Flexibilität hinsichtlich der Einsatzbedingungen und einer größeren Bandbreite der möglichen Fördermengen (und somit der möglichen Druckbeaufschlagungen des Arbeitsraumes der hydraulischen Aktuatoreinheit) .

Gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung der

Erfindung ist auch die in der Abströmleitung vorgesehene Strömungsdrossel in dem Sinne verstellbar, dass sich der an ihr bei einem bestimmten Durchfluss einstellende Druckabfall veränderbar ist. Dies trägt ebenfalls zu einer erhöhten Flexibilität hinsichtlich der

Einsatzbedingungen und einer größeren Bandbreite der möglichen Druckbeaufschlagungen des Arbeitsraumes der hydraulischen Aktuatoreinheit bei. Eine andere bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Beruhigungsbehälter als geschlossener Ausgleichsbehälter ausgeführt ist.

Innerhalb des Ausgleichsbehälters befindet sich dabei vorteilhafterweise ein ( kompressibles ) Gasvolumen, um eine temperaturbedingte Volumenänderung der in dem

Hydrauliksystem aufgenommenen Hydraulikflüssigkeit zu kompensieren. Weiterhin weist der Beruhigungsbehälter bevorzugt der Hydraulikflüssigkeit ausgesetzte

wärmeleitende Einbauten, durch welche ein Wärmeentzug aus der in dem Beruhigungsbehälter aufgenommenen

Hydraulikflüssigkeit begünstigt wird, sowie eine die Wärmeabfuhr an die Umgebung begünstigende

Oberflächengestaltung (beispielsweise in Form von

Kühlrippen) auf. Die wärmeleitenden Einbauten haben dabei besonders bevorzugt auch eine strömungsleitende Funktion, d. h. sie sind bevorzugt - in Form von "Schikanen" - so ausgeführt und angeordnet, dass sie für die den

Beruhigungsbehälter im Umwälzbetrieb durchströmende

Hydraulikflüssigkeit eine maximale Verweildauer erzwingen und insbesondere strömungstechnische Kurzschlüsse

unterbinden .

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Hydraulikaggregat reversierbar ausgeführt ist, dass der (vorstehend erläuterte)

Arbeitsraum ein erster Arbeitsraum ist, und dass die Aktuatoreinheit einen zum ersten Arbeitsraum gegensinnig wirkenden zweiten Arbeitsraum umfasst. So lässt sich - durch gezielte und gesteuerte Beaufschlagung des ersten oder aber des zweiten Arbeitsraumes - bei

unterschiedlichsten äußeren Einflüssen auf das Exoskelett sowohl eine aktive als auch eine passive gesteuerte bidirektionale Veränderung der Stellung der beiden

Skelettstrukturen zueinander ebenso realisieren wie ein Halten der gegebenen Stellung. Die energetische Effizienz des Systems ist dabei günstiger als in dem (ebenfalls denkbaren) Fall, dass nur in einer Richtung der

Veränderung der Stellung der beiden Skelettstrukturen zueinander eine mittels der Aktuatoreinheit auf

hydraulischer Basis generierte Kraft wirkt, wohingegen in der entgegengesetzten Richtung eine - beispielsweise rein mechanische - Rückstellfeder wirkt, gegen welche der hydraulische Teil der Aktuatoreinheit permanent

anarbeiten müsste. Ist die Aktuatoreinheit im Sinne der vorstehenden Weiterbildung für eine bidirektionale hydraulische Verstellung des Exoskeletts ausgeführt, so ist besonders bevorzugt der zweite Pumpenanschluss des Hydraulikaggregats sowohl über eine zweite Druckleitung mit dem zweiten Arbeitsraum der Aktuatoreinheit als auch über eine bei Druckbeaufschlagung jenes zweiten

Arbeitsraumes durchströmte zweite Abströmleitung, in welche eine zweite Strömungsdrossel integriert ist, sowie einen dieser nachgeschalteten Beruhigungsbehälter mit dem ersten Pumpenanschluss strömungsverbunden. Der bei einer Druckbeaufschlagung des zweiten Arbeitsraumes

durchströmte Beruhigungsbehälter ist dabei besonders bevorzugt identisch mit jenem, der bei einer

Druckbeaufschlagung des ersten Arbeitsraumes durchströmt ist; so kommt die Verstelleinheit mit einem einzigen Beruhigungsbehälter aus, was unter Aspekten eines

möglichst geringen Gewichts und Bauraumes von Vorteil ist. Allerdings können im Rahmen der vorliegenden

Erfindung durchaus auch zwei gesonderte

Beruhigungsbehälter vorgesehen sein, so dass bei einer Druckbeaufschlagung des zweiten Arbeitsraumes die die zweite Abströmleitung durchströmende Hydraulikflüssigkeit über einen von dem ersten Beruhigungsbehälter

verschiedenen zweiten Beruhigungsbehälter zu dem ersten Pumpenanschluss zurückgeführt wird.

Ebenfalls im Sinne besonders geringer Anmessungen ist von Vorteil, wenn die Aktuatoreinheit mindestens einen doppeltwirkenden, den ersten sowie den zweiten

Arbeitsraum aufweisenden Linearaktuator umfasst. Gemäß einer insoweit besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst die Aktuatoreinheit dabei mindestens einen, bevorzugt genau einen als Gleichlauf_Zylinder ausgeführten Linearaktuator; der vollständige Volumenausgleich

zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsraum kann insoweit vorteilhaft sein, als sich keine durch ein

Differenzvolumen bedingte Ausgleichsströmung einstellt, die ggf. über die Abströmleitung (bzw. eine der

Abströmleitungen; s. u.) und die darin angeordnete

Strömungsdrossel in den Beruhigungsbehälter abzuleiten wäre .

Je nach der individuellen Beweglichkeit der beiden

Skelettstrukturen zueinander (z. B. dem maximalen

Verstellwinkel) und dem maximalen Kraft- bzw.

Momentbedarf kann sich indessen ggf. eine andere

besonders bevorzugte Weiterbildung als günstiger

erweisen, nämlich eine Ausführung der Aktuatoreinheit dergestalt, dass diese zwei gegenläufig arbeitende, als über Kreuz miteinander verschaltete Differentialzylinder ausgeführte Linearaktuatoren umfasst. Unter einer

"Überkreuz-Verschaltung" ist dabei zu verstehen, dass jeweils von dem einen Linearaktuator der

Kolbenarbeitsraum und von dem anderen Linearaktuator der Kolbenstangenarbeitsraum gemeinsam beaufschlagt werden, wobei die beiden Linearaktuatoren dergestalt relativ zu der gelenkigen Verbindung der zweiten mit der ersten Skelettstruktur angeordnet und mit den beiden

Skelettstrukturen gekoppelt sind, dass beide

entsprechenden Beaufschlagungen im Sinne der gleichen Veränderung der Stellung der beiden Skelettstrukturen relativ zueinander wirken. Der Kolbenarbeitsraum des einen Linearaktuators und der (gemeinsam mit diesem beaufschlagte) Kolbenstangenarbeitsraum des anderen

Linearaktuators bilden dabei beide einen ersten

Arbeitsraum im Sinne der vorliegenden Erfindung;

entsprechendes gilt für den zweiten Arbeitsraum. Ein besonderer Vorteil einer solchermaßen ausgeführten

Aktuatoreinheit ist darin zu sehen, dass die gelenkige Verbindung der beiden Skelettstrukturen entlastet wird; denn durch eine (teilweise oder gar vollständige)

Kompensation der entgegengerichtet wirkenden Kräfte lassen sich hohe Verstellmomente bei vergleichsweise geringen auf das Gelenk wirkenden Kräften bereitstellen . Insbesondere bei Verwendung zweier identischer

Linearaktuatoren und einer geeigneten kinematischen

Gestaltung (d. h. einer geeignet positionierten,

typischerweise symmetrischen Anlenkung der beiden

Linearaktuatoren an den beiden Skelettstrukturen) lässt sich erreichen, dass sich - bei einer Veränderung der Stellung der beiden Skelettstrukturen zueinander - das Volumen der ersten Arbeitsraumsumme und das Volumen der zweiten Arbeitsraumsumme ganz oder zumindest im

wesentlichen betragsgleich gegensinnig zueinander ändern, so dass sich wiederum keine durch ein Differenzvolumen bedingte Ausgleichsströmung einstellt, die ggf. über die Abströmleitung (bzw. eine der Abströmleitungen) und die darin angeordnete Strömungsdrossel in den

Beruhigungsbehälter abzuleiten wäre.

Es sind allerdings umgekehrt auch Anwendungsfälle

denkbar, in denen gerade eine solche Ausgleichsströmung für eine besondere, z. B. asymmetrische

Betriebscharakteristik des Exoskeletts gezielt ausgenutzt wird und somit gewünscht ist. Hier ist die Verwendung zweier unterschiedlicher Linearaktuatoren und/oder einer asymmetrischen kinematischen Ausgestaltung von Vorteil, einschließlich einer denkbaren Ausführung der

Aktuatoreinheit dergestalt, dass für eine Verstellung in der einen Bewegungsrichtung von beiden Linearaktuatoren die Kolbenarbeitsräume, für eine Verstellung in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung indessen von beiden Linearaktuatoren die Kolbenstangenarbeitsräume gemeinsam beaufschlagt werden. Oder in einem solchen Anwendungsfall kommt, wenn es auf die oben dargelegte Kraftkompensation nicht entscheidend ankommt, nur ein einziger als

Differentialzylinder ausgeführter doppeltwirkender

Linearaktuator zum Einsatz. Das wirkt sich zusätzlich auf das Gewicht, den erforderlichen Bauraum sowie die

Herstellkosten günstig aus.

Die vorstehend dargelegten Vorteile lassen sich in entsprechender Weise umsetzen, wenn statt eines

reversierbaren Hydraulikaggregats ein nicht- reversierbares Hydraulikaggregat mit einem

nachgeschalteten Stromwendeventil vorgesehen ist. Das Stromwendeventil kann dabei sogar mit dem weiter oben bereits erwähnten Sperrventil zu einer Ventilgruppe zusammengefasst sein. Indem für die Veränderung der

Wirkrichtung der hydraulischen Aktuatoreinheit deren Druckbeaufschlagung - durch Umschalten des

Stromwendeventils - umgestellt wird, ist der den

Druckausgang der Hydraulikpumpe bildende, mit der

Abströmleitung kommunizierende Pumpenanschluss wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Arbeitsraum der

Aktuatoreinheit verbunden bzw. verbindbar.

Insbesondere im Falle der Umsetzung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines reversiblen

Hydraulikaggregats ist in weitergehender bevorzugter Ausgestaltung eine Saugleitungsanordnung mit zwei

Saugleitungsabschnitten, welche die in der ersten und der zweiten Abströmleitung untergebrachten Strömungsdrosseln umgehen, vorgesehen. So wird vermieden, dass bei Umkehr der Förderrichtung des Hydraulikaggregats, d. h. bei Beaufschlagung des zweiten Arbeitsraumes der

Aktuatoreinheit durch das Hydraulikaggregat, die von diesem über den ersten Pumpenanschluss aus dem (ggf.

zweiten) Beruhigungsbehälter angesaugte

Hydraulikflüssigkeit die in der (ersten) Abströmleitung untergebrachte Strömungsdrossel durchströmen muss. Dies ist schon unter Aspekten der Energieeffizienz sinnvoll. Insbesondere aber kann so eine unnötige, ggf. zu

Ausgasungseffekten führende Beunruhigung der dem

Hydraulikaggregat zugeführten Hydraulikflüssigkeit vermieden werden, was der Systemsicherheit zugutekommt. Bei einer symmetrischen Ausführung der Verstelleinheit mit zwei jeweils eine Strömungsdrossel aufweisenden

Abströmleitungen kann die Saugleitungsanordnung

insbesondere ein Wechselventil umfassen oder zwei getrennte Rückschlagventile aufweisen. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand in der Zeichnung veranschaulichter bevorzugter

Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen, für die Ankoppelung an einem Bein hergerichteten Exoskeletts und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen, für die Ankoppelung an einem Bein hergerichteten Exoskeletts.

Das in Fig. 1 der Zeichnung in seiner bestimmungsgemäßen Anwendung, nämlich an einem menschlichen Bein

angekoppelt, gezeigte Human-Exoskelett umfasst eine erste Skelettstruktur 1 und eine über ein Gelenk 2 mit dieser verbundene zweite Skelettstruktur 3. Die erste

Skelettstruktur 1 weist eine zu ihrer Ankoppelung an eine erste Partie 4 des Beins, nämlich an den Oberschenkel 5, geeignete erste Koppeleinheit 6 auf; und die zweite

Skelettstruktur 3 weist eine zu ihrer Ankoppelung an eine zweite Partie 7 des Beins, nämlich an den Unterschenkel 8, geeignete zweite Koppeleinheit 9 auf.

Zwischen der ersten Skelettstruktur 1 und der zweiten Skelettstruktur 3 wirkt eine Verstelleinheit 10. Diese umfasst eine hydraulische Aktuatoreinheit 11 und ein diese beaufschlagendes Hydraulikaggregat 12. Die

Aktuatoreinheit 11 umfasst zwei als doppeltwirkende

Differentialzylinder 13 ausgeführte Linearaktuatoren 14. Diese arbeiten in dem Sinne - mechanisch miteinander zwangsgekoppelt - gegenläufig, dass bei einem

Verschwenken der zweiten Skelettstruktur 3 relativ zu der ersten Skelettstruktur 1 bezüglich des Gelenks 2 (Pfeile cx, ß) jeweils bei einem der beiden Linearaktuatoren 14 die Kolbenstange 15 einfährt, bei dem anderen

Linearaktuator 14 hingegen ausfährt. Die beiden

Linearaktuatoren 14 sind dabei in dem Sinne über Kreuz miteinander verschaltet, dass der Kolbenarbeitsraum 16 des einen Linearaktuators 14a und der

Kolbenstangenarbeitsraum 17 des anderen Linearaktuators 14b aus einer gemeinsamen ersten Druckleitung 18a heraus beaufschlagt werden. Umgekehrt werden der

Kolbenstangenarbeitsraum 17 des einen Linearaktuators 14a und der Kolbenarbeitsraum 16 des anderen Linearaktuators 14b aus einer anderen gemeinsamen zweiten Druckleitung 18b heraus beaufschlagt.

Das Hydraulikaggregat 12 ist fördermengenverstellbar ausgeführt. Hierzu weist es einen drehzahlverstellbaren Elektromotor 19 auf. Und zusätzlich ist die

Hydraulikpumpe 20 des Hydraulikaggregats 12

fördermengenverstellbar. Weiterhin ist das

Hydraulikaggregat 12 reversierbar, so dass es mit zwei Förderrichtungen a, b betrieben werden kann.

Mit einem ersten Pumpenanschluss 21a der Hydraulikpumpe 20 kommunizieren sowohl die erste Druckleitung 18a als auch eine zu einem Beruhigungsbehälter 22 führende erste Abströmleitung 23a. In letztere ist dabei eine erste Strömungsdrossel 24a integriert. Entsprechendes gilt für den zweiten Pumpenanschluss 21b der Hydraulikpumpe 20.

Mit diesem kommunizieren dabei nicht nur die zweite

Druckleitung 18b und die die zweite Abströmleitung 23b, sondern vielmehr auch ein den zweiten Pumpenanschluss 21b der Hydraulikpumpe 20 mit dem Beruhigungsbehälter 22 verbindender erster Saugleitungsabschnitt 25a mit einem darin integrierten Rückschlagventil 26a. Entsprechendes gilt wiederum für den ersten Pumpenanschluss 21a der Hydraulikpumpe 20, indem dieser mit einem zweiten

Saugleitungsabschnitt 25b kommuniziert.

Um das Knie aktiv zu beugen, indem die zweite

Skelettstruktur an dem Gelenk 3 relativ zu der ersten Skelettstruktur 1 im Sinne des Pfeiles bewegt wird, wird das Hydraulikaggregat 12 mit der ersten

Förderrichtung a betrieben. Hierdurch werden über die erste Druckleitung 18a sowohl der Kolbenarbeitsraum 16 des einen Linearaktuators 14a als auch der

Kolbenstangenarbeitsraum 17 des anderen Linearaktuators 14b beaufschlagt, so dass sowohl der Kolbenarbeitsraum 16 des einen Linearaktuators 14a als auch der

Kolbenstangenarbeitsraum 17 des anderen Linearaktuators 14b in diesem Sinne einen ersten Arbeitsraum A bilden. Zugleich wird Hydraulikflüssigkeit über die erste

Abströmleitung 23a in den Beruhigungsbehälter 22

verdrängt. Jene Hydraulikflüssigkeit, welche entsprechend der Bewegung der zweiten Skelettstruktur 3 relativ zu der ersten Skelettstruktur 1 aus dem Kolbenstangenarbeitsraum 17 des einen Linearaktuators 14a und dem

Kolbenarbeitsraum 16 des anderen Linearaktuators 14b verdrängt wird, gelangt - durch die zweite Druckleitung 18b - vor den zweiten Pumpenanschluss 21b. Bei der veranschaulichten Gestaltung des Exoskeletts entspricht dabei die Menge der über die zweite Druckleitung 18b aus der Aktuatoreinheit 11 verdrängten Hydraulikflüssigkeit im Wesentlichen derjenigen, die der Aktuatoreinheit 11 über die erste Druckleitung 18a zugeführt wird. Somit entspricht - in Abwesenheit einer nennenswerten

Ausgleichsströmung (s. o.) - die Menge an

Hydraulikflüssigkeit, welche die Pumpe 20 an ihrem zweiten Pumpenanschluss 21b über den ersten

Saugleitungsabschnitt 25a aus dem Beruhigungsbehälter 22 ansaugt, im Wesentlichen dem über die erste

Abströmleitung 23a in den Beruhigungsbehälter 22

verdrängten Mengenstrom. Eine qualitativ entsprechende Beaufschlagung erfolgt, wenn das Exoskelett dem Strecken des Beines (Pfeil ß) mittels der körpereigenen Muskulatur einen Widerstand entgegensetzen soll.

Zur Abfuhr jener Verlustwärme, welche durch die permanent parallel zur Beaufschlagung des Arbeitsraumes A

erfolgende Umwälzung der Hydraulikflüssigkeit durch die Abströmleitung 23a generiert wird, weist der

Beruhigungsbehälter 22 sowohl innenliegende, von der Hydraulikflüssigkeit umspülte Rippen 27 als auch

außenliegende, die entsprechende Abwärme an die Umgebung abgebende Kühlrippen 28 auf. Die Rippen 27 bewirken dabei zusätzlich eine maximale Verweildauer der

Hydraulikflüssigkeit in dem Beruhigungsbehälter 22, indem sie einen strömungstechnischen Kurzschluss zwischen der Abströmleitung 23a und dem Saugleitungsabschnitt 25a unterbinden. Ebenfalls verhindern - durch ihre Anordnung jeweils zwischen der ersten Abströmleitung 23a und dem zweiten Saugleitungsabschnitt 25b bzw. zwischen der zweiten Abströmleitung 23b und dem ersten

Saugleitungsabschnitt 25a - Rippen 27 einen

strömungstechnischen Kurzschluss dergestalt, dass

Hydraulikflüssigkeit, welche durch eine Abströmleitung 23 und die darin angeordnete Strömungsdrossel 24

(entsprechend beunruhigt) in den Beruhigungsbehälter 22 gelangt, bei einer Umkehr der Förderrichtung des

Hydraulikaggregats 12 sofort wieder über den benachbarten Saugleitungsabschnitt 25 angesaugt werden kann. Für umgekehrte Bewegungsabläufe, d. h. um unter Einsatz des Exoskeletts das Knie aktiv zu strecken (Pfeil ß) bzw. um dem Beugen des Beines (Pfeil ) mittels der

körpereigenen Muskulatur einen Widerstand

entgegenzusetzen, wird das Hydraulikaggregat 12 mit umgekehrter Förderrichtung b betrieben. In diesem

Betriebsmodus bilden sowohl der Kolbenstangenarbeitsraum 17 des einen Linearaktuators 14a als auch der

Kolbenarbeitsraum 16 des anderen Linearaktuators 14b einen zum ersten Arbeitsraum A gegensinnig wirkenden zweiten Arbeitsraum B. In einer Modifikation könnten die beiden Saugleitungsabschnitte 25a und 25b Teil einer ein gemeinsames Wechselventil umfassenden

Saugleitungsanordnung sein; in diesem Falle würden die beiden Rückschlagventile 26a und 26b entfallen.

Soweit nicht den nachfolgenden Erläuterungen

Gegenteiliges entnehmbar ist, gelten für das in Fig. 2 der Zeichnung veranschaulichte zweite Ausführungsbeispiel die vorstehenden Ausführungen in entsprechender Weise. Es werden - zur Vermeidung von Wiederholungen - nur die relevanten Abweichungen erläutert.

Zum einen umfasst hier die Aktuatoreinheit 11' nur einen einzigen doppeltwirkenden, als Gleichlauf_Zylinder 29 ausgeführten Linearaktuator 14'. Weiterhin ist statt eines reversierbaren Hydraulikaggregats ein nicht- reversierbares Hydraulikaggregat 12 ' mit einem

nachgeschalteten Stromwendeventil 30 vorgesehen. In das Stromwendeventil 30 ist dabei zusätzlich eine

Sperrfunktionalität integriert, sodass es zusätzlich ein die beiden Arbeitsräume A und B absperrendes Sperrventil 31 darstellt. Ferner ist hier die in die (einzige)

Abströmleitung 23 integrierte Strömungsdrossel 24

verstellbar ausgeführt. Es ist zu betonen, dass die dargelegten Abweichungen des in Fig. 2 gezeigten

Ausführungsbeispiels von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nicht voneinander abhängen, so dass sie

insbesondere auch unabhängig voneinander implementiert werden können. So kann beispielsweise auch eine

Aktuatoreinheit nach Fig. 1 mittels der in Fig. 2

veranschaulichten Druckversorgungseinheit betrieben werden. Weiterhin können statt einer kombinierten

Ventileinheit, in welcher das Stromwendeventil 30 und das Sperrventil 31 zusammengefasst sind, diese beiden Ventile auch getrennt und unabhängig voneinander verbaut sein.

Claims

Ansprüche

1. Human-Exoskelett zur Ankopplung an einen

menschlichen Körper, umfassend eine erste

Skelettstruktur (1) mit einer zu ihrer Ankoppelung an eine erste Partie (4) des menschlichen Körpers geeigneten ersten Koppeleinheit (6), eine mit dieser gelenkig verbundene zweite Skelettstruktur (3) mit einer zu ihrer Ankoppelung an eine zweite Partie (7) des menschlichen Körpers geeigneten zweiten

Koppeleinheit (9) und eine zwischen der ersten

Skelettstruktur (1) und der zweiten Skelettstruktur (3) wirkende Verstelleinheit (10, 10') mit

mindestens einer hydraulischen Aktuatoreinheit (11, 11') und einem diese beaufschlagenden, zwei

Pumpenanschlüsse (21a, 21b) aufweisenden

Hydraulikaggregat (12, 12'), wobei das

Hydraulikaggregat (12, 12') fördermengenverstellbar ausgeführt und ein erster Pumpenanschluss (21a) sowohl über eine Druckleitung (18a) mit einem

Arbeitsraum (A) der Aktuatoreinheit (11, 11') als auch über eine bei Druckbeaufschlagung jenes

Arbeitsraumes (A) durchströmte Abströmleitung (23, 23a), in welche eine Strömungsdrossel (24, 24a) integriert ist, sowie einen dieser nachgeschalteten Beruhigungsbehälter (22) mit dem zweiten

Pumpenanschluss (21b) strömungsverbunden ist.

2. Exoskelett nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikaggregat (12, 12') einen

drehzahlverstellbaren Elektromotor (19) umfasst.

3. Exoskelett nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydraulikaggregat (12, 12') eine fördermengenverstellbare Hydraulikpumpe (20) umfasst .

4. Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsdrossel (24) verstellbar ist.

5. Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beruhigungsbehälter (22) als geschlossener Ausgleichsbehälter ausgeführt ist.

6. Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum (A) ein erster Arbeitsraum ist, dass die Aktuatoreinheit (11, 11') einen zum ersten Arbeitsraum (A) gegensinnig

wirkenden zweiten Arbeitsraum (B) umfasst und dass das Hydraulikaggregat (12) reversierbar ausgeführt ist .

7. Exoskelett nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Pumpenanschluss (21b) des

Hydraulikaggregats (12) sowohl über eine zweite Druckleitung (18b) mit dem zweiten Arbeitsraum (B) der Aktuatoreinheit (11) als auch über eine bei Druckbeaufschlagung jenes zweiten Arbeitsraumes (B) durchströmte zweite Abströmleitung (23b) , in welche eine zweite Strömungsdrossel (24b) integriert ist, sowie einen dieser nachgeschalteten

Beruhigungsbehälter (22) mit dem ersten

Pumpenanschluss (21a) strömungsverbunden ist.

8. Exoskelett nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (11, 11') mindestens einen doppeltwirkenden, den ersten sowie den zweiten

Arbeitsraum (A, B) aufweisenden Linearaktuator (14a, 14b; 14') umfasst.

9. Exoskelett nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (11') mindestens einen, bevorzugt genau einen als Gleichlauf_Zylinder (29) ausgeführten Linearaktuator (14') umfasst.

10. Exoskelett nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (11) zwei gegenläufig arbeitende, als Differentialzylinder (13) ausgeführte Linearaktuatoren (14a, 14b)

umfasst .

11. Exoskelett nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (11) zwei doppeltwirkende, über Kreuz miteinander verschaltete

Differentialzylinder (13) umfasst.

12. Exoskelett nach einem der Ansprüche 7 bis 11,

dadurch gekennzeichnet, dass eine

Saugleitungsanordnung mit zwei jeweils eine der Strömungsdrosseln (24a, 24b) umgehenden

Saugleitungsabschnitten (25b, 25a) vorgesehen ist.

13. Exoskelett nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugleitungsanordnung ein Wechselventil umfasst .

14. Exoskelett nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugleitungsanordnung zwei getrennte

Rückschlagventile (26a, 26b) aufweist.

15. Exoskelett nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass statt eines reversierbaren Hydraulikaggregats ein nicht-reversierbares Hydraulikaggregat (12') mit einem nachgeschalteten Stromwendeventil (30)

vorgesehen ist.

16. Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehaktuator vorgesehen ist .

17. Exoskelett nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

dadurch gekennzeichnet, dass ein den mindestens einen Arbeitsraum (A, B) absperrendes Sperrventil (31) vorgesehen ist.