WO2021089087A1 - Verfahren zur steuerung und regelung einer vorrichtung umfassend ein bewegungsmodul in ihrer interaktion mit einem menschen sowie eine derart gesteuerte vorrichtung - Google Patents

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movement
person
energy
max
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Alexander KÖNIG
Helfried Peyrl
Erfan Shahriari
Sami Haddadin
Dinmukhamed Zardykhan
Xavier HILDENBRAND
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ReActive Robotics GmbH
Technische Universität München
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    • A61H2205/10—Leg

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling and regulating a device comprising a movement module in its interaction with a person.
  • statements about the state of health or the rehabilitation progress of a patient can be made by evaluating the interaction of a person with a rehabilitation robot.
  • the present invention is based on the object of providing a method for controlling and regulating a device comprising a movement module, in particular a rehabilitation robot, which is improved compared to the prior art and which not only improves the interaction of the device with a person, but also also offers a possibility of drawing conclusions on the participation of the human being in the given movement based on said interaction and then controlling the device in accordance with this participation.
  • the method according to the invention for controlling and regulating a device, comprising at least one movement module, in its interaction with a person is characterized in that an energy network is defined at least consisting of: a first power component P in , which describes the amount of energy supplied per unit of time by the device to a total energy S of a system made up of a device and a person; a second power component P diss, which describes the amount of energy lost per unit of time by the device outside of the work to be performed primarily with the aid of the movement module through internal control and regulation processes; and - a third power component P h , which describes the amount of energy supplied by humans for total energy S per unit of time; -
  • the total energy S of the energy network is defined as a control variable, that is, of the system made up of the device and human being; the speed at which the device interacts with the human being via a movement module is defined as a control variable ⁇ , the movement module being intended to traverse a predetermined trajectory X d ;
  • the method according to the invention defines an energy network, which enables the entire power cycle, in particular the dynamics of the energy or power flow, to be considered in the device-human system and the human contribution to the control can advantageously be taken into account.
  • This energy-based regulation method which is based on a control / limitation of the total energy S, which describes both the energy amounts of the device and the energy amounts of the person, advantageously gives the person using the device both spatial and spatial levels, depending on the state of participation Temporal degrees of freedom during the execution of the movement and thus promotes the training or rehabilitation process.
  • a healthy person can follow a movement given by a rehabilitation mechanism - expressed by a given trajectory of a movement module of the rehabilitation mechanism - that is, the person can, for example, follow the speed of the movement of the movement module so precisely that the interaction force between person and device is negligibly small is.
  • a person with impaired health can normally no longer follow the specified movement of the movement module as described.
  • An error arises, namely a deviation between the specified trajectory and the actual trajectory followed by the movement module, in particular the end effector of the device.
  • a “nominal trajectory” is understood to mean the sequence of movements specified by a therapist (to be aimed for from a therapeutic point of view). If a movement actually takes place along this target trajectory, the control variable ⁇ has a value of 1.
  • a “trajectory predetermined by the device (the movement module) in short: predetermined trajectory (desired trajectory)” is understood to mean the movement path or the sequence of movements of the movement module, in particular its end effector, which the movement module follows according to the control algorithm it is given tries. The need to follow such a trajectory arises, for example, when the control variable is ⁇ # 1.
  • an “actual trajectory” is understood to mean the actually physically realized movement path of the movement module, in particular its end effector.
  • the actual trajectory can deviate from the predefined trajectory because, for example, the impedance control of the device is set to be soft and allows the person (patient) to deflect the end effector of the device by exerting a force on it.
  • the above-mentioned error which can arise when a person with impaired health moves, is expressed as a deviation of the actual trajectory from the specified trajectory.
  • this error is mapped in a controlled variable, namely in the total energy S of the energy network, that is, of the system made up of the device and the person.
  • the total energy S is a function of the three power components P in , P h and P diss defined above.
  • this controlled variable - the total energy S - should now remain in a specific, “preferred” range, namely in a range S S max - S ⁇ .
  • the variable S can be influenced or is influenced by the device via its power component P in and by the person via his performance contribution P h . This can be expressed mathematically in Eq. 20 (see below), which describes the change in total energy S over time.
  • S lies outside the preferred range, that is, S> S max - S ⁇ .
  • the deviation of the actual trajectory from the given trajectory is very strong, which can be caused, for example, by the fact that the person moves (much) too slowly or (much) too fast compared to the movement given by the movement module.
  • the goal in this case is to reduce the total energy S, that is to bring the variable S back into the preferred range S S max -S ⁇ .
  • the performance component P h describes the physical force “generated” by humans. It is zero if the person follows the specified trajectory perfectly, i.e. if the actual trajectory is equal to the specified trajectory. P h is negative when the person tries to approach the desired trajectory because errors in position and speed are reduced and the total energy S is thus reduced.
  • the device supports the person in reducing the total energy S by changing the power component P in .
  • the power component P in describes the power at the respective desired end effector position within a predetermined trajectory.
  • the power component P in can be calculated according to G1. 13 and 23 can be influenced by the control variable ⁇ .
  • a variation of the control variable ⁇ now sets in, which is reduced by changing P into the total energy S and it can again approach the preferred range S S S max - S ⁇ .
  • the device is a rehabilitation mechanism, suitably designed for a planned rehabilitation of at least the joints, muscles and tendons of the lower extremities of a person with a movement module that can be brought into operative connection with the lower extremities of the person;
  • the movement module comprises at least one force sensor for measuring an amount of a force between the movement module and the lower extremity of the person and at least one angle sensor for measuring the direction of the force between the movement module and the lower extremity of the person.
  • the method is particularly suitable good for controlling and regulating such a rehabilitation mechanism, since it advantageously enables continuous adaptation to the current state of health or fitness of the person and thereby optimizes the success of the rehabilitation.
  • control variable ( ⁇ ) advantageously allows independent control and regulation of a device for the area in which the first power component (P in ), ie the power input into the system generated by a movement generator, is greater than zero (P in > 0) and for the range in which the first power component (P in ) is less than zero (P in ⁇ 0).
  • control variable ⁇ advantageously takes into account periods in which the patient cannot (immediately) follow the movement cycle specified by the device.
  • introduction of the parameter ⁇ provides the possibility of a temporary standstill or waiting state of the device.
  • the variation of the control variable ⁇ during the movement of the movement module as a function of the determined total energy S in particular by implementing a filter, a rate limitation and / or by limiting an amount of the first derivative of the control variable ⁇ according to the Total energy S, be damped.
  • vibrations perceived as disturbing which can arise when the control variable ⁇ varies in the system through feedback to the total energy S, can advantageously be minimized.
  • Such vibrations can arise in particular when the dependence of the control variable ⁇ on the total energy S, which can also be referred to as the total storage function S, has a high sensitivity.
  • the total energy (S) comprises a virtual amount of energy and an actual amount of energy.
  • Such an energy storage function of the control deviation S ce advantageously takes into account all device-related amounts of energy in the present system.
  • the energy storage function S ce is determined either via the first power component P in , the first power component P in being offset against the second power component P diss; or is calculated using an interaction force between the device and the person, in particular by a force sensor for measuring an amount of a force between the movement module and the lower extremity of the person.
  • the energy applied by the device could in principle be used and offset against the energy “consumed” by the mechanical structure of the device. For this, however, good models of the respective device would be necessary.
  • a simpler way of determining the energy storage function S ce is to determine the force of interaction between the device and person, in particular the force of interaction at the end effector of the device.
  • this interaction force can be calculated using a kinetic model of the device and the axis torques.
  • said interaction force can also be determined by measurement.
  • the force sensor can advantageously be used to measure an amount of a force between the movement module and the lower extremity of the person.
  • the energy storage function S ce can then be calculated directly from the measured interaction force; on the other hand, the values measured by the force sensor can also be used to determine deviations in the position, which the end effector of the device by applying the interaction force from its ideal Position (in the sense of an admittance regulation - see above).
  • the model of the device used for this describes the behavior of the end effector as a virtual spring-damper system with specified stiffness and damping, whereby the end effector is deflected from its specified trajectory by applying an external force to the force sensor according to the virtual spring constant.
  • the energy storage function S ce can then be calculated from the deviation from the specified trajectory.
  • a learning factor K 1 and / or a forgetting factor K f for determining a state of participation of the person in the movement specified by the device can preferably be changed over time, preferably linearly, until the learning factor K 1 and / or the forgetting factor K f has reached a previously defined end value.
  • the learning factor K 1 and / or the forgetting factor K f can thereby advantageously be dynamically adapted to the fitness level of the person, in particular to the current state of fatigue of a patient during a therapy session, during exercise therapy.
  • a value for the limit value (S max ) can advantageously be selected in a first iteration step, at which the device fully supports the person in performing the movement and the control variable ( ⁇ ) has the value 1; with each further iteration step the value of the limit value (S max ) is reduced as long as the control variable ( ⁇ ) maintains the value 1; and if the control variable ( ⁇ ) deviates from the value 1, the value of the limit value (S max ) is increased again in a next iteration step.
  • Such an iterative learning process for determining an optimal limit value (S max ) advantageously enables the determination of the person's ability to participate without the use of additional sensors, as would be required, for example, in the context of electromyography (EMG).
  • EMG electromyography
  • the device can first run through n movement cycles without a predetermined limit value (S max ), the number n of movement cycles in the range of 2 n 5 movement cycles, is preferably at 3 movement cycles.
  • An S ( ⁇ ) profile can be recorded and then a mean value of the recorded S ( ⁇ ) values can be calculated as an initial limit value (S init ( ⁇ )), which in a first iteration step of the iterative learning process in the
  • S init ( ⁇ ) with ⁇ ⁇ 1 can serve as the starting value for the limit value (S max ).
  • the learning factor (K 1 ) and / or the forgetting factor (K f ) can also be used to determine a participation state of the person can be scaled on the movement specified by the device as a function of the initial limit value (S init ( ⁇ )).
  • An initialization can advantageously increase the patient specificity of the method according to the invention.
  • the start value for the limit value (S max ) for the the total storage function corresponding to the total energy (S) can be automatically determined individually for different patients with different clinical pictures.
  • an embodiment of the method according to the invention has also proven itself in which a limit value (S max ) to be selected for the execution of a movement for the total storage function corresponding to the total energy (S) as a function of describing the movement progress within a movement cycle of the device the phase value ( ⁇ ) is divided into regions ( ⁇ i ( ⁇ )), where one region ( ⁇ i ( ⁇ )) describes the phase value range from ⁇ str, i to ⁇ str, i + 1 , and the limit value to be selected ( S max ( ⁇ )) is defined independently for each region ( ⁇ i ( ⁇ )), where for all phase values ( ⁇ ) of a region ( ⁇ i ( ⁇ )): where ⁇ ⁇ 0 describes a smoothing range which comprises a smaller value range of phase values ( ⁇ ) than the regions ( ⁇ i ( ⁇ )), in particular one tenth of the phase values (f) of the corresponding region ( ⁇ i ( ⁇ )), and is the limit value associated with the respective region ( ⁇ i ( ⁇ )).
  • a therapist can advantageously define different zones for the activation of different muscle groups and, according to these zones, determine the support effect provided by the device and the extent of the adaptation of the device within these zones.
  • the extent of the support effect can be described here by a smooth function, which advantageously prevents interruptions or disturbances in the sequence of movements.
  • the present invention also relates to a device comprising a rehabilitation mechanism suitably designed for a planned rehabilitation of at least the joints, muscles and tendons of the lower extremities of a person with a movement module which can be brought into operative connection with the lower extremities of the person;
  • the movement module comprises at least one force sensor for measuring an amount of a force between the movement module and the lower extremity of the person and at least one angle sensor for measuring the direction of the force between the movement module and the lower extremity of the person, which is characterized in that the device comprises a control unit which is set up to control and regulate the device according to a method according to claims 1 to 14.
  • FIG. 1 shows an energy flow diagram, on which the method according to the invention is based, of a system comprising a device and a person;
  • 2a shows a first example of a functional dependence of a control variable (W) on a total energy (S) as a controlled variable
  • 2b shows a second example of a functional dependence of a control variable ( ⁇ ) on a total energy (S) as a controlled variable
  • 3 shows a block diagram of an exemplary learning process within the scope of the method according to the invention
  • FIG. 4a shows a first embodiment of a device which can be controlled with the method according to the invention
  • FIG. 4b shows a second embodiment of a device which can be controlled with the method according to the invention.
  • the method according to the invention for controlling and regulating a device 1, at least comprising a movement module 50, in its interaction with a human M is in principle not device-specific and can be used in the control and regulation of a large number of devices 1, in particular robot systems.
  • the use of the method is particularly preferred, however, for controlling and regulating robot systems which are used for medical technical support in the rehabilitation of patients, in particular after a stroke or after a serious accident impairing physical and / or cognitive abilities.
  • a rehabilitation mechanism as disclosed in DE 10 2015 117 596 B3 by one of the applicants.
  • a rehabilitation robot system consisting of a vertically adjustable bed and two robot arms for interacting with the legs of a human M is considered below as a model system or device 1 (cf. also FIGS. 4a and 4b). 4b).
  • 4a and 4b show a first and a second embodiment of a device 1 which can be controlled with the method according to the invention.
  • Such a device 1 preferably comprises a rehabilitation mechanism 30, suitably designed for a planned rehabilitation of at least the joints, muscles and tendons of the lower extremities of a person M with a movement module 50 which can be brought into operative connection with the lower extremities of the person M;
  • the movement module 50 comprises at least one force sensor 51 for measuring an amount of a force between the movement module 50 and the lower extremity of the person M and at least one angle sensor 52 for measuring the direction of the force between the movement module 50 and the lower extremity of the person M .
  • the device 1 is controlled or regulated via a control unit 11 in accordance with the method according to the invention.
  • Each robot arm preferably comprises n motorized joints and a passive end joint in order to avoid overdetermination and thus to take the respective orientation of the leg (s) of the human M into account.
  • the robot arms are regarded as identical, so that the explanations can be limited to one robot arm, but also apply accordingly to the other arm.
  • the control scheme according to the invention is based on an adaptation of the movement to be carried out by the robot (“robot desired motion”) ⁇ R 3 to shape the energy flow within the system from device 1 and human M and thereby control the energy transfer between human M and device 1.
  • robot desired motion the speed at which the robot traverses the trajectory is adapted so that a predefined energy limit value is also adhered to.
  • the adapted trajectory (“reformed trajectory”) obtained in this way is then transferred as input to a control unit for regulating the reciprocal action movement in order to obtain an introduced torque (“input torque”) for the robot actuators (cf. . Fig. 1).
  • FIG. 1 shows an energy flow diagram, on which the method according to the invention is based, of a system comprising a device 1 and a person M.
  • control error energy storage function For such a device 1, in particular for such a robot, the following energy storage function of the control deviation (“control error energy storage function”) can be defined
  • FIG. 4a shows that the energy flow for the end effector of the device 1, in particular the robot, can be described in a similar way.
  • the inertia matrix is defined as where I zz, ee ⁇ R + is the last component of the inertia tensor of the end effector.
  • energy-based control modeling is used to examine the stability of a system by means of a passivity analysis.
  • such models have further advantages, namely, for example, a description of the energy flow between two independent (sub) systems. This is of particular interest if one of the (sub) systems acts unpredictably, as in the case of a human M (in his interaction with a device 1).
  • a corresponding example can be found in SHAHRIARI, E., KRAMBERGER, A .; GAMS, A., UDE, A., HADDADIN, S .: Adapting to contacts: Energy tanks and task energy for passivity-based dynamic movement primitives; 2017 IEEE-RAS 17 th International Confer- ence on Humanoid Robotics (Humanoids), Birmingham, 2017, pp 136-142 (doi: 10.1109 / HUMANOIDS.2017.8239548).
  • the control and regulation method according to the invention now provides for using the energy models derived above in such a way that the energy which is transmitted from the device 1 to the person M is limited and the response threshold of the device 1 to the movements of the person M is planned to vote.
  • Equation (20) also shows that the flow of energy between device 1 and person M depends directly on the total storage fraction S.
  • a large value of S can be interpreted as a large amount of stored energy which can be transferred to human M whenever P h ⁇ 0. According to equation (21), this can be the case when the movement predetermined (generated) by the device 1 takes place against a force exerted by the person M.
  • the exact choice of S max influences the response threshold of the device 1 to deviations between the movement of the human M and the desired, predetermined movement of the device 1, in particular the robot or the movement module 50 of the device 1.
  • the total storage function S cannot be controlled directly because it is a function of the unpredictable movement of the person M, ie as can be seen from equations (20) and (21). However, as can be seen from equation (13), S can be controlled, or in other words “shaped”, indirectly via P in , by adapting X d using (S - S max) as a reference. It must be taken into account that the control or shaping of the energy should not change the trajectory pattern or the specified trajectory amplitude specified by a therapist, but only the speed of the desired movement.
  • the specification of the trajectory pattern can be done in any way, but it has been found, especially for demonstration purposes, to use a smooth sine function proven, where A ⁇ R ⁇ 0 describes the amplitude and ⁇ R ⁇ 0 the frequency of the desired cyclic movement.
  • the periodic phase ⁇ ⁇ [0,1] describes the movement progress within a cycle and is determined by for each point in time t where t 0 describes the start time of the cyclic movement.
  • the desired speed and ultimately also the energy of the overall system can be controlled or shaped by adapting W, taking into account a given trajectory amplitude.
  • the phase value ⁇ can also be used to determine when one leg of a person M has run through a full cycle of movement in order to then trigger the movement of the other leg. This advantageously prevents independent and chaotic movement profiles of the legs in relation to one another.
  • a law for the movement adaptation for a smooth adaptation of ⁇ can finally read as follows: where S max - S ⁇ describes the limit value for S at which energy control or shaping begins and ⁇ p and ⁇ n denote the maximum permitted positive and negative values for W, respectively.
  • a law preferred according to the invention for the movement adaptation for a smooth adaptation of ⁇ can also read as follows:
  • a region S ⁇ is defined in the middle of the area S ⁇ , in which the control variable ⁇ is set equal to zero.
  • 2a and 2b each show a first and second example of a functional dependency of a control variable ⁇ on a total energy S as a control variable.
  • the standard value for ⁇ is 1. If S exceeds the permitted limit value, the regulation or change of ⁇ depends on the value of P in , ie on the direction of the power flow. If P in > 0, that is to say the device 1 supplies energy to the system at the point in time when the limit value is exceeded, ⁇ is reduced in order to slow down or even reverse the desired, predetermined movement. If P in ⁇ 0, the energy limit value is exceeded by the fact that the person m supplies energy to the system, ⁇ is increased to avoid the tracking error, ie and reduce what Energy is taken from the system and the system is brought to a safer (stability) level. 2a shows ⁇ as a function of S according to equation (25).
  • FIG. 2b shows a second example of a functional dependency of the control variable ⁇ on a total energy S as a control variable, as is shown in particular by G1. 25a can be described.
  • response thresholds (“responsiveness level”) of the device 1, the following values in particular can be selected for the parameters or relationships between the parameters:
  • the value S P2 here corresponds to the value S max from FIG. 2a.
  • the value S p1 corresponds to the difference S max - S ⁇ and, as can be seen from the table above, can be used to set all parameters S nx on the side with P in > 0.
  • the zero crossing of ⁇ (S) that is to say the change in sign from ⁇ (S) ⁇ 0 to ⁇ (S)> 0, corresponds to a change in direction of the movement specified by the device 1. In the case shown in FIG. 2b, this change in direction does not take place suddenly, as in FIG. 2a, but more gently and therefore more pleasant for the person M.
  • the value ⁇ n can be set equal to zero, which makes it impossible for the patient to (inadvertently) reverse the specified direction of movement.
  • equating the parameters S n2 and S n3 can lead to a destabilization of the movement of the device 1.
  • control variable ⁇ is defined as follows:
  • Device 1 is at a standstill within a movement cycle. This means that the device moves 1 (so if the time derivative of the phase value ⁇ ⁇ 0), is the factor equals zero. As soon as the
  • Device 1 stops, for example due to a resistance by the patient (human M) (time derivative of the phase value ⁇ ⁇ 0), the factor increases over time.
  • high values of S max correspond to a low response threshold of the device 1 to movements of the person M and vice versa.
  • the desired, specified movement is therefore not adapted. Instead, the person M is pulled along by the device 1, in particular the robot or the movement module 50 of the device 1, in accordance with the path of movement / trajectory specified by a therapist, with the extent of his active participation or even a possible resistance to the specified movement (each represented by the quantity P h ) is taken into account.
  • Such a regulation is useful in cases in which the person M is unable to move his legs independently and requires a high or complete support of the device 1.
  • a preferred way of realizing this is to reduce the interaction force between the leg (s) and the device 1.
  • the choice of the value S max depends on the state of health of the person M, whereby it must be taken into account that active participation has a beneficial effect on the healing process and can prevent the risk of further complications occurring. For this reason, a regulation with low values of S max is advantageous for people M with a relatively high level of personal strength and ability the device 1, in particular the robot or the movement module 50 of the device 1, to act. If, however, a person M is not able to actively participate in the movement, the value of S max must be kept at a high value in order to carry out a therapy movement. The optimal value for S max thus results from the lowest value for the respective person M at which the desired, predetermined movement is only changed minimally. If S max is continuously adapted in accordance with this rule, the variable S max can accordingly be used as a measure of the human being's ability to participate in the given movement.
  • S max should accordingly be adapted to the current ability of the person M to participate during the entire movement.
  • the state of participation of the person M can either be monitored by additional sensors, such as in particular in the context of electromyography (EMG).
  • EMG electromyography
  • the participation status can also be determined by a learning algorithm of the device 1 and advantageously without the use of further sensors.
  • FIG. 3 shows a block diagram of an exemplary learning process within the scope of the method according to the invention.
  • a comparatively high value for S max is selected. This value is set so high that the device 1 fully supports the human M in movement, so that the law for the adaptation to a desired, specified movement according to equation (25) is not “triggered” and ⁇ the value 1 maintains.
  • the value of S max is iteratively reduced with each cyclical movement passed through (ie using a forgetting algorithm) as long as ⁇ maintains the value 1.
  • this learning process can be described after the i-th iteration as follows where describes the average of all values of ⁇ during the i-th iteration and K 1 and K f denote a learning or forgetting factor.
  • K 1 >> K f is preferably selected, so that the learning factor K 1 is of greater importance.
  • FIG. 3 Such an iterative learning process is shown in FIG. 3 using a block diagram as an example.
  • the original trajectory x d * is adapted in the trajectory generator on the basis of the energy stored in the system and the learned maximum permitted energy.
  • control and regulation method described can now also consist in enabling a therapist to divide the mode of operation of the device 1 into different areas (regions ⁇ i ) depending on the muscles or muscle groups to be activated or trained and for each of these regions ⁇ i the extent of assistance (“assistance level”) or the mode of operation of the device 1 to be set in a targeted manner.
  • the extent of support that is to say the “assistance level” of the device 1, is defined as a smooth function which avoids interruptions in movement of the device 1 as far as possible.
  • control and regulation can preferably be based on a division into regions ⁇ i on the basis of the phase value ⁇ , as defined in equation (24).
  • the region ⁇ i describes the phase value range from ⁇ str, i to ⁇ str, i + 1 .
  • a separate limit value S max , i ( ⁇ ) can now be defined for each of these regions ⁇ i , where for all phase values ⁇ i of a region ⁇ i
  • the value is linked to the respective region ⁇ i and can be improved (adapted and optimized to the progress of therapy) during exercise therapy via an iterative learning process, in particular as described above.
  • the so-called smoothing range ⁇ ⁇ 0 here preferably has a smaller value range of phase values ⁇ than the respective region ⁇ i ( ⁇ ).
  • the smoothing range ⁇ can in particular comprise a tenth of the phase values ⁇ of the corresponding region ⁇ i ( ⁇ ). In the case of a division into, for example, four regions premise i ( ⁇ ) for each leg of the person M and a value range for the phase values ⁇ from 0 to 1 for one leg (cf. eq. 24), a Length of 0.25 "phase units" for each region ⁇ i ( ⁇ ) with a length of 0.025 "phase units" of the smoothing area ⁇ .
  • the device 1 can initially run through n movement cycles without a predetermined limit value S max , the number n of movement cycles in the range of 2 n 5 movement cycles being preferred is at 3 movement cycles.
  • An S ( ⁇ ) profile is preferably recorded and an average of the recorded S ( ⁇ ) values is then calculated as the initial limit value S init ( ⁇ ).
  • This initial limit value S init ( ⁇ ) is then used in a first iteration step of the iterative learning process, in particular as described above, in the form ⁇ ⁇ S init ( ⁇ ) with ⁇ ⁇ 1 as the starting value for the limit value (S max ).
  • the present invention relates to a method for controlling and regulating a device 1, at least comprising a movement module 50, in its interaction with a person M, which is based on an energy-based control scheme which enables the amount of total energy (S) in the system device 1 - human M as a function of a measured control variable ⁇ , which describes the speed of movement of the device 1 or its movement module 50.
  • the method advantageously considers the entire power cycle, in particular the dynamics of the energy or power flow, in the system device 1 - human M and takes into account the contribution made by human M to the regulation.
  • the method advantageously enables the participation status of the person M using the device 1 to be determined in an iterative learning process without additional sensors.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vorrichtung (1), wenigstens umfassend ein Bewegungsmodul (50), in ihrer Interaktion mit einem Menschen (M), welches auf einem Energie-basierten Regelungsschema beruht, welches es ermöglicht, den Betrag einer Gesamtenergie (S) im System Vorrichtung (1) - Mensch (M) in Abhängigkeit einer gemessenen Kontrollgröße (Ω), welche die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung (1) bzw. ihres Bewegungsmoduls (50) beschreibt, zu kontrollieren. Das Verfahren betrachte vorteilhaft den gesamten Leistungskreislauf, insbesondere die Dynamik des Energie- bzw. Leistungsflusses, im System Vorrichtung (1) - Mensch (M) und berücksichtigt den Leistungsbeitrag des Menschen (M) bei der Regelung. Zudem ermöglicht es das Verfahren vorteilhaft in einem iterativen Lernprozess den Beteiligungszustand des die Vorrichtung (1) benutzenden Menschen (M) ohne zusätzliche Sensoren zu bestimmen.

Description

Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vorrichtung umfassend ein Bewegungsmodul in ihrer Interaktion mit einem Menschen sowie eine derart gesteuerte Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vor- richtung umfassend ein Bewegungsmodul in ihrer Interaktion mit einem Menschen.
In dem Maße, in dem Robotersysteme in immer mehr Lebensbereichen des Menschen Ver- wendung finden, nehmen auch die Qualitätsansprüche an deren Steuerung und Regelung bezüglich ihrer Interaktion mit dem Menschen zu. Insbesondere im Bereich der Medizin- technik spielen dabei Sicherheitsaspekte eine entscheidende Rolle: Rehabilitationsroboter sollen Therapieaufgaben beispielsweise im Rahmen einer Bewegungstherapie und/oder Früh-Rehabilitation übernehmen und dadurch einerseits das medizinisch-physiotherapeu- tische Fachpersonal von Routineaufgaben befreien und andererseits dem Patienten eine möglichst frühzeitige, individuell auf ihn abgestimmte und zeitlich unabhängige Bewe- gungstherapie ermöglichen. Die Interaktion zwischen Robotersystem und Mensch (Patient) stellt dabei allerdings besonders hohe Anforderungen an die technischen Regelungssys- teme, da ein Mensch, insbesondere ein körperlich beeinträchtigter, gegebenenfalls bettlä- geriger und/oder sogar bewusstloser Patient, oft unkontrolliert bzw. nicht vorhersagbar auf das Robotersystem einwirkt. Eine entscheidende regelungstechnische Aufgabe besteht des- halb darin, die Regelungs- und Steueralgorithmen tolerant gegenüber unvorhersehbaren Einwirkungen von außen (durch den Patienten/Menschen) zu machen und gleichzeitig dem Menschen eine Art Spielraum für die Interaktion einzuräumen.
Darüber hinaus können gerade über eine Auswertung der Interaktion eines Menschen mit einem Rehabilitationsroboter Aussagen über den Gesundheitszustand bzw. den Rehabilita- tionsverlauf eines Patienten getroffen werden.
Der Therapieerfolg einer roboterunterstützten Bewegungstherapie hängt in großem Maße von der „aktiven“ Beteiligung des Patienten ab, wobei unter „aktiv“ in diesem Zusammen- hang sowohl eine bewusste Muskelbewegung (aktives Bewegen, oder schreckhaftes Zu- cken) als auch eine unbewusste (z. B. bei bewusstlosen Patienten) Muskelkontraktion/-re- laxation (z.B. eine Spastik) während einer roboter-unterstützen Bewegung verstanden wer- den soll.
In den frühen medizintechnischen Robotersystemen fanden gewöhnlich rein positionskon- trollierte Regelungssystem Anwendung, bei denen eine vom Roboter vorgegebene Bewe- gungstrajektorie streng eingehalten werden musste und der Patient keine Möglichkeit hatte mit seinen (noch) vorhandenen motorischen Fähigkeiten auf das vorgegebene Bewegungs- muster Einfluss zu nehmen. Solche rein passiven, robotergestützten Bewegungstherapie- konzepte führten zu einem vergleichsweise geringen Therapieerfolg.
Um die Patientenbeteiligung bei einer Bewegungstherapie zu erhöhen, wurden daraufhin sog. „assist-as-needed“ Regelungssystem entwickelt, welche es dem Patienten ermögli- chen, die vom Robotersystem geführte Bewegungstrajektorie bis zu einem gewissen Grad zu beeinflussen, wobei der Roboter die Bewegung überwacht und gegebenenfalls zeitlich und räumlich korrigiert bzw. unterstützt. Es konnte gezeigt werden, dass solche „assist-as- needed“-Systeme den Therapieerfolg erhöhen können; allerdings stellt ein solcher Ansatz auch insbesondere im Rahmen einer sehr frühen Mobilisation (VEM - very early mobili- sation) von bspw. Patienten innerhalb von wenigen Stunden oder Tagen nach dem Ereignis (Unfall, Schlaganfall, Operation o.ä.) besonders hohe Anforderungen an das jeweilige Re- gelungssystem, da solche Patienten typischerweise noch bewusstlos bzw. sediert sein kön- nen, unter Wahmehmungsstörungen, Schwindel und/oder Krampfanfällen leiden können, oder unter Störungen bei der Kontrolle des Bewegungsapparates leiden, welche die Wahr- scheinlichkeit unkontrollierter oder unvollständig kontrollierter Bewegungen stark erhö- hen. Kraft-kontrollierte/abhängige Regelungssystem, welche auf die Einwirkung einer (plötzlich auftretenden) externen Störung (= Krafteinwirkung bzw. Abweichung von einer vorgegebenen Trajektorie) durch eine Abschaltung des Robotersystems reagieren und in anderen Anwendungsbereichen Verwendung finden, führen im Fall der medizintechni- schen Anwendung oft nachteilig zu Therapieverzögerungen und einer Verminderung der Therapiequalität, da aus Sicherheitsgründen entweder besonders empfindliche, patienten- unspezifische Kraftschwellwerte (Trigger) vorgesehen werden müssen, um die Verlet- zungsgefahr zu minimieren was nachteilig zu zahlreichen falschen (zu frühen) Abschaltun- gen führen kann oder, falls individuelle Schwellwerte eingestellt werden, diese erst zeit- aufwendig bestimmt und dann im Laufe der Bewegungstherapie an die sich verändernde körperliche Verfassung des Patienten angepasst werden müssen.
Beispiele für bislang etablierte Ansätze zu entsprechenden Steuerungs- und Regelungsver- fahren finden sich u.a. in:
• GROOTHUIS, S.S., HAARMAN, C.J.W, TÖNIS, F., STRAMIGIOLI, S.: Initial control paradigms implemented on rehabilitaion System, veröffentlicht am 23.05.2018, URL: https://ec.europa.eu/research/participants/documents/down- loadPublic?documentIds=080166e5b916f0de&appId=PPGMS
• SCHINDELBECK, C., HADDADIN, S.: Unified passivity-based Cartesian force /impedance control for rigid and flexible joint robots via task-energy tanks, 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Seattle, WA, 2015, S. 440-447 (doi: 10.1109/ICRA.2015.7139036)
• SHARIARI, E.; JOHANNESMEIER, L., HADDADIN, S.: Valve-based Virtual Energy Tanks: A Framework to Simultaneously Passify Controls and Embed Con trol Objectives, 2018 Annual American Control Conference (ACC), Milwaukee, WI, 2018, S. 3634 - 3641 (doi: 10.23919/ACC.2018.8431718)
Hiervon ausgehend hegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein im Ver- gleich zum Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vorrichtung umfassend ein Bewegungsmodul, insbesondere eines Rehabilitationsroboters, bereitzustellen, welches nicht nur die Interaktion der Vorrichtung mit einem Menschen verbessert, sondern auch eine Möglichkeit bietet, aufgrund der besagten Interaktion Rück- schlüsse auf die Beteiligung des Menschen an der vorgegebenen Bewegung zu ziehen und die Vorrichtung dann entsprechend dieser Beteiligung zu steuern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentan- spruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche ein- zeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vorrichtung, wenigs- tens umfassend ein Bewegungsmodul, in ihrer Interaktion mit einem Menschen zeichnet sich dadurch aus, dass - ein Energienetzwerk definiert wird wenigstens bestehend aus: - einer ersten Leistungskomponente Pin, welche den von der Vorrichtung zu einer Gesamtenergie S eines Systems aus Vorrichtung und Mensch zuge- führten Energiebetrag pro Zeiteinheit beschreibt; - einer zweiten Leistungskomponente Pdiss, welche den von der Vorrichtung außerhalb der primär mit Hilfe des Bewegungsmoduls zu verrichtenden Arbeit durch interne Steuerungs- und Regelungsprozesse verlorenen Ener- giebetrag pro Zeiteinheit beschreibt; und - einer dritten Leistungskomponente Ph, welche den vom Menschen zur Ge- samtenergie S zugeführten Energiebetrag pro Zeiteinheit beschreibt; - als eine Regelgröße die Gesamtenergie S des Energienetzwerks also des Systems aus Vorrichtung und Mensch definiert wird; - als eine Kontrollgröße Ω die Geschwindigkeit definiert wird, mit der die Vorrich- tung über ein Bewegungsmodul mit dem Menschen interagiert, wobei das Bewe- gungsmodul eine vorgegebene Trajektorie Xd durchlaufen soll; - die Gesamtenergie S des Energienetzwerks - umso größer wird, je mehr die vom Menschen selbstständig ausgeführte Bewegung der von der Vorrichtung zunächst vorgegebenen Bewegung entlang der Trajektorie Xd abweicht; und - wieder verkleinert wird, wenn sich die vom Menschen selbstständig aus- geführte Bewegung an die von der Vorrichtung zunächst vorgegebene Be- wegung entlang der Trajektorie Xd annähert; - die Gesamtenergie S des Energienetzwerks während der Bewegung des Bewe- gungsmoduls ermittelt wird, und - die Kontrollgröße Ω während der Bewegung des Bewegungsmoduls in Abhängig- keit der ermittelten Gesamtenergie S variiert wird, so dass die Gesamtenergie S - wenn sie in einem Bereich von S ≤ Smax - SΔ liegt, in diesem Bereich ver- bleibt, oder - wenn sie in einem Bereich von S > Smax - SΔ liegt, sich wieder an den Bereich S ≤ Smax - SΔ annähert, wobei - Smax = eine gewählte obere Grenze der Gesamtenergie S; - SΔ = Smax - Sx1, wobei Sx1 einzelne Werte der Regelgröße (= Gesamtenergie) S darstellen und x = n als Bezeichnung für Werte in einem Bereich mit Pin > 0 und x = p als Bezeichnung für Werte in einem Bereich mit Pin < 0 verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren definiert ein Energienetzwerk, wodurch eine Betrach- tung des gesamten Leistungskreislauf, insbesondere die Dynamik des Energie- bzw. Leis- tungsflusses, im System Vorrichtung - Mensch ermöglicht und vorteilhaft den Leistungs- beitrag des Menschen bei der Regelung berücksichtigt werden kann. Dieses Energie-ba- sierte Regelungsverfahren, welches auf einer Kontrolle/Begrenzung der Gesamtenergie S, welche sowohl Energiebeträge der Vorrichtung als auch Energiebeträge des Menschen be- schreibt, beruht, gibt dem die Vorrichtung benutzenden Menschen vorteilhaft je nach Be- teiligungszustand sowohl räumliche als auch zeitliche Freiheitsgrade während der Durch- führung der Bewegung und fördert somit den Trainings- bzw. Rehabilitationsverlauf.
Qualitativ kann das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt am Beispiel eines Rehabilitati- onsmechanismus (=Vorrichtung (Roboter) geeignet ausgebildet für die Ausführung einer planmäßigen Rehabilitationsbewegung im medizinischen Bereich) skizziert werden:
Ein gesunder Mensch kann einer von einem Rehabilitationsmechanismus vorgegebenen Bewegung - ausgedrückt durch eine vorgegebene Trajektorie eines Bewegungsmoduls des Rehabilitationsmechanismus - folgen, d.h. der Mensch kann bspw. die Geschwindigkeit der Bewegung des Bewegungsmoduls so exakt mitgehen, dass die Interaktionskraft zwi- schen Mensch und Vorrichtung vemachlässigbar klein ist.
Ein gesundheitlich beeinträchtigter Mensch kann der beschriebenen vorgegeben Bewegung des Bewegungsmoduls normalerweise nicht mehr so genau folgen. Es entsteht ein Fehler, nämlich eine Abweichung zwischen der vorgegebenen Trajektorie und der tatsächlichen, vom Bewegungsmodul, insbesondere vom Endeffektor der Vorrichtung abgefahrenen Trajektorie.
Generell werden im Rahmen dieser Anmeldung drei verschiedenen Arten von Trajektorien unterschieden: Unter einer „Soll-Trajektorie (nominal trajectory)“ wird der von einem Therapeuten vor- gegebene (aus therapeutischer Sicht anzustrebende) Bewegungsablauf verstanden. Erfolgt eine Bewegung tatsächlich entlang dieser Soll-Trajektorie hat die Kontrollgröße Ω einen Wert von 1.
Unter einer „von der Vorrichtung (dem Bewegungsmodul) vorgegebenen Trajektorie = kurz: vorgegebenen Trajektorie (desired trajectory)“ wird die Bewegungsbahn bzw. der Bewegungsablauf des Bewegungsmoduls, insbesondere dessen Endeffektors, verstanden, die das Bewegungsmodul entsprechend des ihm vorgegebenen Kontrollalgorithmus zu ver- folgen versucht. Die Notwendigkeit eine derartige Trajektorie zu verfolgen entsteht bspw. dann, wenn die Kontrollgröße Ω # 1 ist.
Unter einer „tatsächlichen Trajektorie (actual trajectory)“ wird die tatsächlich physisch re- alisierte Bewegungsbahn des Bewegungsmoduls, insbesondere dessen Endeffektors, ver- standen. Die tatsächliche Trajektorie kann von der vorgegebenen Trajektorie abweichen, da bspw. die Impedanz-Regelung der Vorrichtung weich eingestellt ist und es dem Men- schen (Patienten) erlaubt, den Endeffektor der Vorrichtung durch Ausübung einer Kraft auf diesen abzulenken. Ähnliches trifft auch bei der Implementierung einer Admittanz-Rege- lung statt einer Impedanz-Regelung zu (s.u.).
Der oben erwähnte Fehler, der bei der Bewegung eines gesundheitlich beeinträchtigten Menschen entstehen kann, drückt sich durch eine Abweichung der tatsächlichen Trajekto- rie von der vorgegebenen Trajektorie aus.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsverfahrens wird dieser Fehler in einer Regelgröße abgebildet, nämlich in der Gesamtenergie S des Energienetz- werks also des Systems aus Vorrichtung und Mensch. Die Gesamtenergie S ist dabei eine Funktion der drei oben definierten Leistungskomponenten Pin, Ph und Pdiss.
Während der Durchführung einer automatisierten Therapiebewegung mit Hilfe einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung soll diese Regelgröße - die Gesamtenergie S - nun in einem bestimmten, „bevorzugten“ Bereich bleiben, nämlich in einem Bereich S ≤ Smax - SΔ. Die Größe S kann dabei beeinflusst werden bzw. wird dabei beeinflusst durch die Vorrich- tung über ihre Leistungskomponente Pin und durch den Menschen über dessen Leistungs- beitrag Ph. Mathematisch ausdrücken lässt sich dies in Gl. 20 (s.u.), welche die Änderung der Gesamtenergie S über die Zeit beschreibt.
Im Rahmen des Steuerungs- und Regelungsverfahrens werden nun weiterhin zwei Fälle unterschieden:
Zum einen der Fall, bei dem die Gesamtenergie S bereits im bevorzugten Bereich S ≤ Smax - SΔ liegt. In diesem Fall schafft es der Mensch, mit der vorgegebenen Trajektorie zwar vielleicht nicht perfekt aber dennoch weitestgehend mitzugehen, bspw. kann der Mensch die vorgegebene Bewegungsgeschwindigkeit nahezu halten. In diesem Fall greift die Vor- richtung nicht weiter in die Bewegung ein, und die Kontrollgröße verbleibt bei Ω = 1.
Im Bereich S ≤ Smax - SΔ für den dies gilt, ist die Empfindlichkeit der von der Gesamtener- gie S abhängigen Kontrollgröße Ω sozusagen gleich (oder annähernd) null; die Kontroll- größe W wird nicht verändert; die Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie wird to- leriert. Dieser Bereich kann über eine geeignete Wahl der Größen Smax und SΔ kontrolliert werden.
Im zweiten Fall liegt S außerhalb des bevorzugten Bereiches, also S > Smax - SΔ. In diesem Fall ist die Abweichung der tatsächlichen Trajektorie von der vorgegebenen Trajektorie sehr stark, was bspw. dadurch verursacht sein kann, dass sich der Mensch im Vergleich zur vom Bewegungsmodul vorgegebenen Bewegung (viel) zu langsam oder (viel) zu schnell bewegt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in diesem Fall das Ziel, die Gesam- tenergie S zu verringern, die Größe S also wieder in den bevorzugten Bereich S ≤ Smax - SΔ zu bringen.
Um dies zu realisieren bestehen wiederum zwei Möglichkeiten:
Entweder der Mensch schafft eine Verringerung der Größe S selbst, indem er nämlich selbst gegensteuert und seine Bewegung entsprechend schneller oder langsamer ausführt und sich auf diese Weise der vorgegebenen Trajektorie wieder annähert. In einem solchen Fall wäre die Leistungskomponente Ph negativ, was, wenn der Betrag von Ph groß genug wäre, gemäß G1. 20 zu einer Verringerung der Gesamtenergie S führen würde. Allgemein beschreibt die Leistungskomponente Ph die vom Menschen „erzeugte“ physi- sche Kraft. Sie ist null, wenn der Mensch der vorgegebenen Trajektorie perfekt folgt, wenn also die tatsächliche Trajektorie gleich der vorgegebenen Trajektorie ist. Ph ist negativ, wenn der Mensch selbst versucht, sich der gewünschten Trajektorie anzunähem, weil dabei Fehler in Position und Geschwindigkeit verringert und somit die Gesamtenergie S reduziert wird.
Oder - als zweite Möglichkeit - der Mensch schafft besagte Verringerung nicht selbst oder zumindest nicht ganz. In diesem Fall unterstützt die Vorrichtung den Menschen darin, die Gesamtenergie S zu senken über eine Veränderung der Leistungskomponente Pin. Die Leis- tungskomponente Pin beschreibt die Leistung an der jeweiligen gewünschten Endeffektor- position innerhalb einer vorgegebenen Trajektorie.
Die Leistungskomponente Pin lässt sich gemäß den G1. 13 und 23 über die Kontrollgröße Ω beeinflussen. Im Rahmen des erfmdungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsverfahrens setzt hier nun also eine Variation der Kontrollgröße Ω ein, was über eine Änderung von Pin die Gesamtenergie S verringert und sie sich wieder dem bevorzugten Bereich S ≤ Smax - SΔ annähern lässt. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist die Vorrichtung ein Rehabilitations- mechanismus, geeignet ausgebildet für eine planmäßigen Rehabilitation zumindest der Ge- lenke, Muskeln und Sehnen der unteren Extremitäten eines Menschen mit einem in Wirk- verbindung mit den unteren Extremitäten des Menschen bringbaren Bewegungsmodul; wo- bei das Bewegungsmodul wenigstens einen Kraftsensor zur Messung eines Betrags einer Kraft zwischen Bewegungsmodul und der unteren Extremität des Menschen und wenigs- tens einen Winkelsensor zur Messung der Richtung der Kraft zwischen Bewegungsmodul und der unteren Extremität des Menschen umfasst. Das Verfahren eignet sich besonders gut zur Steuerung und Regelung eines derartigen Rehabilitationsmechanismus, da es vor- teilhaft eine kontinuierliche Anpassung an den aktuellen Gesundheits- bzw. Fitnesszustand des Menschen ermöglicht und dadurch den Rehabilitationserfolg optimiert. Weiterhin hat sich bewährt, dass die Kontrollgröße Ω definiert ist als
Figure imgf000011_0001
mit: - γr = maximal erlaubter positiver Wert für die Kontrollgröße Ω; - γh = maximal erlaubter negativer Wert (Betrag) für die Kontrollgröße Ω; - S = Gesamtenergie des Systems aus Vorrichtung und Mensch; - Smax = gewählte obere Grenze der Gesamtenergie S; - SΔ = Smax - Sp_x, wobei Sp_x einzelne Werte der Regelgröße S darstellen. Mittels einer derart definierten Kontrollgröße Ω, welche die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung, insbesondere des Bewegungsmoduls beschreibt, kann vorteilhaft die Be- wegungsbeteiligung des Menschen verfolgt und die Gesamt-Speicherfünktion (S), also die Gesamtenergie des Systems, planmäßig „geformt“ werden. Alternativ dazu kann die Kontrollgröße (Ω) auch definiert werden als
Figure imgf000011_0002
mit: - γp = maximal erlaubter positiver Wert für die Kontrollgröße (Ω); - γn = maximal erlaubter negativer Wert (Betrag) für die Kontrollgröße (Ω); - S = Gesamtenergie des Systems aus Vorrichtung und Mensch; - Smax = gewählte obere Grenze der Gesamtenergie (S); - SΔ = Smax - Sp_x, wobei Sp-x einzelne Werte der Regelgröße S darstellen - Sδ = Region in der Mitte von SA für die die Kontrollgröße (Ω) gleich null gesetzt wird, wobei Pin > 0.
Eine derartige Definition der Kontrollgröße (Ω) erlaubt vorteilhaft eine voneinander unab- hängige Steuerung und Regelung einer Vorrichtung für den Bereich in dem die erste Leis- tungskomponente (Pin), also der durch einen Bewegungsgenerator erzeugten Leistungsein- gang in das System, größer Null (Pin > 0) ist und für den Bereich in dem die erste Leis- tungskomponente (Pin) kleiner Null (Pin < 0) ist.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kontrollgröße (Ω) definiert werden als
Figure imgf000012_0001
mit: - γr = maximal erlaubter positiver Wert für die Kontrollgröße (Ω); - γh = maximal erlaubter negativer Wert (Betrag) für die Kontrollgröße (Ω); - S = Gesamtenergie des Systems aus Vorrichtung (1) und Mensch (M); - Smax = gewählte obere Grenze der Gesamtenergie (S); - SΔ = Smax ·ζ - Sp_x, wobei Sp-x einzelne Werte der Regelgröße S darstellen;
Figure imgf000013_0001
wobei Zeitdauer während der die Vorrichtung (1) im Stillstand ist; maximal erlaubte Zeitdauer der Vorrichtung (1) im Stillstand.
Figure imgf000013_0002
Diese Definition der Kontrollgröße Ω berücksichtigt vorteilhaft Zeiträume, in denen der Patient dem von der Vorrichtung vorgegebenen Bewegungszyklus nicht (sofort) folgen kann. In diesem Fall sieht die Einführung des Parameters ζ die Möglichkeit eines zeitwei- sen Stillstands bzw. Wartezustands der Vorrichtung vor.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die Variation der Kontrollgröße Ω während der Bewegung des Bewegungsmoduls in Abhängigkeit der ermittelten Gesam- tenergie S, insbesondere durch Implementierung eines Filters, einer Ratenbegrenzung und/oder durch eine Limitierung eines Betrags der ersten Ableitung der Kontrollgröße Ω nach der Gesamtenergie S, gedämpft werden. Dadurch können als störend wahrgenom- mene Schwingungen, welche bei einer Variation der Kontrollgröße Ω im System durch Rückkopplung auf die Gesamtenergie S entstehen können, vorteilhaft minimiert werden. Derartige Schwingungen können insbesondere dann entstehen, wenn die Abhängigkeit der Kontrollgröße Ω von der Gesamtenergie S, welche auch als Gesamt-Speicherfunktion S bezeichnet werden kann, eine hohe Sensitivität aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist bevorzugt, dass die Gesamtenergie (S) des Systems aus Vorrichtung und Mensch definiert ist als eine Gesamt-Speicherfunktion S = Sce oder als eine Gesamt-Speicherfunktion S = Sce + See mit: - Sce = Energie-Speicherfunktion der Regelungsabweichung („control error energy storage function”); - See = Gesamtenergie des Endeffektors der Vorrichtung, insbesondere des Bewe- gungsmoduls, bestehend aus kinetischer und potenzieller Energie. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Energie-Speicherfunktion der Regelungsabweichung definiert ist als mit:
Figure imgf000014_0001
- Mc(q) gleich der kartesischen Trägheitsmatrix; und - Kx gleich der kartesischen Steifigkeitsmatrix.
Zudem hat sich bewährt, dass die Gesamtenergie (S) einen virtuellen Energiebetrag und einen tatsächlichen Energiebetrag umfasst.
Eine derartige Energie-Speicherfünktion der Regelungsabweichung Sce berücksichtigt vor- teilhaft alle vorrichtungsbedingten Energiebeträge im vorliegenden System.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die Energie-Speicherfunktion Sce entweder über die erste Leistungskomponente Pin ermittelt wird, wobei die erste Leistungskomponente Pin mit der zweiten Leistungskomponente Pdiss verrechnet wird; oder über eine, insbesondere von ei- nem Kraftsensor zur Messung eines Betrags einer Kraft zwischen Bewegungsmodul und der unteren Extremität des Menschen gemessenen, Interaktionskraft zwischen Vorrichtung und Mensch berechnet wird.
Zur Ermittlung der Energie-Speicherfunktion Sce könnte prinzipiell die von der Vorrich- tung aufgebrachte Energie herangezogen werden und mit der von der mechanischen Struk- tur der Vorrichtung „verbrauchten“ Energie verrechnen werden. Dazu wären allerdings gute Modelle der jeweiligen Vorrichtung notwendig.
Ein einfacherer Weg zur Ermittlung der Energie-Speicherfunktion Sce führt über die Be- stimmung der Interaktionskraft zwischen Vorrichtung und Mensch, insbesondere der In- teraktionskraft am Endeffektor der Vorrichtung. Diese Interaktionskraft kann einerseits un- ter Verwendung eines kinetischen Modells der Vorrichtung und der Achsendreh- momente berechnet werden. Alternativ dazu kann besagte Interaktionskraft auch durch Messung bestimmt werden. Dazu kann vorteilhaft der Kraftsensor zur Messung eines Betrags einer Kraft zwischen Bewegungsmodul und der unteren Extremität des Men- schen verwendet werden. Aus der gemessenen Interaktionskraft kann die Energie-Speicherfunktion Sce dann einer- seits direkt berechnet werden, andererseits können die vom Kraftsensor gemessenen Werte auch zur Bestimmung von Abweichungen der Position verwendet werden, die der Endef- fektor der Vorrichtung durch Aufbringen der Interaktionskraft von seiner idealen Position einnimmt (im Sinne einer Admittanz-Regelung - vgl. oben).
Das hierzu verwendete Modell der Vorrichtung beschreibt das Verhalten des Endeffektors als ein virtuelles Feder-Dämpfersystem mit vorgegebener Steifigkeit und Dämpfung, wo- bei der Endeffektor durch Aufbringen einer externen Kraft am Kraftsensor gemäß der vir- tuellen Federkonstante von seiner vorgegebenen Trajektorie abgelenkt wird. Aus der Ab- weichung von der vorgegebenen Trajektorie kann dann die Energie-Speicherfünktion Sce berechnet werden.
Die zeitliche Ableitung der Gesamt-Speicherfimktion S ergibt sich damit vorzugsweise zu Pin + Ph — Pdiss, mit: - Pin ∈ R = den durch den Bewegungsgenerator erzeugten Leistungseingang in das System; - Pdiss ∈R = die durch Regelungsdämpfüng verlorengehende Leistung; - Ph = die Leistung, die dem System aus Vorrichtung und Mensch vom Menschen zugeführt wird, wodurch vorteilhaft der Leistungsbeitrag des Menschen im Rahmen des Regelungsverfah- rens berücksichtigt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens hat sich darüber hinaus bewährt, dass ein für die Durchführung einer Bewegung zu wählender Grenzwert (Smax) für die der Ge- samtenergie (S) entsprechenden Gesamt-Speicherfünktion und/oder die Größe SΔ = Smax - Sp_x, wobei Sp_x einzelne Werte der Gesamtenergie (S) sind, über einen iterativen Lernpro- zess während der Durchführung der Bewegung durch die Vorrichtung bestimmt wird. Vor- zugsweise werden bei diesem iterativen Lernprozess nicht nur der Grenzwert Smax von Schritt zu Schritt angepasst, sondern auch die Intervallgrenzen der Funktion Ω (S), insbe- sondere entsprechend der Größe SΔ = Smax - Sp-x, wobei Sp-x einzelne Werte der Gesamte- nergie (S) sind. Im Rahmen des iterativen Lernprozesses können zudem vorzugsweise ein Lernfaktor K1 und/oder ein Vergessensfaktor Kf zur Bestimmung eines Beteiligungszustandes des Men- schen an der von der Vorrichtung vorgegebenen Bewegung, über die Zeit, bevorzugt linear, verändert werden, bis der Lernfaktor K1 und/oder der Vergessensfaktor Kf einen vorher de- finierten Endwert erreicht hat. Der Lernfaktor K1 und/oder der Vergessensfaktor Kf können dadurch vorteilhaft während einer Bewegungstherapie dynamisch an den Fitnesszustand des Menschen, insbesondere an den aktuellen Ermüdungszustand eines Patienten während einer Therapiesitzung, adaptiert werden.
Dabei kann vorteilhaft in einem ersten Iterationsschritt ein Wert für den Grenzwert (Smax) gewählt werden, bei dem die Vorrichtung den Menschen vollständig in der Durchführung der Bewegung unterstützt und die Kontrollgröße (Ω) den Wert 1 hat; bei jedem weiteren Iterationsschritt der wird Wert des Grenzwertes (Smax) verkleinert, solange die Kontroll- größe (Ω) den Wert 1 beibehält; und wenn die Kontrollgröße (Ω) vom Wert 1 abweicht, wird in einem nächsten Iterationsschritt der Wert des Grenzwerts (Smax) wieder erhöht. Ein derartiger iterativer Lernprozess zur Bestimmung eines optimalen Grenzwerts (Smax) er- möglicht vorteilhaft die Bestimmung der Beteiligungsfähigkeit des Menschen ohne Ver- wendung zusätzlicher Sensoren, wie sie bspw. im Rahmen einer Elektromyografie (EMG) benötigt werden würden. Aus der so bestimmten Beteiligungsfähigkeit kann auch vorteil- haft auf den aktuellen Gesundheits- bzw. Fitnesszustand des Menschen und damit auch auf den Rehabilitationserfolg geschlossen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verfahrens kann zur Bestimmung eines initialen Grenzwertes (Sinit(ɸ)) die Vorrichtung zunächst n Bewegungszyklen ohne vorgegebenen Grenzwert (Smax) durchlaufen, wobei die Zahl n der Bewegungszyklen im Bereich von 2 ≤ n ≤ 5 Bewegungszyklen, bevorzugt bei 3 Bewegungszyklen liegt. Dabei kann ein S( ɸ)-Profil aufgezeichnet werden und anschließend ein Mittelwert der aufgezeich- neten S( ɸ)-Werte als initialer Grenzwert (Sinit(ɸ)) berechnet werden, welcher in einem ers- ten Iterationsschritt des iterativen Lernprozesses in der Form λ· Sinit(ɸ ) mit λ ≥ 1 als Start- wert für den Grenzwert (Smax) dienen kann. Im Rahmen dieser Initialisierung können auch der Lernfaktor (K1) und/oder der Vergessensfaktor (Kf) zur Bestimmung eines Beteiligungs- zustandes des Menschen an der von der Vorrichtung vorgegebenen Bewegung in Abhän- gigkeit des initialen Grenzwerts (Sinit( ɸ)) skaliert werden. Eine Initialisierung kann vorteil- haft die Patientenspezifität des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöhen. Dabei kann ein für die Durchführung einer Bewegung zu wählender Grenzwert (Smax) für die der Gesamtenergie (S) entsprechenden Gesamt-Speicherfünktion in Abhängigkeit ei- nes, den Bewegungsfortschritt innerhalb eines Bewegungszyklus der Vorrichtung beschrei- benden, Phasenwertes (f) in Regionen (ψi( ɸ )) aufgeteilt werden und ein initialer Grenzwert (Sinit, i(ɸ)) für jede Region (ψi( ɸ )) bestimmt werden.
Durch eine derartige Bestimmung eines initialen Grenzwertes (Sinit(ɸ)), insbesondere auch für einzelne, phasenabhängig bestimmte Regionen (ψi(ɸ)), kann vorteilhaft vor Beginn ei- ner Bewegungstherapie der Startwert für den Grenzwert (Smax) für die der Gesamtenergie (S) entsprechenden Gesamt-Speicherfünktion individuell für verschiedenen Patienten mit verschiedenen Krankheitsbildem automatisch bestimmt werden.
Schließlich hat sich auch eine Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verfahrens bewährt, bei der ein für die Durchführung einer Bewegung zu wählender Grenzwert (Smax) für die der Gesamtenergie (S) entsprechenden Gesamt-Speicherfünktion in Abhängigkeit eines, den Bewegungsfortschritt innerhalb eines Bewegungszyklus der Vorrichtung beschreiben- den, Phasenwertes (ɸ) in Regionen (Φi (ɸ)) aufgeteilt wird, wobei eine Region (Φi (ɸ)) den Phasenwertbereich von ɸstr, i bis ɸstr, i+1 beschreibt, und der zu wählende Grenzwert (Smax(ɸ )) für jeden Region (Φi (ɸ)) unabhängig definiert wird, wobei für alle Phasenwerte (ɸ) einer Region (Φi (ɸ)) gilt:
Figure imgf000017_0001
wobei Δ ≥ 0 einen Glättungsbereich beschreibt, welcher einen kleineren Wertebereich von Phasenwerten (ɸ) umfasst als die Regionen (Φi (ɸ)), insbesondere ein Zehntel der Phasen- werte (f) der entsprechenden Region (Φi (ɸ)), und
Figure imgf000018_0001
der zur jeweiligen Region (Φi (ɸ)) zugehörige Grenzwert ist.
Auf diese Weise kann ein Therapeut vorteilhaft verschiedene Zonen für die Aktivierung verschiedener Muskelgruppen definieren und entsprechend dieser Zonen die Unterstüt- zungswirkung durch die Vorrichtung sowie den Umfang der Adaption der Vorrichtung in- nerhalb dieser Zonen bestimmen. Das Ausmaß der Unterstützungswirkung kann hier durch eine glatte Funktion beschrieben werden, was Unterbrechungen beziehungsweise Störun- gen im Bewegungsablauf vorteilhaft verhindert.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung umfassend einen Rehabilitations- mechanismus geeignet ausgebildet für eine planmäßigen Rehabilitation zumindest der Ge- lenke, Muskeln und Sehnen der unteren Extremitäten eines Menschen mit einem in Wirk- verbindung mit den unteren Extremitäten des Menschen bringbaren Bewegungsmodul; wo- bei das Bewegungsmodul wenigstens einen Kraftsensor zur Messung eines Betrags einer Kraft zwischen Bewegungsmodul und der unteren Extremität des Menschen und wenigs- tens einen Winkelsensor zur Messung der Richtung der Kraft zwischen Bewegungsmodul und der unteren Extremität des Menschen umfasst, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuereinheit umfasst, welche eingerichtet ist, die Vorrichtung nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 14 zu steuern und zu regeln.
Zusätzliche Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele, auf welche die vorliegende Erfindung jedoch nicht be- schränkt ist, und in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Darin zeigen schematisch:
Fig. 1 ein dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegendes Energiefluss- schema eines Systems aus einer Vorrichtung und einem Menschen;
Fig. 2a ein erstes Beispiel einer funktionellen Abhängigkeit einer Kontrollgröße (W) von einer Gesamtenergie (S) als Regelgröße; Fig. 2b ein zweites Beispiel einer funktionellen Abhängigkeit einer Kontrollgröße (Ω) von einer Gesamtenergie (S) als Regelgröße; Fig. 3 ein Block-Diagramm eines exemplarischen Lernprozesses im Rahmen des erfmdungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4a eine erste Ausgestaltung einer Vorrichtung, welche mit dem erfmdungsge- mäßen Verfahren gesteuert werden kann;
Fig. 4b eine zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung, welche mit dem erfmdungs- gemäßen Verfahren gesteuert werden kann; und
Fig. 5 ein Beispiel einer (ɸ - Sp1(=Smax))-Kurve für eine von einem Phasenwert (ɸ) abhängige Steuerung und Regelung einer erfmdungsgemäßen Vorrich- tung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vorrichtung 1, we- nigstens umfassend ein Bewegungsmodul 50, in ihrer Interaktion mit einem Menschen M ist prinzipiell nicht vorrichtungsspezifisch und kann bei der Steuerung und Regelung einer Vielzahl von Vorrichtungen 1, insbesondere von Robotersystemen, Verwendung finden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Verfahrens allerdings zur Steuerung und Re- gelung von Robotersystemen, welche zur medizintechnischen Unterstützung der Rehabili- tation von Patienten, insbesondere nach einem Schlaganfall oder nach einem schweren, die physischen und/oder kognitiven Fähigkeiten beeinträchtigenden Unfall, eingesetzt werden. Hierzu sei exemplarisch auf einen Rehabilitationsmechanismus verwiesen, wie er in der DE 10 2015 117 596 B3 einer der Anmelderinnen offenbart ist. Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden als Modelsystem bzw. Vorrichtung 1 ein Rehabilitations-Robotersystem bestehend aus einem vertikalisier- baren Bett und zwei Roboterarmen zur Interaktion mit den Beinen eines Menschen M be- trachtet (vgl. dazu auch Fig. 4a und Fig. 4b).
In den Fig. 4a und 4b werden eine erste und eine zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung 1, welche mit dem erfmdungsgemäßen Verfahren gesteuert werden kann, dargestellt.
Eine derartige Vorrichtung 1 umfasst vorzugsweise einen Rehabilitationsmechanismus 30, geeignet ausgebildet für eine planmäßige Rehabilitation zumindest der Gelenke, Muskeln und Sehnen der unteren Extremitäten eines Menschen M mit einem in Wirkverbindung mit den unteren Extremitäten des Menschen M bringbaren Bewegungsmodul 50; wobei das Bewegungsmodul 50 wenigstens einen Kraftsensor 51 zur Messung eines Betrags einer Kraft zwischen Bewegungsmodul 50 und der unteren Extremität des Menschen M und we- nigstens einen Winkelsensor 52 zur Messung der Richtung der Kraft zwischen Bewegungs- modul 50 und der unteren Extremität des Menschen M umfasst. Die Vorrichtung 1 wird über eine Steuereinheit 11 entsprechend des erfmdungsgemäßen Verfahrens gesteuert bzw. geregelt.
Jeder Roboterarm umfasst vorzugsweise n motorisierte Gelenke und ein passives Endge- lenk, um Überbestimmung zu vermeiden und somit die jeweilige Orientierung des /der Schenkel des Menschen M zu berücksichtigen. Für die folgende Ableitung des regelungs- technischen Modells und für die Erläuterung des erfmdungsgemäßen Verfahrens werden die Roboterarme als identisch betrachtet, sodass die Ausführungen auf einen Roboterarm beschränkt werden können, gelten jedoch entsprechend auch für den anderen Arm.
I) Modell zur Beschreibung der Vorrichtung 1, insbesondere des Rehabilitations- Roboter Systems
Im Rahmen der Betrachtung der kinematischen Struktur des Robotersystems wird ange- nommen, der Endeffektor und die Gelenke des Roboters würden sich ausschließlich paral- lel zur x-y-Ebene bewegen (vgl. Fig. 4a zur Definition des Koordinatensystems), wodurch ihre Bewegung im dreidimensionalen Raum („R3 space“) durch eine Position innerhalb der x-y-Ebene und eine Orientierung um ein z-Achse beschrieben werden kann. Da das letzte Gelenk des Roboterarms passiv ist, wird darüber hinaus zur Entwicklung des Steuerungs- und Regelungsverfahrens für das Robotersystem die kartesische Haltung/Positionierung des passiven Gelenks xr ∈ R3 statt der Endeffektor-Positionierung Xh ∈ R3 betrachtet (vgl. Fig. 4a). Fr; Fh ∈ R3 bezeichnen die Krafteinwirkungen („interaction wrenches“) bei xrund Xh und beziehen sich dabei auf lineare Kräfte in der x-y-Ebene und ein Drehmoment um die z- Achse.
Unter Berücksichtigung von n motorisierten Gelenken des Roboters und der Orientierung qb des Bettes ergeben sich die Koordinaten des Roboters, einschließlich des letzten Ge- lenks, zu q ∈ Rn+1 und die direkte Kinematik (Vorwärtskinematik) zu
(1) xr = f(q). wobei die Orientierung des Bettes qb in q enthalten ist. Es wird ferner angenommen, dass die Orientierung des Bettes von einem separaten Aktu- ator gesteuert wir, sodass das entsprechende eingeleitete Drehmoment im hier beschriebe- nen dynamischen Modell nicht betrachtet wird.
Das dynamische Modell wird wie folgt beschrieben
Figure imgf000021_0001
mit M(q‘) (= die Trägheitsmatrix des Roboters),
Figure imgf000021_0003
(= die Coriolis- und Zentrifugal- Matrix des Roboters) ∈ Rnx n und g(q) ∈ Rn (= Gravitationsvektor des Roboters), τin ∈ Rn ist das zu den Roboter- Aktuatoren eingeleitete Drehmoment, wohingegen τr ∈ die Kraftein- Wirkung („wrench“) Fr, abgebildet auf den motorisierten Gelenken des Roboters über
Figure imgf000021_0002
mit J(q) ∈ Rn x 3 = Jacobi-Matrix des Roboters, bezeichnet.
II) Regelungsverfahren auf Basis von Energiebetrachtungen
Das erfindungsgemäße Regelungsschema basiert auf einer Adaption der vom Roboter aus- zuführenden Bewegung („robot desired motion“)
Figure imgf000022_0001
∈ R3 um den Energiefluss innerhalb des Systems aus Vorrichtung 1 und Mensch M zu formen und dadurch den Ener- gietransfer zwischen Mensch M und Vorrichtung 1 zu kontrollieren. Unter Berücksichti- gung einer für eine spezifische Rehabilitationsbewegung vorgegebene zyklische Trajekto- rie mit zugeordneter Bewegungsamplitude, wird die Geschwindigkeit, mit der die Trajek- torie vom Roboter durchlaufen wird, so angepasst, dass auch ein vorgegebener Energie- Grenzwert eingehalten wird. Die auf diese Weise erhaltene, angepasste Trajektorie („re- shaped trajectory“) wird dann als Eingabe an eine Regeleinheit zur Regelung der Wechsel- Wirkungsbewegung übergegeben, um ein eingeleitetes Drehmoment (“input torque“) für die Roboter- Aktuatoren zu erhalten (vgl. Fig. 1).
Fig. 1 zeigt ein dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegendes Energiefluss- schema eines Systems aus einer Vorrichtung 1 und einem Menschen M.
Im Folgenden wird nun zunächst exemplarisch ein Bewegungsgesetz für das Regelungs- verfahren aufgestellt und anschließend ein Energienetzwerk für das Model hergeleitet. a) Regelung der Wechselwirkungsbewegung
Es wird davon ausgegangen, dass die Vorrichtung 1, insbesondere der Roboter, während der gesamten Therapie (= Durchführung der Therapiebewegung) in physischem Kontakt mit dem Menschen M steht. Daher ist die Verwendung eines nachgiebigen Regelungsver- fahrens („compliant control method“), wie z.B. die kartesische Impedanzregelung empfeh- lenswert. Wird entsprechend als eine in kartesischen Koordinaten beschriebene Trajek-
Figure imgf000023_0005
torie der Vorrichtung 1, insbesondere des Roboters, betrachtet, so ergeben sich folgende Zusammenhänge :
Figure imgf000023_0001
mit Kx (= kartesische Steifigkeitsmatrix); Dx (= kartesische Dämpfungsmatrix) ∈ R3 x 3 und Mc( q) (= die kartesische Trägheitsmatrix),
Figure imgf000023_0006
(= die kartesische Coriolis- und Zent- rifugal-Matrix) ∈ R3 x 3. Diese Matrizen sind definiert als
Figure imgf000023_0002
b) Beschreibung des Energieflusses im System Unter Berücksichtigung der Gleichungen (2) und (6) ergibt sich für die Dynamik des ge- schlossenen Regelkreises
Figure imgf000023_0003
Für eine derartige Vorrichtung 1, insbesondere für einen derartigen Roboter, kann folgende Energie-Speicherfunktion der Regelungsabweichung („control error energy storage func- tion“) definiert werden
Figure imgf000023_0004
Unter Berücksichtigung von Gleichung (10) und der schiefsymmetrischen Eigenschaften von kann bewiesen werden, dass
Figure imgf000023_0007
Figure imgf000024_0001
wobei Pin ∈ R den durch den Bewegungsgenerator (entspricht insbesondere einem Bewe- gungsmodul 50 der Vorrichtung 1) erzeugten Leistungseingang in das System, Pr ∈ R den durch die Umgebung erzeugten Leistungseingang in das System, und Pdiss ∈ R die durch Regelungsdämpfung verlorengehende Leistung beschreibt. Diese Größen werden wie folgt definiert:
Figure imgf000024_0002
Aus einer Betrachtung von Fig. 4a ergibt sich zudem, dass der Energiefluss für den Endef- fektor der Vorrichtung 1, insbesondere des Roboters, auf eine ähnliche Weise beschrieben werden kann. Die Gesamtenergie des Endeffektors umfasst kinetische und potenzielle Energie, so dass
Figure imgf000024_0003
wobei xee ∈ R3 die Koordinaten des Schwerpunkts der jeweiligen Endeffektor-Pose, g0 = [0, go, 0] T den Gravitationsvektor in Weltkoordinaten, und mee ∈ R+ und Mee e R3 x 3 die Masse bzw. die Trägheitsmatrix des Endeffektors beschreibt. Die Trägheitsmatrix ist defi- niert als
Figure imgf000024_0004
wobei Izz,ee ∈ R+ die letzte Komponente des Trägheitstensors des Endeffektors ist.
Unter Berücksichtigung des zweiten Newtonschen Gesetzes und der Summe der Kräfte, die am Endeffektor wirken, ergibt sich
Figure imgf000025_0001
Nun kann eine Gesamt-Speicherfunktion S ∈ R>0 („Overall storage function“) definiert wer- den als
Figure imgf000025_0002
und unter Berücksichtigung der Gleichungen (12) und (18) ergibt sich
Figure imgf000025_0003
wobei Ph die Leistung beschreibt, die dem System aus Vorrichtung 1 und Mensch M vom Mensch M zugeführt wird, definiert als
Figure imgf000025_0004
In Fig. 1 ist eine schematische Interpretation der Gleichung (20) dargestellt, welche die Hauptmerkmale des erfmdungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsverfahrens beschreibt. Die gespeicherte Energie im durch das erfmdungsgemäßen Steuerungs- und Regelungsver- fahren gesteuerte Roboter ändert sich mit der Zeit als Folge eines kombinierten Effekts der mit der Patientenbewegung verbundenen Leistungsein- bzw. -ausgänge Ph, Pin und Pdiss, des Trajektorie-Generators und der Regelungsdämpfung. Die Frequenz der zyklischen Bewe- gung Ω, welche der Geschwindigkeit der von der Vorrichtung 1, insbesondere von dessen Bewegungsmodul 50, entspricht und somit auch die gewünschte (vorgegebene) Trajektorie Xd werden auf Basis des aktuellen Levels der gespeicherten Energie S im Vergleich zu einer maximal erlaubten Energie Smax und einem Schwellwert Smax- SΔ angepasst. Diese Anpas- sung beeinflusst direkt den Energieeingang bzw. -ausgang des Bewegungsgenerators zum/vom System aus Vorrichtung 1 und Mensch M, d.h. Leistungseingang Pin in das Sys- tem über die Zeit. c) Energiebegrenzung
Normalerweise wird eine energie-basierte Regelungsmodellierung zur Stabilitätsuntersu- chung eines Systems mittels einer Passivitätsanalyse verwendet. Derartige Modelle weisen jedoch weitere Vorteile auf, nämlich beispielsweise eine Beschreibung des Energieflusses zwischen zwei unabhängigen (Teil-)Systemen. Dies ist besonders dann interessant, wenn eines der (Teil-)Systeme unvorhersehbar agiert, wie im Fall eines Menschen M (in seiner Interaktion mit einer Vorrichtung 1).
Ein entsprechendes Beispiel findet sich in SHAHRIARI, E., KRAMBERGER, A.; GAMS, A., UDE, A., HADDADIN, S.: Adapting to contacts: Energy tanks and task energy for passivity-based dynamic movement primitives ; 2017 IEEE-RAS 17th International Confer- ence on Humanoid Robotics (Humanoids), Birmingham, 2017, S. 136 - 142 (doi: 10.1109/HUMANOIDS.2017.8239548).
Das erfindungsgemäße Steuerungs- und Regelungsverfahren sieht nun vor, die oben her- geleiteten Energiemodelle so anzuwenden, dass die Energie, welche von der Vorrichtung 1 zum Menschen M übertragen wird, begrenzt wird und die Ansprechschwelle der Vor- richtung 1 auf Bewegungen des Menschen M planmäßig abzustimmen.
Ausgehend von Gleichung (20) ergibt sich, dass die geregelte Vorrichtung 1, insbesondere der Roboter, passiv bezüglich der Kanäle
Figure imgf000026_0001
und ist. Für die Gesamtstabilität
Figure imgf000026_0002
des Systems ist es deshalb notwendig den Effekt/Einfluss der genannten Kanäle auf das System zu passivieren. Eine Möglichkeit dies zu tun ist, einen für diese Kanäle definierten virtuellen Energietank zu vergrößern, da eine planmäßige Gestaltung eines virtuellen Ener- gietanks auf eine Begrenzung der Gesamt-Speicherfimktion S hinausläuft. Wenn garantiert ist, dass die Gesamt-Speicherfimktion S (entspricht der Gesamtenergie des Systems beste- hend aus virtueller und tatsächlicher („echter“) Energie) stets gebunden ist, ist die Stabilität des Gesamtsystems gesichert.
Aus Gleichung (20) ergibt sich zudem, dass der Energiefluss zwischen Vorrichtung 1 und Mensch M direkt von der Gesamt-Speicherfimktion S abhängt. Ein großer Wert von S kann als ein hoher Betrag an gespeicherter Energie interpretiert werden, welcher zum Menschen M übertragen werden kann, wann immer Ph <0. Entsprechend Gleichung (21) kann dies dann der Fall sein, wenn die von der Vorrichtung 1 vorgegebene (erzeugte) Bewegung gegen eine vom Menschen M ausgeübte Kraft erfolgt. Die Größe des möglichen Energie- transfers von der Vorrichtung 1 zum Menschen M kann durch eine Begrenzung der gespei- cherten Energie S auf einen sicheren Bereich eingeschränkt werden. Aus den vorherigen Aussagen kann hergleitet werden, dass eine absolute obere Grenze für die Gesamt-Spei- cherfimktion S (=Ge samtenergie) existiert, welche sowohl die Stabilitäts- als auch die Si- cherheitsanforderungen erfüllt. Somit kann ein beliebiger Grenzwert Smax zwischen dem Wert 0 und der besagten absoluten oberen Grenze definiert werden. Die exakte Wahl von Smax beeinflusst die Ansprechschwelle der Vorrichtung 1 auf Abweichungen zwischen der Bewegung des Menschen M und der gewünschten, vorgegebenen Bewegung der Vorrich- tung 1, insbesondere des Roboters bzw. des Bewegungsmoduls 50 der Vorrichtung 1.
Unter der Voraussetzung, dass See << Sr ergibt sich aus den Gleichungen (11) und (19), dass die Gesamt-Speicherfimktion S hauptsächlich durch die Größe der Verfolgungsfehler- Variablen („tracking error variables“)
Figure imgf000027_0001
und
Figure imgf000027_0002
bestimmt wird. Die Werte dieser Variablen können wiederum nur auf der Regelungsseite durch eine Änderung der vorgegebenen Trajektorie im Einklang mit der Bewegung des Menschen M reduziert werden. Für den Anwendungsfall bedeutet das, dass das Ergebnis der Wahl eines kleineren Wertes für Smax dazu führt, dass die Vorrichtung 1 im Rahmen einer Interaktion mit dem Menschen reakti- onsfähiger („more responsive“) wird. d) Energie-basierter Bewegungsgenerator
Die Gesamt-Speicherfunktion S kann nicht direkt kontrolliert werden, weil sie eine Funk- tion der unvorhersehbaren Bewegung des Menschen M ist, d.h.
Figure imgf000027_0003
wie aus den Gleichungen (20) und (21) hervorgeht. Allerdings kann S, wie aus Gleichung (13) hervorgeht, indirekt über Pin, durch Anpassung von Xd unter Verwendung von (S - Smax) als Referenz, kontrolliert, oder mit anderen Worten „geformt“, werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die Kontrolle bzw. Formung der Energie nicht das von einem Therapeuten vorgegebene Trajektorie-Muster bzw. die vorgegebene Trajektorie- Amplitude, sondern nur die Geschwindigkeit der gewünschten Bewegung verändert soll. Die Vorgabe des Trajektorie-Musters kann theoretisch auf beliebige Art erfolgen, es hat sich jedoch, insbesondere für Demonstrationszwecke, die Verwendung einer glatten Sinus- funktion
Figure imgf000028_0001
bewährt, wobei A ∈R≥0 die Amplitude und Ω∈R≥0 die Frequenz der gewünschten zykli- schen Bewegung beschreibt. Die periodische Phase ɸ ∈ [0,1] beschreibt den Bewegungs- fortschritt innerhalb eines Zyklus und ist für jeden Zeitpunkt t bestimmt durch
Figure imgf000028_0002
wobei t0 den Startzeitpunkt der zyklischen Bewegung beschreibt.
Aus den Gleichungen (22) und (23) ist ersichtlich, dass die gewünschte Geschwindigkeit und schlussendlich auch die Energie des Gesamtsystems unter Berücksichtigung einer vor- gegebenen Trajektorie-Amplitude durch Anpassung von W kontrolliert bzw. geformt wer- den kann. Darüber hinaus kann der Phasenwert ɸ auch dazu genutzt werden zu bestimmen, wann das eine Bein eines Menschen M einen vollen Bewegungszyklus durchlaufen hat, um daraufhin die Bewegung des anderen Beines auszulösen. Dies verhindert vorteilhaft unab- hängige und chaotische Bewegungsprofile der Beine in Bezug zueinander.
Ein Gesetz für die Bewegungsanpassung für eine glatte Anpassung von Ω kann schließlich wie folgt lauten:
Figure imgf000028_0003
wobei Smax- SΔ den Grenzwert für S beschreibt an dem die Energiekontrolle bzw. -formung beginnt und γp und γn die maximal erlaubten positiven bzw. negativen Wert für W bezeich- nen. Alternativ dazu kann ein erfindungsgemäß bevorzugtes Gesetz für die Bewegungsanpas- sung für eine glatte Anpassung von Ω auch wie folgt lauten:
(25a)
Figure imgf000029_0001
Hierbei wird im Bereich von Pin > 0 (entspricht jeweils der linken Seite in den Diagrammen der Fig. 2a und 2b) in der Mitte des Bereichs SΔ eine Region Sδ definiert, in welcher die Kontrollgröße Ω gleich Null gesetzt wird.
Die Fig. 2a und 2b zeigen jeweils ein erstes bzw. zweites Beispiel einer funktionellen Ab- hängigkeit einer Kontrollgröße Ω von einer Gesamtenergie S als Regelgröße.
Der Standardwert für Ω ist 1. Wenn S den erlaubten Grenzwert überschreitet, hängt die Regulierung bzw. Änderung von Ω vom Wert von Pin, also von der Richtung des Leistungs- flusses, ab. Wenn Pin > 0 ist, die Vorrichtung 1 also dem System zum Zeitpunkt der Grenz- wertüberschreitung Energie zuführt, wird Ω verringert, um die gewünschte, vorgegebene Bewegung zu verlangsamen oder sogar umzukehren. Wenn Pin < 0, der Energie-Grenzwert also dadurch überschritten wird, dass der Mensch m dem System Energie zuführt, wird Ω erhöht, um den Verfolgungsfehler („tracking error“), d.h.
Figure imgf000029_0002
und zu reduzieren, wodurch
Figure imgf000029_0003
Energie aus dem System entnommen wird und das System auf ein sichereres (Stabilitäts-) Level gebracht wird. Fig. 2a zeigt Ω als Funktion von S gemäß Gleichung (25).
In Fig. 2b ist ein zweites Beispiel einer funktionellen Abhängigkeit der Kontrollgröße Ω von einer Gesamtenergie S als Regelgröße dargestellt, wie sie insbesondere durch G1. 25a beschrieben werden kann. Dabei ergibt sich folgender Zusammenhang für die Parameter aus Fig. 2a (rechts) und Fig. 2b (links):
Figure imgf000030_0001
Wird zudem Sδ gleich Null (Sδ = 0) gesetzt ergibt sich (25b)
Figure imgf000030_0002
wobei nun
Figure imgf000030_0003
gilt.
Zur Einstellung verschiedener Ansprechschwellen („responsiveness level“) der Vorrich- tung 1 können insbesondere folgende Werte für die Parameter bzw. Zusammenhänge zwi- schen den Parametern gewählt werden:
Figure imgf000031_0001
Der Wert SP2 entspricht hier dem Wert Smaxaus Fig. 2a. Der Wert Sp1 entspricht der Diffe- renz Smax - SΔ und kann, wie aus der obigen Tabelle ersichtlich, zur Einstellung aller Para- meter Snx der Seite mit Pin> 0 verwendet werden. Der Vorteil dieses Regelungsschemas für die Kontrollgröße Ω besteht darin, dass im Gegensatz zum Schema aus Fig. 2a der Null- durchgang von Ω (S) auf der linken Seite (Pin> 0) kein Schnittpunkt, sondern ein „Schnitt- bereich“ (= Bereich mit Ω = 0) ist. Der Nulldurchgang von Ω (S), also der Vorzeichen- wechsel von Ω (S) < 0 nach Ω (S) > 0, entspricht einer Richtungsänderung der von der Vorrichtung 1 vorgegebenen Bewegung. Im in Fig. 2b dargestellten Fall erfolgt diese Rich- tungsänderung nicht plötzlich, wie bei Fig. 2a, sondern sanfter und somit angenehmer für den Menschen M.
Zudem sind weitere Parametervorgaben zur Erzielung bestimmter Vorrichtungseigenschaf- ten möglich. So kann zum einen beispielsweise der Wert γn gleich null gesetzt werden, was dem Patienten eine (versehentliche) Umkehrung der vorgegebenen Bewegungsrichtung un- möglich macht. Zum anderen kann ein Gleichsetzen der Parameter Sn2 und Sn3 zu einer Destabilisierung der Bewegung der Vorrichtung 1 führen.
Die bisher beschriebene Anpassung der Kontrollgröße Ω und damit die Steuerung und Re- gelung der Unterstützungswirkung der durch das erfindungsgemäße Verfahren betriebene Vorrichtung 1 basiert ausschließlich auf energetischen Betrachtungen. Zur Erweiterung des vorliegenden Verfahrens kann jedoch auch der Faktor Zeit berücksichtigt werden.
Bei dieser Variante des erfmdungsgemäßen Verfahrens wird die Kontrollgröße Ω wie folgt definiert:
(25c)
Figure imgf000032_0001
dabei wird der gewählte obere Grenzwert Smax der Gesamtenergie S stets mit einem Faktor ζ multipliziert, wobei
Figure imgf000032_0002
Der Faktor beschreibt hier die Zeitdauer während der sich die
Figure imgf000032_0003
Vorrichtung 1 innerhalb eines Bewegungszyklus im Stillstand befindet. Das bedeutet, bewegt sich die Vorrichtung 1 (wenn also die zeitliche Ableitung des Phasen werts ɸ ≠ 0 ist), ist der Faktor
Figure imgf000032_0004
gleich null. Sobald die
Vorrichtung 1 stoppt, beispielsweise aufgrund eines Widerstands durch den Patienten (Mensch M) (zeitliche Ableitung des Phasenwerts ɸ ≈ 0), wächst der Faktor
Figure imgf000032_0005
mit der Zeit an. Der Parameter t beschreibt dabei die maximal erlaubte Zeitdauer, für die die Vorrichtung 1 im Stillstand verharren darf. In der Praxis bedeutet das, dass wenn ein Patient (Mensch M) der vorgegebenen Bewegung der Vorrichtung 1 nicht folgen kann, beispielsweise aufgrund eines aktuell zu schlechten Gesundheitszustands, und dadurch die Vorrichtung 1 die ausgeführte Bewegung stoppt, die Vorrichtung 1 bis zu einer Zeitdauer von τ Sekunden im Stillstand verharren kann. Da der Grenzwert Smax unter Berücksichtigung der Gleichungen (25c) und (25d) exponentiell anwächst, fällt der aktuelle Wert der Gesamtenergie S nach Ablauf dieser Zeitdauer τ in einen Bereich für den die Kontrollgröße Ω =1 ist. Somit bewegt sich die Vorrichtung 1 dann mit normaler Geschwindigkeit weiter.
III) Iterativer Lernprozess der Regelung
Wie bereits oben beschrieben, entsprechen hohe Werte von Smax einer niedrigen Ansprech- schwelle der Vorrichtung 1 auf Bewegungen des Menschen M und umgekehrt. Bei hohen Werten von Smaxwird die gewünschte, vorgegebene Bewegung daher nicht angepasst. Statt- dessen wird der Mensch M durch die Vorrichtung 1, insbesondere den Roboter bzw. das Bewegungsmodul 50 der Vorrichtung 1, entsprechend der von einem Therapeuten vorge- gebenen Bewegungsbahn/Trajektorie mitgezogen, wobei auf das Ausmaß seiner aktiven Beteiligung oder sogar eines etwaigen Widerstands gegen die vorgegebene Bewegung (je- weils repräsentiert durch die Größe Ph) Rücksicht genommen wird. Eine derartige Rege- lung ist nützlich in Fällen, in denen der Mensch M unfähig ist, selbstständig seine Beine zu bewegen und eine hohe bzw. vollständige Unterstützung der Vorrichtung 1 benötigt. Wird der Wert von Smax jedoch reduziert, steigt die Ansprechschwelle der Vorrichtung 1 (= die Vorrichtung 1 reagiert früher) auf den Menschen M, dies bedeutet, dass die gewünschte, vorgegebene Bewegung angepasst wird, falls sich der Mensch M nicht daran beteiligt bzw. gegen die vorgegebene Bewegung Widerstand ausübt. In diesem Fall wird die Bewegung der Vorrichtung 1 verlangsamt, gestoppt oder umgekehrt bis der Mensch M beginnt aktiv der vorgegebenen Bewegung zu folgen. Ein bevorzugter Weg dies zu realisieren besteht in einer Reduzierung der Wechselwirkungskraft zwischen dem Bein/den Beinen und der Vor- richtung 1.
Im Rahmen einer Rehabilitation hängt die Wahl des Wertes Smax vom Gesundheitszustand des Menschen M ab, wobei zu berücksichtigen ist, dass sich eine aktive Beteiligung vor- teilhaft auf den Heilungsprozess auswirken und die Gefahr eines Auftretens weiterer Kom- plikation verhindern kann. Aus diesem Grund ist eine Regelung mit niedrigen Werten von Smax vorteilhaft für Menschen M mit relativ hoher Eigenkraft und eigenem Vermögen auf die Vorrichtung 1, insbesondere den Roboter bzw. das Bewegungsmodul 50 der Vorrich- tung 1, einzuwirken. Wenn ein Mensch M allerdings nicht in der Lage ist, sich an der Be- wegung aktiv zu beteiligen, muss der Wert von Smax zur Durchführung einer Therapiebe- wegung bei einem hohen Wert gehalten werden. Der optimale Wert für Smax ergibt sich somit aus dem für den jeweiligen Menschen M niedrigsten Wert bei dem die gewünschte, vorgegebene Bewegung nur minimal verändert wird. Wenn Smax entsprechend dieser Regel kontinuierlich angepasst wird, kann die Größe Smax demnach als ein Maß für die Beteili- gungsfähigkeit des Menschen an der vorgegebenen Bewegung verwendet werden.
Zudem ist zu bedenken, dass sich die Kraft bzw. die Beteiligungsfähigkeit des Menschen M während der Durchführung einer Bewegung, z. B. aufgrund von Müdigkeit oder Kreis- laufänderungen, ändern kann und dadurch eine ständige Änderung des Unterstützungsle- vels durch die Vorrichtung 1, also eine ständige Änderung der Ansprechschwelle, notwen- dig werden kann. Für eine optimale Unterstützung eines Menschen M, insbesondere eines Patienten, während einer (Therapie-)Bewegung sollte Smax demnach während der gesamten Bewegungsdurchführung an die aktuelle Beteiligungsfähigkeit des Menschen M angepasst werden. Der Beteiligungszustand des Menschen M kann dabei entweder durch zusätzliche Sensoren, wie insbesondere im Rahmen einer Elektromyografie (EMG), überwacht wer- den. Der Beteiligungszustand kann jedoch auch, wie im Folgenden gezeigt, durch einen Lernalgorithmus der Vorrichtung 1 und vorteilhaft ohne die Verwendung weitere Sensoren bestimmt werden.
Fig. 3 zeigt ein Block-Diagramm eines exemplarischen Lernprozesses im Rahmen des er- findungsgemäßen Verfahrens.
Zu Beginn einer Therapiesitzung wird ein vergleichsweise hoher Wert für Smax gewählt. Dieser Wert wird so hoch gesetzt, dass die Vorrichtung 1 den Menschen M vollständig in der Bewegung unterstützt, so dass das Gesetz für die Anpassung an eine gewünschte, vor- gegebene Bewegung gemäß Gleichung (25) also nicht „ausgelöst“ wird und Ω den Wert 1 beibehält. Im Laufe der Sitzung wird nun bei jeder durchlaufenen zyklischen Bewegung der Wert von Smax iterativ verkleinert (d.h. Ausnutzung eines Vergessens-Algorithmus („forgetting process“), solange Ω den Wert 1 beibehält. Da eine Verkleinerung des Wertes von Smax die Empfindlichkeit der Vorrichtung 1 auf die Beteiligung des Menschen M an der Bewegung (also die Ansprechschwelle) erhöht, kann auf diese Weise nach und nach ein Wert für Smax bestimmt werden, der klein genug ist, dass der Mensch M nicht mehr fähig ist, der vorgegebenen Bewegung genau genug zu folgen und dadurch die Kontroll- größe Ω durch Abweichung vom Wert 1 „ausgelöst“ wird. Ist dies der Fall, wird Smax für den nächsten Bewegungsdurchlauf erhöht (d.h. es findet ein Lernprozess („leaming pro- cess“) statt). Durch Messung des Wertes der Kontrollgröße Ω bei jeder Iteration (= jedem Bewegungsdurchlauf) kann somit der Beteiligungszustand des Menschen M bestimmt und der Wert für Smax entsprechend angepasst werden. Mathematisch lässt sich dieser Lernpro- zess nach der i-ten Iteration wie folgt beschreiben
Figure imgf000035_0001
wobei den Durchschnitt aller Werte von Ω während der i-ten Iteration beschreibt und K1 und Kf einen Lern- bzw. Vergessensfaktor bezeichnen. Vorzugsweise wird dabei K1 > > Kf gewählt, so dass dem Lernfaktor K1 ein größeres Gewicht zukommt.
Ein derartiger iterativer Lernprozess wird in Fig. 3 exemplarisch anhand eines Block-Dia- gramms dargestellt. Die ursprüngliche Trajektorie xd * wird im Trajektorie-Generator auf Basis der im System gespeicherten Energie und der erlernten maximal erlaubten Energie angepasst.
Eine Erweiterung des beschriebenen Steuerungs- und Regelungsverfahrens kann darüber hinaus nun darin bestehen, es einem Therapeuten zu ermöglichen, die Wirkungsweise der Vorrichtung 1, in Abhängigkeit der zu aktivierenden bzw. zu trainierenden Muskeln bzw. Muskelgruppen, in verschiedene Bereiche (Regionen Φi) einzuteilen und für jede dieser Regionen Φi das Ausmaß an Unterstützung („assistance level“) bzw. die Wirkungsweise der Vorrichtung 1 gezielt einzustellen. Das Ausmaß an Unterstützung, also das „assistance level“ der Vorrichtung 1 ist dabei als eine glatte Funktion definiert, welche Bewegungsun- terbrechungen der Vorrichtung 1 möglichst vermeidet. Erfmdungsgemäß bevorzugt kann einer derartigen Steuerung und Regelung auf eine Einteilung in Regionen Φi auf Basis des Phasenwerts ɸ, wie in Gleichung (24) definiert, zugrunde gelegt werden.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer (ɸ - Sp1(=Smax))-Kurve für eine von einem Phasenwert ɸ abhängige Steuerung und Regelung einer erfmdungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Region Φi beschreibt dabei den Phasenwertbereich von ɸstr, i bis ɸstr, i+1. Zur Vorberei- tung einer Bewegungstherapie kann der Therapeut die Regionen entsprechend den Bedürf- nissen des jeweiligen Patienten einstellen, insbesondere kann eine Einteilung in 4 Regionen Φi mit ɸstr, 1 = 0, ɸstr, 2 = 0,25, ɸstr, 3 = 0,5, ɸstr, 4 = 0,75, ɸstr, 5 = 1 erfolgen. Für jede dieser Regionen Φi kann nun ein eigener Grenzwert Smax, i (ɸ) definiert werden, wobei für alle Phasenwerte ɸ i einer Region Φi
(27)
Figure imgf000036_0001
Der Wert
Figure imgf000036_0002
ist hierbei verknüpft mit der jeweiligen Region Φi und kann während der Bewegungstherapie über einen iterativen Lernprozess, insbesondere wie oben beschrie- ben, verbessert (an den Therapiefortschritt angepasst und optimiert) werden. Der sog. Glät- tungsbereich Δ ≥ 0 weist hierbei vorzugsweise einen kleineren Wertebereich von Phasen- werten ɸ als die jeweilige Region Φi(ɸ) auf. Der Glättungsbereich Δ kann insbesondere ein Zehntel der Phasenwerte ɸ der entsprechenden Region Φi(ɸ) umfassen. Bei einer Auftei- lung in beispielsweise vier Regionen Φi(ɸ) für jedes Bein des Menschen M und einen Wer- tebereich für die Phasenwerte ɸ von 0 bis 1 für ein Bein (vgl. dazu G1. 24) kann sich auf diese Weise eine Länge von jeweils 0,25 „Phaseneinheiten“ für die einzelnen Regionen Φi(ɸ) bei einer Länge von 0,025 „Phaseneinheiten“ des Glättungsbereichs Δ ergeben.
Schließlich kann die Vorrichtung 1 als weitere Verbesserung des iterativen Lernprozesses zur Bestimmung eines initialen Grenzwertes Sinit(ɸ) zunächst n Bewegungszyklen ohne vorgegebenen Grenzwert Smax durchlaufen, wobei die Zahl n der Bewegungszyklen im Be- reich von 2 ≤ n ≤ 5 Bewegungszyklen, bevorzugt bei 3 Bewegungszyklen liegt. Dabei wird vorzugsweise ein S(ɸ)-Profil aufgezeichnet und anschließend ein Mittelwert der aufge- zeichneten S(ɸ)-Werte als initialer Grenzwert Sinit(ɸ) berechnet. Dieser initiale Grenzwert Sinit(ɸ) wird dann in einem ersten Iterationsschritt des iterativen Lernprozesses, insbeson- dere wie oben beschrieben, in der Form λ· Sinit(ɸ) mit λ ≥ 1 als Startwert für den Grenzwert (Smax) verwendet. Diese automatische Bestimmung des initialen Grenzwertes Sinit(ɸ) als „erster Wert für Smax“ ermöglicht es vorteilhaft, einen geeigneten Startwert für verschie- dene Patienten mit ganz verschiedenen Ausgangspunkten bezüglich ihres Gesundheitszu- standes individuell, sicher und zügig zu bestimmen. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vor- richtung 1, wenigstens umfassend ein Bewegungsmodul 50, in ihrer Interaktion mit einem Menschen M, welches auf einem Energie-basierten Regelungsschema beruht, welches es ermöglicht, den Betrag einer Gesamtenergie (S) im System Vorrichtung 1 - Mensch M in Abhängigkeit einer gemessenen Kontrollgröße Ω, welche die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung 1 bzw. ihres Bewegungsmoduls 50 beschreibt, zu kontrollieren. Das Ver- fahren betrachte vorteilhaft den gesamten Leistungskreislauf, insbesondere die Dynamik des Energie- bzw. Leistungsflusses, im System Vorrichtung 1 - Mensch M und berück- sichtigt den Leistungsbeitrag des Menschen M bei der Regelung. Zudem ermöglicht es das Verfahren vorteilhaft in einem iterativen Lernprozess den Beteiligungszustand des die Vor- richtung 1 benutzenden Menschen M ohne zusätzliche Sensoren zu bestimmen.
Bezugszeichenliste
I Vorrichtung
I I Steuereinheit
30 Rehabilitationsmechanismus
50 Bewegungsmodul
51 Kraftsensor
52 Winkelsensor
Zeitliche Ableitung (Geschwindigkeit) der kartesischen Koordinaten zur Beschrei- bung der Bewegungstrajektorie
S Gesamtenergie (Gesamt-Speicherfimktion) smax gewählter Grenzwert der Gesamtenergie S Pin den durch den Bewegungsgenerator erzeugten Leistungseingang in das System Ph die Leitung, die dem System aus Vorrichtung (1) und Mensch (M) vom Menschen (M) zugeführt wird
Pdiss die durch Regelungsdämpfimg verlorengehende Leistung
M Mensch

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer Vorrichtung (1), wenigstens umfas- send ein Bewegungsmodul (50), in ihrer Interaktion mit einem Menschen (M), bei dem - ein Energienetzwerk definiert wird wenigstens bestehend aus: - einer ersten Leistungskomponente (Pin), welche den von der Vor- richtung (1) zu einer Gesamtenergie (S) eines Systems aus Vorrich- tung (1) und Mensch (M) zugeführten Energiebetrag pro Zeiteinheit beschreibt; - einer zweiten Leistungskomponente (Pdiss), welche den von der Vor- richtung (1) außerhalb der primär mit Hilfe des Bewegungsmoduls
(50) zu verrichtenden Arbeit durch interne Steuerungs- und Rege- lungsprozesse verlorenen Energiebetrag pro Zeiteinheit beschreibt; - und einer dritten Leistungskomponente (Ph), welche den vom Men- schen (M) zur Gesamtenergie (S) zugeführten Energiebetrag pro Zeiteinheit beschreibt; - als eine Regelgröße die Gesamtenergie (S) des Energienetzwerks also des Systems aus Vorrichtung (1) und Mensch (M) definiert wird; - als eine Kontrollgröße (Ω) die Geschwindigkeit definiert wird, mit der die Vorrichtung (1) über ein Bewegungsmodul (50) mit dem Menschen (M) in- teragiert, wobei das Bewegungsmodul (50) eine vorgegebene Trajektorie
(xd) durchlaufen soll; - die Gesamtenergie (S) des Energienetzwerks umso größer wird, je mehr die vom Menschen (M) selbstständig aus- geführte Bewegung der von der Vorrichtung (1) zunächst vorgege- benen Bewegung entlang der Trajektorie (xd) abweicht; und - wieder verkleinert wird, wenn sich die vom Menschen (M) selbst- ständig ausgeführte Bewegung an die von der Vorrichtung (1) zu- nächst vorgegebene Bewegung entlang der Trajektorie (xd) annä- hert; - die Gesamtenergie (S) des Energienetzwerks während der Bewegung des
Bewegungsmoduls (50) ermittelt wird, und - die Kontrollgröße (Ω) während der Bewegung des Bewegungsmoduls (50) in Abhängigkeit der ermittelten Gesamtenergie (S) variiert wird, so dass die Gesamtenergie (S) - wenn sie in einem Bereich von S ≤ Smax - SΔ liegt, in diesem Bereich verbleibt, oder - wenn sie in einem Bereich von S > Smax - SΔ liegt, sich wieder an den Bereich S ≤ Smax - SΔ annähert, wobei - Smax = eine gewählte obere Grenze der Gesamtenergie (S); - SΔ = Smax - Sx1, wobei Sx1 einzelne Werte der Regelgröße (=
Gesamtenergie) (S) darstellen und x = n als Bezeichnung für Werte in einem Bereich mit Pin > 0 und x = p als Bezeichnung für Werte in einem Bereich mit Pin < 0 verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung (1) ein Rehabilitationsme- chanismus, geeignet ausgebildet für eine planmäßige Rehabilitation zumindest der Gelenke, Muskeln und Sehnen der unteren Extremitäten eines Menschen (M) mit einem in Wirkverbindung mit den unteren Extremitäten des Menschen (M) bring- baren Bewegungsmodul (50); - wobei das Bewegungsmodul (50) umfasst: - wenigstens einen Kraftsensor (51) zur Messung eines Betrags ei- ner Kraft zwischen Bewegungsmodul (50) und der unteren Extre- mität des Menschen (M), und - wenigstens einen Winkelsensor (52) zur Messung der Richtung der
Kraft zwischen Bewegungsmodul (50) und der unteren Extremität des Menschen (M).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kontrollgröße (Ω) definiert ist als
Figure imgf000041_0001
- γp = maximal erlaubter positiver Wert für die Kontrollgröße (Ω); - γn = maximal erlaubter negativer Wert (Betrag) für die Kontrollgröße (Ω); - S = Gesamtenergie des Systems aus Vorrichtung (1) und Mensch (M); - Smax = gewählte obere Grenze der Gesamtenergie (S); - SΔ = Smax - Sp_x, wobei Sp_x einzelne Werte der Regelgröße S darstellen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Kontrollgröße (Ω) de- finiert ist als
Figure imgf000041_0002
mit: - γp = maximal erlaubter positiver Wert für die Kontrollgröße (Ω); - γn = maximal erlaubter negativer Wert (Betrag) für die Kontrollgröße (Ω); - S = Gesamtenergie des Systems aus Vorrichtung (1) und Mensch (M); - Smax = gewählte obere Grenze der Gesamtenergie (S); - SΔ = Smax - Sp_x, wobei Sp_x einzelne Werte der Regelgröße S darstellen - Sδ = Region in der Mitte von SA für die die Kontrollgröße (Ω) gleich null gesetzt wird, wobei Pin > 0.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kontrollgröße (Ω) definiert ist als
Figure imgf000042_0001
- γp = maximal erlaubter positiver Wert für die Kontrollgröße (Ω); - γn = maximal erlaubter negativer Wert (Betrag) für die Kontrollgröße (Ω); - S = Gesamtenergie des Systems aus Vorrichtung (1) und Mensch (M); - Smax = gewählte obere Grenze der Gesamtenergie (S); - SΔ = Smax ·ζ - Sp_x, wobei Sp-x einzelne Werte der Regelgröße S darstellen;
Figure imgf000042_0003
wobei Zeitdauer, während der die Vorrichtung (1) im Stillstand ist; maximal erlaubte Zeitdauer der Vorrichtung (1) im Stillstand.
Figure imgf000042_0002
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Variation der Kon- trollgröße (Ω) während der Bewegung des Bewegungsmoduls (50) in Abhängig- keit der ermittelten Gesamtenergie (S), insbesondere durch Implementierung eines Filters, einer Ratenbegrenzung und/oder durch eine Limitierung eines Betrags der ersten Ableitung der Kontrollgröße (Ω) nach der Gesamtenergie (S), gedämpft wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Gesamtenergie (S) des Systems aus Vorrichtung (1) und Mensch (M), welche insbesondere einen vir- tuellen Energiebetrag und einen tatsächlichen Energiebetrag umfasst, definiert ist als eine Gesamt-Speicherfimktion S = Sce oder als eine Gesamt-Speicherfunktion S = Sce + See - wobei die Energie-Speicherfunktion der Regelungsabweichung (Sce) ins- besondere definiert ist als mit:
Figure imgf000043_0001
- Sce = Energie-Speicherfimktion der Regelungsabweichung („control error energy storage function”); - Mc( q) = die kartesische Trägheitsmatrix; - Kx = die kartesische Steifigkeitsmatrix; und - See = Gesamtenergie des Endeffektors der Vorrichtung (1), insbesondere des Bewegungsmoduls (50), bestehend aus kinetischer und potenzieller Energie. 8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Energie-Speicherfunktion (Sce) - über die erste Leistungskomponente (Pin) ermittelt mit, wobei die erste Leistungskomponente (Pin) mit der zweiten Leistungskomponente (Pdiss) verrechnet wird; oder - über eine, insbesondere von einem Kraftsensor (51) zur Messung eines Be- trags einer Kraft zwischen Bewegungsmodul (50) und der unteren Extre- mität des Menschen (M) gemessenen, Interaktionskraft zwischen Vorrich- tung (1) und Mensch (M) berechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem die zeitliche Ableitung der
Gesamt-Speicherfimktion = Pin + Ph - Pdiss ist, mit: - Pin ∈ R = den durch den Bewegungsgenerator erzeugten Leistungseingang in das System; - Pdiss ∈ R = die durch Regelungsdämpfung verlorengehende Leistung; - Ph = die Leistung, die dem System aus Vorrichtung (1) und Mensch (M) vom Menschen (M) zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein für die Durchfüh- rung einer Bewegung zu wählender Grenzwert (Smax) für die der Gesamtenergie (S) entsprechenden Gesamt-Speicherfünktion und/oder die Größe SΔ = Smax - Sp_x, wobei Sp_x einzelne Werte der Gesamtenergie (S) sind, über einen iterativen Lern- prozess während der Durchführung der Bewegung durch die Vorrichtung (1) be- stimmt wird; - wobei im Rahmen des iterativen Lernprozesses ein Lemfaktor (κ1) und/o- der ein Vergessensfaktor (κf) zur Bestimmung eines Beteiligungszustandes des Menschen (M) an der von der Vorrichtung (1) vorgegebenen Bewe- gung, über die Zeit, bevorzugt linear, verändert werden, bis der Lemfaktor (κ1) und/oder der Vergessensfaktor (κf) einen vorher definierten Endwert erreicht hat.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem - in einem ersten Iterationsschritt ein Wert für den Grenzwert (Smax) gewählt wird, bei dem die Vorrichtung (1) den Menschen (M) vollständig in der Durchführung der Bewegung unterstützt und die Kontrollgröße (Ω) den
Wert 1 hat; - bei jedem weiteren Iterationsschritt der Wert des Grenzwertes (Smax) ver- kleinert wird, solange die Kontrollgröße (Ω) den Wert 1 beibehält; - und wenn die Kontrollgröße (Ω) vom Wert 1 abweicht, in einem nächsten Iterationsschritt der Wert des Grenzwerts (Smax) wieder erhöht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem zur Bestimmung eines initialen Grenzwertes (Sinit(ɸ)) - die Vorrichtung (1) zunächst n Bewegungszyklen ohne vorgegebenen Grenzwert (Smax) durchläuft, - wobei die Zahl n der Bewegungszyklen im Bereich von 2 ≤ n ≤ 5 Bewegungszyklen, bevorzugt bei 3 Bewegungszyklen liegt; - und dabei ein S(ɸ)-Profil aufgezeichnet wird; - anschließend ein Mittelwert der aufgezeichneten S(ɸ)-Werte als initialer Grenzwert (Sinit(ɸ)) berechnet wird, welcher in einem ers- ten Iterationsschritt des iterativen Lernprozesses in der Form λ· Sinit(ɸ) mit λ ≥ 1 als Startwert für den Grenzwert (Smax) dient; - und wobei insbesondere der Lernfaktor (κ1) und/oder der Verges- sensfaktor (κf) zur Bestimmung eines Beteiligungszustandes des Menschen (M) an der von der Vorrichtung (1) vorgegebenen Be- wegung, bei der Initialisierung des iterativen Lernprozess in Ab- hängigkeit des initialen Grenzwerts (Sinit(ɸ)) skaliert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem ein für die Durchführung einer Bewegung zu wählender Grenzwert (Smax ) für die der Gesamtenergie (S) entsprechenden Ge- samt-Speicherfünktion in Abhängigkeit eines, den Bewegungsfortschritt innerhalb eines Bewegungszyklus der Vorrichtung (1) beschreibenden, Phasenwertes (ɸ) in Regionen (Ψi(ɸ)) aufgeteilt wird und ein initialer Grenzwert (Sinit(ɸ)) für jede Re- gion (Ψi(ɸ)) bestimmt wird.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein für die Durchfüh- rung einer Bewegung zu wählender Grenzwert (Smax ) für die der Gesamtenergie (S) entsprechenden Gesamt-Speicherfunktion - in Abhängigkeit eines, den Bewegungsfortschritt innerhalb eines Bewe- gungszyklus der Vorrichtung (1) beschreibenden, Phasenwertes (ɸ ) in Re- gionen ( Φi(ɸ)) aufgeteilt wird, - wobei eine Region (Φi (ɸ)) den Phasenwertbereich von ɸ str, i bis ɸ str, i+1 beschreibt, und - der zu wählende Grenzwert (Smax(ɸ)) für jede Region (Φi (ɸ)) unabhängig definiert wird, wobei für alle Phasenwerte (ɸ) einer Region (Φi (ɸ)) gilt:
Figure imgf000046_0001
- wobei Δ ≥ 0 einen Glättungsbereich beschreibt, welcher einen kleineren Wertebereich von Phasenwerten (f) umfasst als die Regionen (Φi (ɸ)), ins- besondere ein Zehntel der Phasenwerte (f) der entsprechenden Region (Φi (ɸ)); - und der zur jeweiligen Region (Φi (ɸ)) zugehörige Grenzwert
Figure imgf000046_0002
ist. 15. Vorrichtung (1) umfassend einen Rehabilitationsmechanismus (30) geeignet aus- gebildet für eine planmäßige Rehabilitation zumindest der Gelenke, Muskeln und Sehnen der unteren Extremitäten eines Menschen (M) mit einem in Wirkverbin- dung mit den unteren Extremitäten des Menschen (M) bringbaren Bewegungsmo- dul (50); - wobei das Bewegungsmodul (50) umfasst: - wenigstens einen Kraftsensor (51) zur Messung eines Betrags ei- ner Kraft zwischen Bewegungsmodul (50) und der unteren Extre- mität des Menschen (M); und - wenigstens einen Winkelsensor (52) zur Messung der Richtung der Kraft zwischen Bewegungsmodul (50) und der unteren Extremität des Menschen (M); gekennzeichnet durch - eine Steuereinheit (11) welche eingerichtet ist, die Vorrichtung (1) nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 14 zu steuern und zu regeln.
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