WO2021259986A1 - Prosthetic device having a prosthetic hand and method for operating a prosthetic device - Google Patents

Prosthetic device having a prosthetic hand and method for operating a prosthetic device Download PDF

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WO2021259986A1
WO2021259986A1 PCT/EP2021/067119 EP2021067119W WO2021259986A1 WO 2021259986 A1 WO2021259986 A1 WO 2021259986A1 EP 2021067119 W EP2021067119 W EP 2021067119W WO 2021259986 A1 WO2021259986 A1 WO 2021259986A1
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prosthetic
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PCT/EP2021/067119
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Johannes ZAJC
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Otto Bock Healthcare Products Gmbh
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    • G06F3/015Input arrangements based on nervous system activity detection, e.g. brain waves [EEG] detection, electromyograms [EMG] detection, electrodermal response detection

Definitions

  • the invention relates to a prosthetic device with a prosthetic hand with a base body and at least one motor-adjustable finger movably mounted thereon, with at least one prosthetic hand sensor assigned to the prosthetic hand, the prosthetic hand sensor being selected from a group comprising acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, Includes pressure sensors, magnetometers and / or a combination thereof, as well as at least one muscle signal sensor for detecting at least one biosignal, the sensors being coupled to a control device.
  • the invention also relates to a method for operating such a prosthetic device.
  • Prosthetic devices replace limbs or limb parts that are no longer present or no longer present and, if possible, should at least partially replace the function of the limb that is not present.
  • actuators are activated and / or deactivated or motor drives are activated and / or deactivated on the basis of sensor values.
  • prosthetic devices of the lower extremity for example, on the basis of status or position information and / or movement information, which are determined via sensors, valves are adjusted to change hydraulic resistances, or magnetic fields are changed to achieve magnetorheological effects or energy storage is released to Support or slow down movements.
  • Active prostheses have an energy store and electrical motors that are activated and / or deactivated on the basis of sensor data in order to effect or prevent a displacement of prosthesis components in relation to one another.
  • prosthetic hands for the upper extremities
  • different types of prosthetic hands or gripping devices are known. Purely mechanical grippers are activated and deactivated using mechanical traction means.
  • prosthetic hands that can perform different grasping movements on the basis of myoelectric impulses.
  • the prosthetic hands are provided with at least one, usually several fingers movably mounted on a chassis and coupled with at least one motor drive. If a myoelectric signal is detected via electrodes, for example due to a cocontraction of antagonistic muscles, an activation signal for a motor is generated in a control device which, up to a maximum stop, until the signal disappears or until it is interrupted by another myoelectric signal causes corresponding displacement of the prosthetic finger.
  • Such a signal can, for example, also result in a finger movement of the prosthetic hand in order to generate a confirmation signal using a computer mouse.
  • a computer mouse it is problematic that the operation of a computer mouse is very complex, the operation of the right mouse button often causes difficulties and the prosthetic wrist is often not flexible, so that the mouse pointer cannot be precisely positioned.
  • the object of the present invention is to provide a prosthetic device and a method for operating a prosthetic device with a prosthetic hand, with which a simplified operation of machines, in particular of machines with a graphical user interface, is possible.
  • Prosthetic devices of an upper extremity with a prosthetic hand are controlled, for example, via muscle signal sensors for the detection of muscle signals.
  • These sensors can be implanted sensors such as nerve cuffs or surface sensors such as lead electrodes for recording myoelectric signals.
  • Other sensors can also be used to record biosignals, muscle activity or other arbitrary changes in a muscle.
  • Pressure sensors are also suitable for detecting muscle contractions and associated changes in the shape or elasticity of the muscle or other body functions.
  • the biosignal sensors he capture arbitrary changes in the body of the prosthesis user, eg movements of limbs, displacements, tension and their effects, for example eye movements and the like. If muscle signal sensors are referred to below, this includes all biosignal sensors with which arbitrary signals from the prosthesis user can be received.
  • motor-operated prosthetic hands have at least one prosthetic hand sensor in order to give feedback to the control device to which the prosthetic hand sensor is coupled.
  • the prosthetic hand sensor or several thereof are designed, for example, as an acceleration sensor, gyroscopic sensor, inertial measurement unit (IMU), pressure sensor, magnetometer and / or a combination thereof.
  • IMU inertial measurement unit
  • control programs and several operating modes are stored so that the prosthetic device can be easily adapted to different purposes.
  • a decision is made in the control device as to whether and for how long an actuator or drive is operated in which way.
  • the operating modes can be selected using sensor signals, for example using bio signals, muscle signals or a specific signal pattern from the prosthetic hand sensors or the prosthetic hand sensor. If, for example, a certain movement, a certain acceleration of the prosthetic hand by the prosthetic hand user, a certain pressure at a certain point over a certain period of time and / or in a certain spatial position is detected by the sensor or the sensors, a switch to another operating mode can take place .
  • One of the several operating modes is an operating mode in which the prosthesis unit acts as an input device for a machine, the machine being connected to the prosthesis device via an interface.
  • the operating mode with the prosthesis unit as an input device for the machine makes it possible to operate the machine, for example a computer, a material processing machine, a complex system with input elements, a smartphone, a tablet, facilities in a house or the like.
  • the especially integrated interface makes it possible to operate a machine without mechanical actuation of the prosthetic finger, which can also be, for example, a hook element of a gripper that can be actuated on the basis of muscle signals.
  • the prosthesis unit then serves as an input device for the machine and can receive the sensor signals, i.e. the signals from the prosthetic hand sensors as well as the bio or muscle signals. nalsensors, to generate the corresponding input signals for the machine directly.
  • an input mode for a computer can allow other sensor signals than an input mode for a CNC machine, a system control of a work machine or the like.
  • the interface is advantageously designed as a wireless interface with a transmitter which is suitable for sending signals to the corresponding receiving device on or in the machine.
  • a wired interface can be formed so that there is a direct mechanical connection for the transmission of corresponding signals, for example electrical or optical signals.
  • a corresponding socket or plug receptacle is arranged on the prosthesis device.
  • At least one acceleration sensor can be coupled to the control device, the sensor signals of which are integrated over time so that the position of an input marker or a mouse pointer is determined relative to a starting position.
  • the position can also be calculated and determined absolutely.
  • the sig nals of the acceleration sensor are then used as a basis for the calculation and possibly processed with other sensor signals.
  • the input marker as a mouse pointer, it can also be a cursor of an operating unit of a machine or system that is operated with the control signals of the prosthesis device.
  • At least one inertial measuring unit or IMU and / or a combination of acceleration sensors, gyroscopic sensors and / or magnetometers can be coupled to the control device, the spatial orientation of the prosthesis device being calculated from the sensor signals, in particular from the IMU.
  • Out Changes in the spatial position of the prosthesis device and / or the sensor values or displacement values, position values, in particular angle values for changing the position of the input marker, are calculated. This makes it possible to change the position of the input marker or mouse pointer or another indicator device by changing the spatial position of the prosthesis direction and thus to trigger control commands if necessary.
  • a direct three-dimensional conversion of the recorded spatial coordinates of a reference point or a reference point of the prosthetic device can take place with the input marker -Information is implemented for a virtual indicator device.
  • the sensors for detecting biosignals or muscle signals can be designed to detect muscle contractions and can be set up to switch the operating modes. Since muscle contractions can be carried out very quickly, an operating mode switchover can take place very quickly and very easily on the basis of the detection of muscle contractions or cocoon tractions. Muscle contractions can be recorded easily and reliably and are therefore well suited to be used as switching signals between different states. Muscle contractions are less suitable for effecting a change in a state via the amplitude and duration of signals or signal patterns, for example effecting a proportional increase in speed by continuously increasing the contraction intensity. This requires a high level of attention and usually extensive training.
  • movements of prosthetic devices can be carried out very precisely by the remaining limbs, so that their detection via sensors is particularly well suited to making changes to the input marker, the mouse pointer or the like.
  • Examples of different operating modes are the gripping mode, the selection mode, the mouse mode, the adjustment mode on a household appliance, the input mode on a production plant and the like.
  • Functions of the input marker or the mouse are therefore preferably assigned to signals from the sensors for detecting movements or changes to the prosthesis device, in particular the signals from gyroscopes, IMU, magnetometers, pressure sensors and / or acceleration sensors.
  • functions of the input marker are equipped and can be activated with sensor signals from bio-signals or muscles, in particular from muscle contractions.
  • confirmations such as double-clicking or right-clicking on the mouse, can be carried out by a corresponding muscle contraction signal or a signal pattern.
  • the prosthesis device provides that a mode for moving a mouse pointer on a graphical user interface or a mode for moving an input marker, a mode for changing a setting variable, a mode of a selection function and / or a mode an activation function of an application is / are stored in the control device. If, for example, the operating mode of a computer mouse is provided, the sensor signals are assigned a corresponding assignment for moving a mouse pointer on a graphical user interface, in particular a computer, a tablet or the like. If no graphical user interface is available, an input marker can be moved accordingly in order to operate the machine or the device or the system. A graphical interface is therefore not necessary.
  • Control via acoustic or haptic feedback from the machine and / or the prosthesis is also possible.
  • the mode can also include changing a setting variable, for example changing a volume, a speed, a flow rate, a resistance or the like.
  • the sensor signals are used to transmit control signals directly to change the size of the machine.
  • a selection function can be stored in the mode or a selection mode can be defined as the operating mode so that a selection is confirmed or made.
  • An activation function can be activated via a sensor signal or a combination of Sensor signals are stored in the control device, for example to activate a shortcut key, to activate an insert function, to activate a confirmation or to switch other functions on or off, for example when working with a mouse or an input device with the hand that is not supplied.
  • the input marker can also be adjusted three-dimensionally on the basis of the displacement signals in order to act easily in a hologram, a 3D drawing program or a VR environment.
  • the method for operating a prosthesis device provides that an input mode for transmitting and moving an input marker for a machine by at least one sensor signal is selected as the operating mode.
  • the input marker is moved within the input mode, it being possible for the input marker to be designed as a mouse pointer, for example. It is also possible for the input marker to be displayed on a graphical user interface. Alternatively, the input marker can be displayed in the context of a 3D simulation, a screen on a hologram or a similar representation.
  • the input mode can be selected via a pattern recognition of a bio-signal, a muscle contraction and / or at least one muscle cocontraction and / or by recognizing a movement pattern of the prosthesis device.
  • other prosthetic hand sensor signals can be provided for activating the desired operating mode.
  • Acceleration signals of the prosthesis device can be transmitted to the control device and integrated over time, the relative movement of the prosthesis device being projected onto a plane and a command for moving the input marker or the mouse pointer being determined therefrom.
  • the spatial orientation of the prosthesis device can be calculated from sensor signals from an IMU and commands for changing the position of the input marker can be calculated from changes in the spatial position of the prosthesis device.
  • functions of the input marker can be activated, for example a confirmation function can be performed Switches are activated or deactivated or the like.
  • a further development of the invention provides that the drives of the prosthetic hand are blocked in the input mode so that activities for controlling the input marker do not overlap with activities of the prosthetic hand, for example unwanted flexion of the prosthetic finger or the prosthetic hand in the wrist joint if you only want to change the position of the input marker.
  • control signals for the input marker can only be transmitted in the input mode via the interface to the machine or a user surface.
  • a further development of the invention provides that an interruption mode is activated via a signal pattern in which neither the drives nor the input marker are moved.
  • the interruption mode serves on the one hand as an emergency signal in order to interrupt all activities of the prosthetic device in the event of overlaps or undesired complications.
  • the interrupt mode can reset the control signal for the input marker. If, for example, the input marker in the form of a mouse pointer is to be moved to the right, but the user cannot move the mouse any further to the right, the prosthesis device, for example, is raised so that it no longer sends a signal. ready. It is then moved to the left and deposited so that the mouse and the mouse pointer can be moved further to the right after it has been deposited. However, the mouse pointer did not move to the left before that. Lifting it activated the interrupt mode and interrupted and reset the control signal.
  • the sensor data can be used to move a mouse pointer on a graphical user interface, to change a setting variable, to select and / or to activate an application outside the prosthetic device.
  • a private application e.g. for operating smart homes, can also be used. Private houses are increasingly being equipped with actuators and sensors and can be controlled remotely using mobile devices. Blinds can be opened or closed, heating systems can be switched on or off, lights can be switched on or dimmed and a large number of networked household appliances can be operated in the appropriate mode.
  • Figure 1 - a schematic representation of a prosthetic device
  • Figure 2 - represent a prosthesis device according to Figure 1 with different sections;
  • FIG. 1 shows the basic structure of a prosthetic device 10 in the form of a prosthetic arm with a prosthetic shaft 11 for receiving a forearm stump.
  • the prosthesis shaft 11 has an insertion opening for a forearm stump at its proximal end.
  • a prosthetic hand 20 is arranged, which has a base body 21.
  • the base body 21 or the chassis is fastened to the prosthesis shaft 11 such that it can pivot in the area of the wrist.
  • the base body 21 has a plurality of fingers 22 movably mounted thereon.
  • a finger 22 is also understood to mean a thumb.
  • At least one of the fingers 22 is assigned a motor drive 23 which, in the exemplary embodiment shown, is arranged within the base body 21. It is also provided that an individual, separate drive 23 is assigned to each finger 22. A further drive 23 for executing a flexion movement and / or extension movement in the wrist relative to the prosthesis shaft 11 is also assigned to the base body 21.
  • Prosthetic hand sensors 25 are arranged within the prosthesis socket 11.
  • the prosthetic hand sensors 25 are arranged in the prosthetic socket 11, the prosthetic hand sensors 25 can also be arranged inside the prosthetic hand 20, for example in the base body 21 or in or on the fingers 22.
  • the prosthetic hand sensors 25 are, for example, acceleration sensors, gyroscopic sensors or gyroscopes, inertial measurement units (IMU), pressure sensors, magnetometers and / or a combination thereof.
  • IMU inertial measurement units
  • Several sensors of the same type can be arranged on or in the prosthesis device 10 in order to record corresponding physical measured variables. It is also possible for only one such sensor 25 to be arranged on or in the prosthesis device 10.
  • the prosthesis device 10 is also assigned at least one biosignal sensor 35 in the form of a muscle signal sensor for detecting at least one muscle signal; in the exemplary embodiment shown, such a muscle signal is nalsensor 35 in the form of collector electrodes for detecting myoelectric Sig signals when muscles are operated.
  • bio or muscle signal sensors 35 are fixed on a separate device, for example a prosthesis liner, a cuff, a clamping element or a brace that is attached to the forearm stump, the upper arm or one of their muscle groups of the user Prosthetic device 10 is set.
  • Both the bio or muscle signal sensors 35 and the prosthetic hand sensors 25 are coupled to a control device 30 which, in the exemplary embodiment shown, is arranged within the prosthetic stump 11.
  • the control device 30 has the necessary hardware devices and software devices to evaluate and process the signals from the sensors 25, 35. These include, in particular, amplifiers, filters, electronic storage devices, processors, at least one energy storage device and suitable interfaces for data exchange and data processing. Microprocessors or computer components are also present in the control device and process the sensor data on the basis of data processing programs that are stored within the control device 30 or that can be accessed externally.
  • the muscle signals 36 detected by the muscle signal sensor 35 are processed in the control device 30 and basically serve to actuate the prosthetic hand 20, in particular to activate and deactivate the drives 23 to move the fingers 22 and / or to move the main body 21.
  • the sensor signals are also used to cause flexion or extension in the wrist.
  • the respective drive 23 can also rotate about the longitudinal axis of the prosthesis shaft 11.
  • Different operating modes 60 are stored within the control device 30 or on the control device 30, with which the prosthetic hand 20 or the prosthetic device 10 can be operated.
  • the operating modes in the form of software programs can also be stored physically separately from the control device 30, for example in the prosthetic hand 20 and called up from there by the control device 30.
  • three operating modes 60 are listed, in the upper illustration schematically a gripping mode, a clockwise selection mode thereof and also a so-called mouse mode.
  • the operating modes 60 can be switched through, that is to say from the first mode to the second, from there to the third and then back to the first mode.
  • a separate signal is assigned to each mode, which can be used to make a direct selection. Switching between the individual operating modes 60 can take place via the signals 36 of the Officesenso Ren 35.
  • corresponding sensor signals can be generated by the prosthetic hand sensors 25.
  • the normal gripping mode in which the prosthetic hand 20 is opened and closed, is switched to a selection mode or another grip mode and, when the contraction is repeated, to the mouse mode.
  • a corresponding selection can also be made by executing a specific movement of the prosthesis user, by exerting a specific pressure over a specific period of time or with a specific pressure pattern.
  • an integrated interface 40 is activated, which connects to a machine 50 which, in the exemplary embodiment shown, is designed as a computer.
  • the machine 50 also has an interface 54, so that corresponding control signals are wirelessly transmitted from the prosthesis device 10 to the machine 50 or to the computer via a transmitter device 41.
  • a control signal for an input marker 55 is generated directly, which is formed out as a mouse pointer or cursor in the illustrated embodiment.
  • the prosthesis device 10 is used as an input device for the computer 50, activation of the drives 23 or motors is prevented, which on the one hand reduces energy consumption and on the other hand avoids unwanted activity with the resulting complications.
  • FIG. 2 two variants of the data transmission for a prosthesis device 10 to the computer 50 or to the respective connected machine are shown.
  • wireless signal transmission takes place via the interface 40 with the transmitter 41 to the interface 54 on the computer.
  • This can take place, for example, via point-to-point transmission, wherein the prosthesis device 10 and the machine 50 can be designed as SRD and can transmit in the license-free ISM band.
  • Encryption of the transmitted data is possible, and prior authentication of the respective device or machine 50 and prosthesis device 10 is also possible and advantageous, since the recognition of the machine means that operating modes are matched to this can be provided that are adapted to the respective machine.
  • radio-supported transmission of the control signals this takes place, for example, via a cable 43 which is plugged into corresponding plugs or sockets on the prosthetic device 10 and the machine 50.
  • FIG. 3 A variant of the invention is shown in FIG. 3, in which instead of an input on a user interface, in particular a graphical user interface in the machine, a machine 50 is controlled directly via the radio-supported interface 40, 54.
  • the machine can be designed as a processing machine, in particular as a computer-controlled processing machine, for example a milling machine.
  • the control of a Smart-Flome 50 is shown in the right representation, which is also considered a machine within the meaning of the invention.
  • mechatronic components can be activated and deactivated within a single fuss, for example washing machines, dishwashers, fleizept, ventilation, water supplies, blinds and much more.
  • FIG. 4 shows that the prosthesis device 10 is either directly coupled to the machine 50 or can be coupled to the corresponding machine 50 via a WLAN system within a house in order to then operate it.
  • a graphic surface can be controlled, for example, in that an acceleration sensor is arranged as a prosthetic hand sensor 35 within the prosthetic hand, for example on the tip of a prosthetic finger 22. This acceleration sensor is then moved and activated by a movement of the entire prosthesis device 10, so that the sensor signals are generated the. These sensor signals are integrated over time and transmitted to a position of the input marker 55 or the cursor relative to a start position, so that a change in the position of the input marker 55 or the mouse pointer on the user interface is calculated.
  • a spatial position sensor or an IMU or a combination of several individual sensors can be used to move the entire prosthesis device 10 in space as a basis for controlling the machine 50 or an input marker 55.
  • the input marker is designed as part of a 3D model or hologram
  • a direct positioning within the 3D model or hologram can take place by changing the spatial position and recording it via a corresponding IMU.
  • the corresponding angular values and displacement values for changing the position of the input marker 55 are calculated from the change in spatial position of the prosthesis device 10 and transmitted to the respective machine 50.
  • a mode for changing a setting, a mode for a selection function and / or a mode for an activation function can be stored in the control device as an application of the prosthesis device as an input device being.

Abstract

The invention relates to a prosthetic device (10), comprising: - a prosthetic hand (20), which has a main body (21) and at least one motor-movable finger (22) movably mounted on the main body; - at least one prosthetic hand sensor (25) assigned to the prosthetic hand (20), the prosthetic hand sensor (25) being selected from a group comprising acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMUs, pressure sensors, magnetometers, optical sensors, infrared sensors and/or a combination thereof; - at least one biosignal sensor (35) for capturing at least one biosignal; wherein the sensors (25, 35) are coupled to a control device (30). The prosthetic device (10) has at least one interface (40) to a machine (50). Different operating modes (60) are stored in the control device (30), which operating modes can be selected by means of signals of the sensors (25, 35). In at least one operating mode (60), the prosthetic device (10) acts as an input apparatus for the machine (50).

Description

Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand und Verfahren zum Betreiben einer Protheseneinrichtung Prosthetic device with a prosthetic hand and method for operating a prosthetic device
Die Erfindung betrifft eine Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand mit einem Grundkörper und zumindest einem beweglich daran gelagerten, motorisch verstellba ren Finger, mit zumindest einem der Prothesenhand zugeordneten Prothesenhand sensor, wobei der Prothesenhandsensor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Be schleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren, IMU, Drucksensoren, Magneto meter und/oder eine Kombination davon umfasst, sowie zumindest einem Muskelsig nalsensor zur Erfassung von zumindest einem Biosignal, wobei die Sensoren mit ei ner Steuerungseinrichtung gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfah ren zum Betreiben einer solchen Protheseneinrichtung. The invention relates to a prosthetic device with a prosthetic hand with a base body and at least one motor-adjustable finger movably mounted thereon, with at least one prosthetic hand sensor assigned to the prosthetic hand, the prosthetic hand sensor being selected from a group comprising acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, Includes pressure sensors, magnetometers and / or a combination thereof, as well as at least one muscle signal sensor for detecting at least one biosignal, the sensors being coupled to a control device. The invention also relates to a method for operating such a prosthetic device.
Protheseneinrichtungen ersetzen nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gliedmaßen oder Gliedmaßenteile und sollen nach Möglichkeit die Funktion der nicht vorhandenen Gliedmaße zumindest teilweise ersetzen. Neben rein mechanisch auf gebauten Protheseneinrichtungen existieren mechatronische Protheseneinrichtun gen, bei denen auf der Grundlage von Sensorwerten Aktuatoren aktiviert und/oder deaktiviert werden oder motorische Antriebe aktiviert und/oder deaktiviert werden.Prosthetic devices replace limbs or limb parts that are no longer present or no longer present and, if possible, should at least partially replace the function of the limb that is not present. In addition to purely mechanical prosthesis devices, there are mechatronic prosthesis devices in which actuators are activated and / or deactivated or motor drives are activated and / or deactivated on the basis of sensor values.
Bei Protheseneinrichtungen der unteren Extremität werden beispielsweise auf Grundlage von Zustands- oder Lageinformationen und/oder Bewegungsinformatio nen, die über Sensoren ermittelt werden, Ventile verstellt, um hydraulische Wider stände zu verändern, oder Magnetfelder verändert, um magnetorheologische Effekte zu erzielen oder Kraftspeicher freigegeben, um Bewegungen zu unterstützen oder abzubremsen. Aktive Prothesen verfügen über einen Energiespeicher und Elektro- motoren, die auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert und/oder deaktiviert wer den, um so eine Verlagerung von Prothesenkomponenten zueinander zu bewirken oder zu unterbinden. In prosthetic devices of the lower extremity, for example, on the basis of status or position information and / or movement information, which are determined via sensors, valves are adjusted to change hydraulic resistances, or magnetic fields are changed to achieve magnetorheological effects or energy storage is released to Support or slow down movements. Active prostheses have an energy store and electrical motors that are activated and / or deactivated on the basis of sensor data in order to effect or prevent a displacement of prosthesis components in relation to one another.
Bei Protheseneinrichtungen der oberen Extremitäten sind unterschiedliche Arten von Prothesenhänden oder Greifeinrichtungen bekannt. Rein mechanische Greifer wer den über mechanische Zugmittel aktiviert und deaktiviert. Darüber hinaus gibt es Prothesenhände, die auf der Basis myoelektrischer Impulse unterschiedliche Greif bewegungen ausführen können. Dazu sind die Prothesenhände mit zumindest ei nem, in der Regel mehreren beweglich an einem Chassis gelagerten Finger verse hen und mit zumindest einem motorischen Antrieb gekoppelt. Wird ein myoelektri- sches Signal über Elektroden erfasst, beispielsweise aufgrund einer Kokontraktion antagonistischer Muskeln, wird in einer Steuerungseinrichtung ein Aktivierungssignal für einen Motor erzeugt, der bis zu einem Maximalanschlag, bis zum Wegfall des Sig nals oder bis zur Unterbrechung durch ein anderes myoelektrisches Signal eine ent sprechende Verlagerung des Prothesenfingers bewirkt. Ein solches Signal kann bei spielsweise auch in einer Fingerbewegung der Prothesenhand resultieren, um ein Bestätigungssignal per Computermaus zu erzeugen. Problematisch ist jedoch, dass die Bedienung einer Computermaus sehr komplex ist, die Bedienung der rechten Maustaste häufig Schwierigkeiten verursacht und die Flexibilität im Prothesenhand gelenk häufig nicht gegeben ist, sodass eine genaue Positionierung des Mauszeigers nicht möglich ist. In the case of prosthetic devices for the upper extremities, different types of prosthetic hands or gripping devices are known. Purely mechanical grippers are activated and deactivated using mechanical traction means. In addition, there are prosthetic hands that can perform different grasping movements on the basis of myoelectric impulses. For this purpose, the prosthetic hands are provided with at least one, usually several fingers movably mounted on a chassis and coupled with at least one motor drive. If a myoelectric signal is detected via electrodes, for example due to a cocontraction of antagonistic muscles, an activation signal for a motor is generated in a control device which, up to a maximum stop, until the signal disappears or until it is interrupted by another myoelectric signal causes corresponding displacement of the prosthetic finger. Such a signal can, for example, also result in a finger movement of the prosthetic hand in order to generate a confirmation signal using a computer mouse. However, it is problematic that the operation of a computer mouse is very complex, the operation of the right mouse button often causes difficulties and the prosthetic wrist is often not flexible, so that the mouse pointer cannot be precisely positioned.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Protheseneinrichtung und ein Ver fahren zum Betreiben einer Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand bereitzu stellen, mit der vereinfacht eine Bedienung von Maschinen, insbesondere von Ma schinen mit einer grafischen Benutzeroberfläche möglich ist. The object of the present invention is to provide a prosthetic device and a method for operating a prosthetic device with a prosthetic hand, with which a simplified operation of machines, in particular of machines with a graphical user interface, is possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Protheseneinrichtung mit den Merk malen des Flauptanspruches sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des nebenge ordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offen bart. According to the invention this object is achieved by a prosthesis device with the characteristics of the Flaupt claim and a method with the features of the associated claim. Advantageous refinements and developments of Invention are disclosed in the dependent claims, the description and the figures.
Die Protheseneinrichtung mit einer Prothesenhand mit einem Grundkörper und zu mindest einem beweglich daran gelagerten, motorisch verstellbaren Finger, mit zu mindest einem der Prothesenhand zugeordneten Prothesenhandsensor, wobei der Prothesenhandsensor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Beschleunigungssenso ren, gyroskopische Sensoren, IMU, Drucksensoren, Magnetometer und/oder eine Kombination davon umfasst, sowie zumindest einem Biosignalsensor, insbesondere Muskelsignalsensor zur Erfassung von zumindest einem Biosignal des Prothesennut zers, wobei die Sensoren mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt sind, wobei die Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Finger auf der Grundlage von Sensorsignalen eingerichtet ist, sieht vor, dass die Protheseneinrichtung zumin dest eine Schnittstelle zu einer Maschine aufweist und in der Steuerungseinrichtung unterschiedliche Betriebsmodi abgelegt sind, die über Signale der Sensoren aus wählbar sind, wobei in zumindest einem Betriebsmodus die Protheseneinheit als Ein gabegerät für die Maschine agiert. Protheseneinrichtungen einer oberen Extremität mit einer Prothesenhand werden beispielsweise über Muskelsignalsensoren zur Er fassung von Muskelsignalen gesteuert. Diese Sensoren können implantierte Senso ren wie Nervenmanschetten oder Oberflächensensoren wie Ableitelektroden zur Er fassung myoelektrischer Signale sein. Andere Sensoren können ebenfalls eingesetzt werden, um Biosignale, Muskelaktivitäten oder andere willkürliche Veränderungen ei nes Muskels zu erfassen. Drucksensoren sind ebenfalls geeignet, um Muskelkon traktionen und damit einhergehende Veränderungen in der Form oder der Elastizität des Muskels oder anderer Körperfunktionen zu erfassen. Die Biosignalsensoren er fassen willkürliche Veränderungen der Körpers des Prothesennutzers, z.B. Bewe gungen von Gliedmaßen, Verlagerungen, Anspannungen und deren Auswirkungen, beispielsweise auch Augenbewegungen und dergleichen mehr. Wird nachfolgend von Muskelsignalsensoren gesprochen, werden darunter alle Biosignalsensoren ver standen, mit denen willkürliche Signale des Prothesennutzers empfangen werden können. Neben den Biosignalsensoren und insbesondere Muskelsignalsensoren wei sen motorisch betriebene Prothesenhände zumindest einen Prothesenhandsensor auf, um der Steuerungseinrichtung, mit der der Prothesenhandsensor gekoppelt ist, eine Rückkopplung zu geben. Der Prothesenhandsensor oder mehrere davon sind beispielsweise als Beschleunigungssensor, gyroskopischer Sensor, Inertialmessein- heit (inertial measurement unit-IMU), Drucksensor, Magnetometer und/oder eine Kombination davon ausgebildet. In der Steuerungseinrichtung, die sowohl mit den Prothesenhandsensoren als auch mit den Biosignalsensoren gekoppelt ist, sind Steuerungsprogramme und mehrere Betriebsmodi abgelegt, sodass die Prothesen einrichtung an unterschiedliche Einsatzzwecke einfach angepasst werden kann. Auf der Grundlage von Sensorsignalen, die Verlagerungssignale der Protheseneinrich tung erzeugen, wird in der Steuerungseinrichtung entschieden, ob und wie lange ein Aktuator oder Antrieb in welcher Art und Weise betrieben wird. Je nach Betriebsmo dus können gleiche Sensorsignale unterschiedliche Auswirkungen und/oder Reaktio nen hervorrufen. Die Betriebsmodi sind über Sensorsignale auswählbar, beispiels weise über Biosignale, Muskelsignale oder durch ein bestimmtes Signalmuster der Prothesenhandsensoren oder des Prothesenhandsensors. Wird beispielsweise eine bestimmte Bewegung, eine bestimmte Beschleunigung der Prothesenhand durch den Prothesenhandnutzer, ein bestimmter Druck an einer bestimmten Stelle über ei nen bestimmten Zeitraum und/oder in einer bestimmten Raumlage durch den Sensor oder die Sensoren erfasst, kann eine Umschaltung in einen anderen Betriebsmodus erfolgen. Einer der mehreren Betriebsmodi ist ein Betriebsmodus, in der die Prothe seneinheit als ein Eingabegerät für eine Maschine agiert, wobei die Maschine über eine Schnittstelle mit der Protheseneinrichtung verbunden ist. Durch den Betriebsmo dus mit der Protheseneinheit als Eingabegerät für die Maschine ist es möglich, die Maschine, beispielsweise einen Computer, eine Materialbearbeitungsmaschine, eine komplexe Anlage mit Eingabeelementen, ein Smartphone, ein Tablet, Einrichtungen in einem Haus oder dergleichen zu bedienen. Über die insbesondere integrierte Schnittstelle ist es möglich, ohne eine mechanische Betätigung des Prothesenfin gers, der beispielsweise auch ein Hakenelement eines aufgrund von Muskelsignalen aktuierbaren Greifers sein kann, eine Maschine zu bedienen. Die Protheseneinheit dient dann als Eingabegerät für die Maschine und kann die Sensorsignale, also so wohl die Signale der Prothesenhandsensoren als auch der Bio- oder Muskelsig- nalsensoren, zur Erzeugung entsprechender Eingabesignale für die Maschine unmit telbar nutzen. Auch ist es möglich, dass in dem jeweiligen Betriebsmodus unter schiedliche Sensoren für die Erzeugung von Steuerungssignalen für die Maschine ausgewählt oder zugeordnet sind. Es können unterschiedliche Eingabemodi für un terschiedliche Maschinen innerhalb der Steuerungseinrichtung abgelegt sein. Bei spielsweise kann ein Eingabemodus für ein Computer andere Sensorsignale zulas sen als ein Eingabemodus für eine CNC-Maschine, eine Anlagesteuerung einer Ar beitsmaschine oder dergleichen. The prosthetic device with a prosthetic hand with a base body and at least one movably mounted, motor-adjustable finger, with at least one prosthetic hand sensor assigned to the prosthetic hand, the prosthetic hand sensor being selected from a group consisting of acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, pressure sensors, magnetometers and / or a combination thereof, as well as at least one biosignal sensor, in particular muscle signal sensor for detecting at least one biosignal of the prosthesis user, the sensors being coupled to a control device, the control device being set up to control the movement of the fingers on the basis of sensor signals , provides that the prosthesis device has at least one interface to a machine and different operating modes are stored in the control device, which can be selected via signals from the sensors, with at least one operating mode ebsmodus the prosthesis unit acts as an input device for the machine. Prosthetic devices of an upper extremity with a prosthetic hand are controlled, for example, via muscle signal sensors for the detection of muscle signals. These sensors can be implanted sensors such as nerve cuffs or surface sensors such as lead electrodes for recording myoelectric signals. Other sensors can also be used to record biosignals, muscle activity or other arbitrary changes in a muscle. Pressure sensors are also suitable for detecting muscle contractions and associated changes in the shape or elasticity of the muscle or other body functions. The biosignal sensors he capture arbitrary changes in the body of the prosthesis user, eg movements of limbs, displacements, tension and their effects, for example eye movements and the like. If muscle signal sensors are referred to below, this includes all biosignal sensors with which arbitrary signals from the prosthesis user can be received. In addition to the bio-signal sensors and in particular muscle signal sensors, motor-operated prosthetic hands have at least one prosthetic hand sensor in order to give feedback to the control device to which the prosthetic hand sensor is coupled. The prosthetic hand sensor or several thereof are designed, for example, as an acceleration sensor, gyroscopic sensor, inertial measurement unit (IMU), pressure sensor, magnetometer and / or a combination thereof. In the control device, which is coupled to both the prosthetic hand sensors and the biosignal sensors, control programs and several operating modes are stored so that the prosthetic device can be easily adapted to different purposes. On the basis of sensor signals that generate displacement signals of the prosthesis device, a decision is made in the control device as to whether and for how long an actuator or drive is operated in which way. Depending on the operating mode, the same sensor signals can cause different effects and / or reactions. The operating modes can be selected using sensor signals, for example using bio signals, muscle signals or a specific signal pattern from the prosthetic hand sensors or the prosthetic hand sensor. If, for example, a certain movement, a certain acceleration of the prosthetic hand by the prosthetic hand user, a certain pressure at a certain point over a certain period of time and / or in a certain spatial position is detected by the sensor or the sensors, a switch to another operating mode can take place . One of the several operating modes is an operating mode in which the prosthesis unit acts as an input device for a machine, the machine being connected to the prosthesis device via an interface. The operating mode with the prosthesis unit as an input device for the machine makes it possible to operate the machine, for example a computer, a material processing machine, a complex system with input elements, a smartphone, a tablet, facilities in a house or the like. The especially integrated interface makes it possible to operate a machine without mechanical actuation of the prosthetic finger, which can also be, for example, a hook element of a gripper that can be actuated on the basis of muscle signals. The prosthesis unit then serves as an input device for the machine and can receive the sensor signals, i.e. the signals from the prosthetic hand sensors as well as the bio or muscle signals. nalsensors, to generate the corresponding input signals for the machine directly. It is also possible for different sensors for the generation of control signals for the machine to be selected or assigned in the respective operating mode. Different input modes for different machines can be stored within the control device. For example, an input mode for a computer can allow other sensor signals than an input mode for a CNC machine, a system control of a work machine or the like.
Die Schnittstelle ist vorteilhafterweise als eine drahtlose Schnittstelle mit einem Sen der ausgebildet, der geeignet ist, um Signale an die entsprechende Empfangseinrich tung an oder in der Maschine zu senden. Alternativ kann eine kabelgebundene Schnittstelle ausgebildet sein, sodass eine direkte mechanische Verbindung zur Übermittlung entsprechender Signale, beispielsweise elektrischer oder optischer Sig nale vorhanden ist. Dazu ist an der Protheseneinrichtung eine entsprechende Buchse oder eine Steckeraufnahme angeordnet. The interface is advantageously designed as a wireless interface with a transmitter which is suitable for sending signals to the corresponding receiving device on or in the machine. Alternatively, a wired interface can be formed so that there is a direct mechanical connection for the transmission of corresponding signals, for example electrical or optical signals. For this purpose, a corresponding socket or plug receptacle is arranged on the prosthesis device.
Zumindest ein Beschleunigungssensor kann mit der Steuerungseinrichtung gekop pelt sein, dessen Sensorsignale über die Zeit integriert werden, damit die Position ei nes Eingabemarkierers oder eines Mauszeigers relativ zu einer Startposition ermittelt wird. Alternativ zu der Ermittlung der Position des Eingabemarkierers relativ zu einer Startposition kann die Position auch absolut berechnet und ermittelt werden. Die Sig nale des Beschleunigungssensors werden dann der Berechnung zugrundegelegt und ggf. mit anderen Sensorsignalen verarbeitet. In der Ausgestaltung des Eingabemar kierers als Mauszeiger kann dieser auch ein Cursor einer Bedieneinheit einer Ma schine oder Anlage sein, die mit den Steuerungssignalen der Protheseneinrichtung betrieben wird. At least one acceleration sensor can be coupled to the control device, the sensor signals of which are integrated over time so that the position of an input marker or a mouse pointer is determined relative to a starting position. As an alternative to determining the position of the input marker relative to a start position, the position can also be calculated and determined absolutely. The sig nals of the acceleration sensor are then used as a basis for the calculation and possibly processed with other sensor signals. In the embodiment of the input marker as a mouse pointer, it can also be a cursor of an operating unit of a machine or system that is operated with the control signals of the prosthesis device.
Zumindest eine Inertialmesseinheit oder IMU und/oder eine Kombination aus Be schleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren und/oder Magnetometer kann mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt sein, wobei aus den Sensorsignalen, insbeson dere der IMU, die Raumorientierung der Protheseneinrichtung errechnet werden. Aus Raumlageänderungen der Protheseneinrichtung und/oder den Sensorwerten bzw. Verlagerungswerte werden Positionswerte, insbesondere Winkelwerte zur Verände rung der Position des Eingabemarkierers errechnet. Dadurch ist es möglich, durch Änderungen der Raumlage der Prothesenrichtung den Eingabemarkierer oder Maus zeiger oder eine andere Indikatoreinrichtung hinsichtlich ihrer Position zu verändern und damit gegebenenfalls Steuerungsbefehle auszulösen. Es kann eine direkte drei dimensionale Umsetzung der erfassten Raumkoordinaten eines Bezugspunktes oder eines Referenzpunktes der Protheseneinrichtung mit dem Eingabemarkierer erfol gen. Beispielsweise kann ein bestimmter Punkt einer Prothesenhand oder der Pro theseneinrichtung als Referenzpunkt festgelegt werden, dessen Bewegung im Raum durch die IMU erfasst und als 3D-lnformation für eine virtuelle Indikatoreinrichtung umgesetzt wird. At least one inertial measuring unit or IMU and / or a combination of acceleration sensors, gyroscopic sensors and / or magnetometers can be coupled to the control device, the spatial orientation of the prosthesis device being calculated from the sensor signals, in particular from the IMU. Out Changes in the spatial position of the prosthesis device and / or the sensor values or displacement values, position values, in particular angle values for changing the position of the input marker, are calculated. This makes it possible to change the position of the input marker or mouse pointer or another indicator device by changing the spatial position of the prosthesis direction and thus to trigger control commands if necessary. A direct three-dimensional conversion of the recorded spatial coordinates of a reference point or a reference point of the prosthetic device can take place with the input marker -Information is implemented for a virtual indicator device.
Insbesondere können die Sensoren zur Erfassung von Biosignalen oder Muskelsig nalen zur Erfassung von Muskelkontraktionen ausgebildet sein und dafür eingerichtet sein, die Betriebsmodi umzuschalten. Da Muskelkontraktionen sehr schnell ausge führt werden können, kann eine Betriebsmodusumschaltung sehr schnell und sehr einfach auf der Grundlage der Erfassung von Muskelkontraktionen oder auch Kokon traktionen erfolgen. Muskelkontraktionen können leicht und zuverlässig erfasst wer den und sind daher gut geeignet, um als Schaltsignale zwischen unterschiedlichen Zuständen eingesetzt zu werden. Muskelkontraktionen sind weniger gut geeignet, um über die Amplitude und die Dauer von Signalen oder Signalmustern eine Verän derung in einem Zustand zu bewirken, beispielsweise eine proportionale Erhöhung der Geschwindigkeit durch eine andauernde Erhöhung der Kontraktionsintensität zu bewirken. Dies erfordert einen hohen Aufmerksamkeitsgrad und in der Regel eine aufwendige Schulung. Hingegen können Bewegungen von Protheseneinrichtungen durch die verbliebene Gliedmaße sehr präzise ausgeführt werden, sodass deren Er fassung über Sensoren besonders gut geeignet ist, um Veränderungen an dem Ein gabemarkierer, dem Mauszeiger oder dergleichen auszuführen. Beispiele für unter schiedliche Betriebsmodi sind der Greifmodus, der Auswahlmodus, der Mausmodus, der Verstellmodus an einem Haushaltsgerät, der Eingabemodus an einer Fertigungs anlage und dergleichen mehr. Funktionen des Eingabemarkierers oder der Maus sind daher bevorzugt Signale der Sensoren zur Erfassung von Bewegungen oder Veränderungen an der Prothesen einrichtung zugeordnet, insbesondere die Signale von Gyroskopen, IMU, Magneto meter, Drucksensoren und/oder Beschleunigungssensoren. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass alternativ oder ergänzend Funktionen des Eingabemarkierers mit Sensorsignalen von Biosignalen oder Muskeln, insbesondere von Muskelkontraktio nen ausgestattet und aktivierbar sind. Beispielsweise können Bestätigungen, wie das Doppelklicken oder ein Rechtsklick an der Maus, durch ein entsprechendes Muskel kontraktionssignal oder ein Signalmuster ausgeführt werden. In particular, the sensors for detecting biosignals or muscle signals can be designed to detect muscle contractions and can be set up to switch the operating modes. Since muscle contractions can be carried out very quickly, an operating mode switchover can take place very quickly and very easily on the basis of the detection of muscle contractions or cocoon tractions. Muscle contractions can be recorded easily and reliably and are therefore well suited to be used as switching signals between different states. Muscle contractions are less suitable for effecting a change in a state via the amplitude and duration of signals or signal patterns, for example effecting a proportional increase in speed by continuously increasing the contraction intensity. This requires a high level of attention and usually extensive training. On the other hand, movements of prosthetic devices can be carried out very precisely by the remaining limbs, so that their detection via sensors is particularly well suited to making changes to the input marker, the mouse pointer or the like. Examples of different operating modes are the gripping mode, the selection mode, the mouse mode, the adjustment mode on a household appliance, the input mode on a production plant and the like. Functions of the input marker or the mouse are therefore preferably assigned to signals from the sensors for detecting movements or changes to the prosthesis device, in particular the signals from gyroscopes, IMU, magnetometers, pressure sensors and / or acceleration sensors. In principle, it is also possible that, as an alternative or in addition, functions of the input marker are equipped and can be activated with sensor signals from bio-signals or muscles, in particular from muscle contractions. For example, confirmations, such as double-clicking or right-clicking on the mouse, can be carried out by a corresponding muscle contraction signal or a signal pattern.
Die Protheseneinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass ein Modus zum Bewegen eines Mauszeigers auf einer grafischen Benutzeroberfläche o- der ein Modus zum Bewegen eines Eingabemarkierers, ein Modus zur Veränderung einer Einstellgröße, ein Modus einer Auswahlfunktion und/oder ein Modus einer Akti vierungsfunktion einer Anwendung in der Steuerungseinrichtung hinterlegt ist bzw. sind. Ist beispielsweise der Betriebsmodus einer Computermaus vorgesehen, wird den Sensorsignalen eine entsprechende Zuordnung zum Bewegen eines Mauszei gers auf einer grafischen Benutzeroberfläche, insbesondere eines Computers, eines Tablets oder dergleichen zugeordnet. Sofern keine grafische Benutzeroberfläche vor handen ist, kann ein Eingabemarkierer entsprechend bewegt werden, um die Ma schine oder das Gerät oder die Anlage zu bedienen. Ein grafisches Interface ist also nicht notwendig. Es ebenfalls auch eine Steuerung über ein akustisches oder hapti sches Feedback von der Maschine und/oder der Prothese möglich. Der Modus kann auch die Veränderung einer Einstellgröße beinhalten, beispielsweise die Verände rung einer Lautstärke, einer Geschwindigkeit, einer Durchflussgröße, eines Wider standes oder dergleichen. Statt einen Schieberegler oder einen Drehregler zu bedie nen, der ein elektrisches Signal erzeugt, werden über die Sensorsignale direkt Steu ersignale zur Veränderung der jeweiligen Größe der Maschine übermittelt. Ebenso kann eine Auswahlfunktion in dem Modus hinterlegt sein oder ein Auswahlmodus als Betriebsmodus festgelegt sein, sodass eine Auswahl bestätigt oder getroffen wird. Eine Aktivierungsfunktion kann über ein Sensorsignal oder eine Kombination von Sensorsignalen in der Steuerungseinrichtung hinterlegt werden, beispielsweise um ein Tastenkürzel zu aktiveren, eine Einfügefunktion zu aktiveren, eine Bestätigung zu aktivieren oder andere Funktionen einzuschalten oder auszuschalten, wenn bei spielsweise mit der nicht versorgten Hand mit einer Maus oder einem Eingabegerät gearbeitet wird. Grundsätzlich kann auch eine dreidimensionale Verstellung des Ein gabemarkierers auf der Grundlage der Verlagerungssignale erfolgen, um so einfach in einem Hologramm, einem 3D-Zeichenprogramm oder einer VR-Umgebung zu agieren. The prosthesis device, as has been described above, provides that a mode for moving a mouse pointer on a graphical user interface or a mode for moving an input marker, a mode for changing a setting variable, a mode of a selection function and / or a mode an activation function of an application is / are stored in the control device. If, for example, the operating mode of a computer mouse is provided, the sensor signals are assigned a corresponding assignment for moving a mouse pointer on a graphical user interface, in particular a computer, a tablet or the like. If no graphical user interface is available, an input marker can be moved accordingly in order to operate the machine or the device or the system. A graphical interface is therefore not necessary. Control via acoustic or haptic feedback from the machine and / or the prosthesis is also possible. The mode can also include changing a setting variable, for example changing a volume, a speed, a flow rate, a resistance or the like. Instead of using a slider or rotary control that generates an electrical signal, the sensor signals are used to transmit control signals directly to change the size of the machine. Likewise, a selection function can be stored in the mode or a selection mode can be defined as the operating mode so that a selection is confirmed or made. An activation function can be activated via a sensor signal or a combination of Sensor signals are stored in the control device, for example to activate a shortcut key, to activate an insert function, to activate a confirmation or to switch other functions on or off, for example when working with a mouse or an input device with the hand that is not supplied. In principle, the input marker can also be adjusted three-dimensionally on the basis of the displacement signals in order to act easily in a hologram, a 3D drawing program or a VR environment.
Das Verfahren zum Betreiben einer Protheseneinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, bei der über Sensorsignale unterschiedliche Betriebsmodi ausgewählt werden, sieht vor, dass als Betriebsmodus ein Eingabemodus zum Übermitteln und Bewegen eines Eingabemarkierers für eine Maschine durch zumindest ein Sensor signal ausgewählt wird. Innerhalb des Eingabemodus wird der Eingabemarkierer be wegt, wobei der Eingabemarkierer beispielsweise als ein Mauszeiger ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, dass der Eingabemarkierer auf einer grafischen Benutzeroberfläche angezeigt wird. Alternativ kann der Eingabemarkierer im Rah men einer 3D-Simulierung, einem Bildschirm auf einem Hologramm oder einer ähnli chen Darstellung angezeigt werden. The method for operating a prosthesis device, as has been described above, in which different operating modes are selected via sensor signals, provides that an input mode for transmitting and moving an input marker for a machine by at least one sensor signal is selected as the operating mode. The input marker is moved within the input mode, it being possible for the input marker to be designed as a mouse pointer, for example. It is also possible for the input marker to be displayed on a graphical user interface. Alternatively, the input marker can be displayed in the context of a 3D simulation, a screen on a hologram or a similar representation.
Die Auswahl des Eingabemodus kann über eine Mustererkennung eine Biosignals, einer Muskelkontraktion und/oder zumindest eine Muskelkokontraktion und/oder durch eine Erkennung eines Bewegungsmusters der Protheseneinrichtung erfolgen. Alternativ oder ergänzend können andere Prothesenhandsensorsignale zur Aktivie rung des gewünschten Betriebsmodus vorgesehen sein. The input mode can be selected via a pattern recognition of a bio-signal, a muscle contraction and / or at least one muscle cocontraction and / or by recognizing a movement pattern of the prosthesis device. As an alternative or in addition, other prosthetic hand sensor signals can be provided for activating the desired operating mode.
Beschleunigungssignale der Protheseneinrichtung können der Steuerungseinrich tung übermittelt und über die Zeit integriert werden, wobei die Relativbewegung der Protheseneinrichtung auf eine Ebene projiziert wird und daraus ein Befehl für die Be wegung des Eingabemarkierers oder des Mauszeigers ermittelt wird. Alternativ oder ergänzend können aus Sensorsignalen einer IMU die Raumorientierung der Prothe seneinrichtung errechnet und aus Raumlageänderungen der Protheseneinrichtung Befehle zur Veränderung der Position des Eingabemarkierers errechnet werden. Acceleration signals of the prosthesis device can be transmitted to the control device and integrated over time, the relative movement of the prosthesis device being projected onto a plane and a command for moving the input marker or the mouse pointer being determined therefrom. Alternatively or In addition, the spatial orientation of the prosthesis device can be calculated from sensor signals from an IMU and commands for changing the position of the input marker can be calculated from changes in the spatial position of the prosthesis device.
Über Signale der Sensoren zur Erfassung von Bio- oder Muskelsignalen, insbeson dere Muskelkontraktionen, und/oder Signalen von Gyroskopen, IMU, Magnetometer, Drucksensoren und/oder Beschleunigungssensoren oder anderer Prothesenhand sensoren können Funktionen des Eingabemarkierers aktiviert werden, beispielsweise eine Bestätigungsfunktion ausgeführt werden, ein Schalter aktiviert oder deaktiviert werden oder dergleichen. Via signals from the sensors for detecting bio or muscle signals, in particular muscle contractions, and / or signals from gyroscopes, IMU, magnetometers, pressure sensors and / or acceleration sensors or other prosthetic hand sensors, functions of the input marker can be activated, for example a confirmation function can be performed Switches are activated or deactivated or the like.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Eingabemodus die Antriebe der Prothesenhand gesperrt sind, sodass es nicht zu einer Überlagerung von Aktivi täten zur Steuerung des Eingabemarkierers mit Aktivitäten der Prothesenhand kommt, beispielsweise eine ungewollte Flexion des Prothesenfingers oder der Pro thesenhand in dem Flandgelenk, wenn nur eine Veränderung der Position des Einga bemarkierers gewünscht ist. A further development of the invention provides that the drives of the prosthetic hand are blocked in the input mode so that activities for controlling the input marker do not overlap with activities of the prosthetic hand, for example unwanted flexion of the prosthetic finger or the prosthetic hand in the wrist joint if you only want to change the position of the input marker.
Steuerungssignale für den Eingabemarkierer können in einer Weiterbildung nur in dem Eingabemodus über die Schnittstelle an die Maschine bzw. eine Benutzerober fläche übermittelt werden. In a further development, control signals for the input marker can only be transmitted in the input mode via the interface to the machine or a user surface.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Unterbrechungsmodus über ein Signalmuster aktiviert wird, in dem weder die Antriebe noch der Eingabemarkierer bewegt werden. Der Unterbrechungsmodus dient einerseits als Notfallsignal, um alle Aktivitäten der Protheseneinrichtung zu unterbrechen, sollte es zu Überschneidun gen oder zu ungewollten Komplikationen kommen. Anderseits kann der Unterbre chungsmodus das Steuersignal für den Eingabemarkierer zurücksetzen. Soll bei spielsweise der Eingabemarkierer in Gestalt eines Mauszeigers nach rechts bewegt werden, jedoch kann der Nutzer die Maus nicht weiter nach rechts bewegen, wird beispielsweise die Protheseneinrichtung angehoben, sodass sie kein Signal mehr lie- fert. Anschließend wird sie nach links bewegt und abgelegt, so dass nach dem Able gen die Maus und der Mauszeiger weiter nach rechts bewegt werden können. Der Mauszeiger hat sich jedoch davor nicht nach links bewegt. Durch das Anheben wurde der Unterbrechungsmodus aktiviert und das Steuersignal unterbrochen und zurückgesetzt. A further development of the invention provides that an interruption mode is activated via a signal pattern in which neither the drives nor the input marker are moved. The interruption mode serves on the one hand as an emergency signal in order to interrupt all activities of the prosthetic device in the event of overlaps or undesired complications. On the other hand, the interrupt mode can reset the control signal for the input marker. If, for example, the input marker in the form of a mouse pointer is to be moved to the right, but the user cannot move the mouse any further to the right, the prosthesis device, for example, is raised so that it no longer sends a signal. ready. It is then moved to the left and deposited so that the mouse and the mouse pointer can be moved further to the right after it has been deposited. However, the mouse pointer did not move to the left before that. Lifting it activated the interrupt mode and interrupted and reset the control signal.
Die Sensordaten können zum Bewegen eines Mauszeigers auf einer grafischen Be nutzeroberfläche, zur Veränderung einer Einstellgröße, zum Auswählen und/oder zum Aktivieren einer Anwendung außerhalb der Protheseneinrichtung verwendet werden. Neben einer Anwendung in der zunehmend automatisierten Arbeitswelt zur Bedienung komplexer Geräte über elektronische Medien kann auch insbesondere eine private Anwendung z.B. bei der Bedienung von Smart-Homes erfolgen. Privat häuserwerden zunehmend mit Aktuatoren und Sensoren ausgestattet und sind über mobile Endgeräte aus der Ferne steuerbar. Jalousien können geöffnet oder ge schlossen, Heizungsanlagen ein- oder ausgeschaltet, Licht kann eingeschaltet oder gedimmt und eine Vielzahl vernetzter Haushaltsgeräten kann in dem entsprechenden Modus bedient werden. The sensor data can be used to move a mouse pointer on a graphical user interface, to change a setting variable, to select and / or to activate an application outside the prosthetic device. In addition to an application in the increasingly automated world of work for operating complex devices via electronic media, a private application, e.g. for operating smart homes, can also be used. Private houses are increasingly being equipped with actuators and sensors and can be controlled remotely using mobile devices. Blinds can be opened or closed, heating systems can be switched on or off, lights can be switched on or dimmed and a large number of networked household appliances can be operated in the appropriate mode.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Fi guren näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying fi gures. Show it:
Figur 1 - eine schematische Darstellung einer Protheseneinrichtung; Figure 1 - a schematic representation of a prosthetic device;
Figur 2 - eine Protheseneinrichtung gemäß Figur 1 mit unterschiedlichen Schnitt stellen; Figure 2 - represent a prosthesis device according to Figure 1 with different sections;
Figur 3 - unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten; sowie Figure 3 - different possible applications; such as
Figur 4 - Varianten der Figur 3. In der Figur 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Protheseneinrichtung 10 in Gestalt eines Prothesenarms mit einem Prothesenschaft 11 zur Aufnahme eines Unterarm stumpfes dargestellt. Der Prothesenschaft 11 weist an seinem proximalen Ende eine Einführöffnung für einen Unterarmstumpf auf. An dem distalen Ende des Prothesen schaftes 11 ist eine Prothesenhand 20 angeordnet, die einen Grundkörper 21 auf weist. Der Grundkörper 21 oder das Chassis ist der dargestellten Ausführungsform im Bereich des Handgelenkes verschwenkbar an dem Prothesenschaft 11 befestigt. Darüber hinaus weist der Grundkörper 21 mehrere beweglich daran gelagerte Finger 22 auf. Unter einem Finger 22 wird auch ein Daumen verstanden. Zumindest einem der Finger 22 ist ein motorischer Antrieb 23 zugeordnet, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb des Grundkörpers 21 angeordnet ist. Ebenfalls ist es vorgesehen, dass jedem Finger 22 ein einzelner, separater Antrieb 23 zugeordnet ist. Dem Grundkörper 21 ist darüber hinaus ein weiterer Antrieb 23 zur Ausführung einer Flexionsbewegung und/oder Extensionsbewegung im Handgelenk relativ zu dem Prothesenschaft 11 zugeordnet. Figure 4 - Variants of Figure 3. FIG. 1 shows the basic structure of a prosthetic device 10 in the form of a prosthetic arm with a prosthetic shaft 11 for receiving a forearm stump. The prosthesis shaft 11 has an insertion opening for a forearm stump at its proximal end. At the distal end of the prosthesis shaft 11, a prosthetic hand 20 is arranged, which has a base body 21. In the embodiment shown, the base body 21 or the chassis is fastened to the prosthesis shaft 11 such that it can pivot in the area of the wrist. In addition, the base body 21 has a plurality of fingers 22 movably mounted thereon. A finger 22 is also understood to mean a thumb. At least one of the fingers 22 is assigned a motor drive 23 which, in the exemplary embodiment shown, is arranged within the base body 21. It is also provided that an individual, separate drive 23 is assigned to each finger 22. A further drive 23 for executing a flexion movement and / or extension movement in the wrist relative to the prosthesis shaft 11 is also assigned to the base body 21.
Innerhalb des Prothesenschaftes 11 sind Prothesenhandsensoren 25 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Prothesenhandsensoren 25 in dem Prothesenschaft 11 angeordnet, die Prothesenhandsensoren 25 können ebenfalls in nerhalb der Prothesenhand 20 angeordnet sein, beispielsweise in dem Grundkörper 21 oder in oder an den Fingern 22. Die Prothesenhandsensoren 25 sind beispiels weise Beschleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren oder Gyroskope, inertial messurement units (IMU), Drucksensoren, Magnetometer und/oder eine Kombination davon. Es können mehrere gleichartige Sensoren an oder in der Protheseneinrich tung 10 angeordnet sein, um entsprechende physikalische Messgrößen aufzuneh men. Ebenfalls ist es möglich, dass lediglich ein solcher Sensor 25 an oder in der Protheseneinrichtung 10 angeordnet ist. Prosthetic hand sensors 25 are arranged within the prosthesis socket 11. In the illustrated embodiment, the prosthetic hand sensors 25 are arranged in the prosthetic socket 11, the prosthetic hand sensors 25 can also be arranged inside the prosthetic hand 20, for example in the base body 21 or in or on the fingers 22. The prosthetic hand sensors 25 are, for example, acceleration sensors, gyroscopic sensors or gyroscopes, inertial measurement units (IMU), pressure sensors, magnetometers and / or a combination thereof. Several sensors of the same type can be arranged on or in the prosthesis device 10 in order to record corresponding physical measured variables. It is also possible for only one such sensor 25 to be arranged on or in the prosthesis device 10.
Ebenfalls ist der Protheseneinrichtung 10 zumindest ein Biosignalsensor 35 in Ge stalt eines Muskelsignalsensors zur Erfassung von zumindest einem Muskelsignal zugeordnet, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein solcher Muskelsig- nalsensor 35 in Gestalt von Ableiterelektroden zur Erfassung myoelektrischer Sig nale bei der Betätigung von Muskeln ausgebildet. Es besteht ebenfalls die Möglich keit, dass Bio- oder Muskelsignalsensoren 35 an einer separaten Einrichtung festge legt sind, beispielsweise einem Prothesenliner, einer Manschette, einem Spannele ment oder einer Spange, die an dem Unterarmstumpf, dem Oberarm oder einer an deren Muskelgruppe des Nutzers der Protheseneinrichtung 10 festgelegt ist. Grund sätzlich ist es auch möglich, Sensoren oder Elektroden zu implantieren und Signale abzuleiten, entweder über transkutane Elektroden oder über eine drahtlose Daten übertragung. The prosthesis device 10 is also assigned at least one biosignal sensor 35 in the form of a muscle signal sensor for detecting at least one muscle signal; in the exemplary embodiment shown, such a muscle signal is nalsensor 35 in the form of collector electrodes for detecting myoelectric Sig signals when muscles are operated. There is also the possibility that bio or muscle signal sensors 35 are fixed on a separate device, for example a prosthesis liner, a cuff, a clamping element or a brace that is attached to the forearm stump, the upper arm or one of their muscle groups of the user Prosthetic device 10 is set. In principle, it is also possible to implant sensors or electrodes and derive signals, either via transcutaneous electrodes or via wireless data transmission.
Sowohl die Bio- oder Muskelsignalsensoren 35 als auch die Prothesenhandsensoren 25 sind mit einer Steuerungseinrichtung 30 gekoppelt, die in dem dargestellten Aus führungsbeispiel innerhalb des Prothesenstumpfes 11 angeordnet ist. Die Steue rungseinrichtung 30 weist die notwendigen Hardwareeinrichtungen und Softwareein richtungen auf, um die Signale der Sensoren 25, 35 auszuwerten und aufzubereiten. Dazu zählen insbesondere Verstärker, Filter, elektronische Speichereinrichtungen, Prozessoren zumindest eine Energiespeichereinrichtung sowie geeignete Schnittstel len zum Datenaustausch sowie zur Datenverarbeitung. Mikroprozessoren oder Com puterkomponenten sind in der Steuerungseinrichtung ebenfalls vorhanden und verar beiten die Sensordaten auf der Grundlage von Datenverarbeitungsprogrammen, die innerhalb der Steuerungseinrichtung 30 abgelegt sind oder auf die extern Zugriff er halten werden kann. Both the bio or muscle signal sensors 35 and the prosthetic hand sensors 25 are coupled to a control device 30 which, in the exemplary embodiment shown, is arranged within the prosthetic stump 11. The control device 30 has the necessary hardware devices and software devices to evaluate and process the signals from the sensors 25, 35. These include, in particular, amplifiers, filters, electronic storage devices, processors, at least one energy storage device and suitable interfaces for data exchange and data processing. Microprocessors or computer components are also present in the control device and process the sensor data on the basis of data processing programs that are stored within the control device 30 or that can be accessed externally.
Die von dem Muskelsignalsensor 35 erfassten Muskelsignale 36, beispielsweise my oelektrischer Signale, Kontraktionsmuster, Drucksignale oder ähnliches, werden in der Steuerungseinrichtung 30 verarbeitet und dienen grundsätzlich zur Betätigung der Prothesenhand 20, insbesondere zum Aktivieren und Deaktivieren de Antriebe 23, um die Finger 22 und/oder den Grundkörper 21 zu bewegen. Die Sensorsignale werden ebenfalls dazu verwendet, um eine Flexion oder Extension im Handgelenk zu bewirken. Je nach Ausgestaltung der Lagerung kann auch eine Rotation um die Längsachse des Prothesenschaftes 11 durch den jeweiligen Antrieb 23 erfolgen. Innerhalb der Steuerungseinrichtung 30 oder an der Steuerungseinrichtung 30 sind unterschiedliche Betriebsmodi 60 abgelegt, mit denen die Prothesenhand 20 bezie hungsweise die Protheseneinrichtung 10 betrieben werden kann. Die Betriebsmodi in Gestalt von Softwareprogrammen können auch physisch getrennt von der Steue rungseinrichtung 30 gespeichert sein, beispielsweise in der Prothesenhand 20 und von dort aus von der Steuerungseinrichtung 30 abgerufen werden. The muscle signals 36 detected by the muscle signal sensor 35, for example myoelectric signals, contraction patterns, pressure signals or the like, are processed in the control device 30 and basically serve to actuate the prosthetic hand 20, in particular to activate and deactivate the drives 23 to move the fingers 22 and / or to move the main body 21. The sensor signals are also used to cause flexion or extension in the wrist. Depending on the configuration of the bearing arrangement, the respective drive 23 can also rotate about the longitudinal axis of the prosthesis shaft 11. Different operating modes 60 are stored within the control device 30 or on the control device 30, with which the prosthetic hand 20 or the prosthetic device 10 can be operated. The operating modes in the form of software programs can also be stored physically separately from the control device 30, for example in the prosthetic hand 20 and called up from there by the control device 30.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Betriebsmodi 60 aufgeführt, in der oberen Darstellung schematisch ein Greifmodus, im Uhrzeigersinn davon ein Aus wahlmodus und weiter ein sogenannter Mausmodus. Die Betriebsmodi 60 können durchgeschaltet werden, also von dem ersten Modus in den zweiten, davon in den dritten und dann wieder in den ersten Modus. Alternativ ist jedem Modus ein geson dertes Signal zugeordnet, über das eine direkte Auswahl erfolgt. Die Umschaltung zwischen den einzelnen Betriebsmodi 60 kann über die Signale 36 der Muskelsenso ren 35 erfolgen. Alternativ oder ergänzend können entsprechende Sensorsignale von den Prothesenhandsensoren 25 erzeugt werden. Wird beispielsweise ein bestimmtes Muskelkokontraktionsmuster durch den Nutzer der Protheseneinrichtung 10 erzeugt, wird von dem normalen Greifmodus, bei dem die Prothesenhand 20 geöffnet und ge schlossen, in einen Auswahlmodus oder einen anderen Griffmodus geschaltet und bei einer wiederholten Kontraktion in den Mausmodus geschaltet. Ebenfalls kann durch Ausführung einer bestimmten Bewegung des Prothesennutzers, durch Aus übung eines bestimmten Druckes über eine bestimmte Zeitdauer oder mit einem be stimmten Druckmuster eine entsprechende Auswahl getroffen werden. In the illustrated embodiment, three operating modes 60 are listed, in the upper illustration schematically a gripping mode, a clockwise selection mode thereof and also a so-called mouse mode. The operating modes 60 can be switched through, that is to say from the first mode to the second, from there to the third and then back to the first mode. Alternatively, a separate signal is assigned to each mode, which can be used to make a direct selection. Switching between the individual operating modes 60 can take place via the signals 36 of the Muskelsenso Ren 35. As an alternative or in addition, corresponding sensor signals can be generated by the prosthetic hand sensors 25. If, for example, a certain muscle cocontraction pattern is generated by the user of the prosthetic device 10, the normal gripping mode, in which the prosthetic hand 20 is opened and closed, is switched to a selection mode or another grip mode and, when the contraction is repeated, to the mouse mode. A corresponding selection can also be made by executing a specific movement of the prosthesis user, by exerting a specific pressure over a specific period of time or with a specific pressure pattern.
Befindet sich die Protheseneinrichtung 10 in dem sogenannten Mausmodus, wird eine integrierte Schnittstelle 40 aktiviert, die eine Verbindung mit einer Maschine 50 aufnimmt, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Computer ausgebildet ist. Die Maschine 50 weist ebenfalls eine Schnittstelle 54 auf, sodass über eine Sender einrichtung 41 drahtlos entsprechende Steuerungssignale von der Protheseneinrich tung 10 auf die Maschine 50, beziehungsweise auf den Computer übertragen wer den. Über entsprechende Sensorsignale, beispielsweise Verlagerungssignale der Protheseneinrichtung 10, die über Prothesenhandsensoren 25 aufgenommen wer den, wird unmittelbar ein Steuerungssignal für einen Eingabemarkierer 55 erzeugt, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Mauszeiger oder Cursor ausge bildet ist. Damit ist es möglich, durch bloße Bewegung an der Protheseneinrichtung und/oder durch entsprechende Aktivierung von Muskelsignalen, die durch Muskelsig nalsensoren 35 aufgenommen werden, den Mauszeiger 55 unmittelbar zu steuern und Befehle zu übertragen. Ohne die Antriebe 23 innerhalb der Protheseneinrichtung 10 zu aktivieren, können Objekte auf einer Nutzeroberfläche des Computers 50 aus gewählt, Befehle aktiviert, Verbindungen hergestellt, Schaltflächen bedient und alle anderen Tätigkeiten ausgeführt werden, die ansonsten über ein Eingabegerät, insbe sondere eine Computermaus, ausgeführt werden müssten. Dadurch erhöht sich die Präzision der Bewegung des Eingabemarkierers 55 oder des Mauszeigers, sodass die Protheseneinrichtung 10 unmittelbar als Eingabegerät für den Computer 50 ver wendet werden kann. If the prosthesis device 10 is in the so-called mouse mode, an integrated interface 40 is activated, which connects to a machine 50 which, in the exemplary embodiment shown, is designed as a computer. The machine 50 also has an interface 54, so that corresponding control signals are wirelessly transmitted from the prosthesis device 10 to the machine 50 or to the computer via a transmitter device 41. Via corresponding sensor signals, for example displacement signals from the Prosthetic device 10, which is recorded via prosthetic hand sensors 25, a control signal for an input marker 55 is generated directly, which is formed out as a mouse pointer or cursor in the illustrated embodiment. This makes it possible to directly control the mouse pointer 55 and to transmit commands by mere movement on the prosthetic device and / or by appropriate activation of muscle signals that are recorded by Muskelsig nalsensoren 35. Without activating the drives 23 within the prosthesis device 10, objects can be selected on a user interface of the computer 50, commands activated, connections established, buttons operated and all other activities carried out that would otherwise be carried out via an input device, in particular a computer mouse would have to. This increases the precision of the movement of the input marker 55 or the mouse pointer, so that the prosthesis device 10 can be used directly as an input device for the computer 50.
Vorteilhafterweise wird während des Zustandes, in dem die Protheseneinrichtung 10 als Eingabegerät für den Computer 50 verwendet wird, eine Aktivierung der Antriebe 23 oder Motoren unterbunden, was einerseits den Energieverbrauch reduziert und andererseits eine ungewollte Aktivität mit daraus resultierenden Komplikationen ver meidet. Advantageously, during the state in which the prosthesis device 10 is used as an input device for the computer 50, activation of the drives 23 or motors is prevented, which on the one hand reduces energy consumption and on the other hand avoids unwanted activity with the resulting complications.
In der Figur 2 sind zwei Varianten der Datenübertragung für eine Protheseneinrich tung 10 auf den Computer 50 beziehungsweise an die jeweilige verbundene Ma schine dargestellt. In der linken Darstellung findet eine drahtlose Signalübermittlung über die Schnittstelle 40 mit dem Sender 41 zu der Schnittstelle 54 an dem Compu ter statt. Dies kann beispielsweise über Punkt-zu-Punkt-Übertragung erfolgen, wobei die Protheseneinrichtung 10 und die Maschine 50 als SRD ausgebildet sein können und im lizenzfreien ISM-Band senden können. Eine Verschlüsselung der übertrage nen Daten ist möglich, ebenfalls ist eine vorherige Authentifizierung der jeweiligen Einrichtung beziehungsweise Maschine 50 und Protheseneinrichtung 10 möglich und vorteilhaft, da durch die Erkennung der Maschine darauf abgestimmte Betriebsmodi bereitgestellt werden können, die an die jeweilige Maschine angepasst sind. Alterna tiv zu einer drahtlosen, funkgestützten Übertragung der Steuerungssignale erfolgt diese beispielsweise über ein Kabel 43, das in entsprechende Stecker beziehungs weise Buchsen an der Protheseneinrichtung 10 und der Maschine 50 eingesteckt ist. In FIG. 2, two variants of the data transmission for a prosthesis device 10 to the computer 50 or to the respective connected machine are shown. In the illustration on the left, wireless signal transmission takes place via the interface 40 with the transmitter 41 to the interface 54 on the computer. This can take place, for example, via point-to-point transmission, wherein the prosthesis device 10 and the machine 50 can be designed as SRD and can transmit in the license-free ISM band. Encryption of the transmitted data is possible, and prior authentication of the respective device or machine 50 and prosthesis device 10 is also possible and advantageous, since the recognition of the machine means that operating modes are matched to this can be provided that are adapted to the respective machine. As an alternative to wireless, radio-supported transmission of the control signals, this takes place, for example, via a cable 43 which is plugged into corresponding plugs or sockets on the prosthetic device 10 and the machine 50.
Eine Variante der Erfindung ist in der Figur 3 gezeigt, bei der statt einer Eingabe auf einer Bedienoberfläche, insbesondere einer grafischen Benutzeroberfläche in der Maschine, eine direkte Steuerung einer Maschine 50 über die funkgestützte Schnitt stelle 40, 54 erfolgt. Die Maschine kann als Bearbeitungsmaschine, insbesondere als eine computergesteuerte Bearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Fräsmaschine ausgebildet sein. A variant of the invention is shown in FIG. 3, in which instead of an input on a user interface, in particular a graphical user interface in the machine, a machine 50 is controlled directly via the radio-supported interface 40, 54. The machine can be designed as a processing machine, in particular as a computer-controlled processing machine, for example a milling machine.
In der Figur 3 ist in der rechten Darstellung die Steuerung eines Smart-Flomes 50 ge zeigt, das ebenfalls als eine Maschine im Sinne der Erfindung gilt. Mit der Prothesen einrichtung 10 können beispielsweise mechatronische Komponenten innerhalb eines Flauses aktiviert und deaktiviert werden, beispielsweise Waschmaschinen, Spülma schinen, Fleizungen, Lüftungen, Wasserversorgungen, Jalousien und vieles mehr. Hierzu ist es nicht notwendig, die jeweiligen Antriebe innerhalb der Protheseneinrich tung 10 zu aktivieren, um physische Schalter oder Regler zu bedienen, vielmehr kann in dem Eingabemodus oder Auswahlmodus ein entsprechendes Gerät oder eine entsprechende Komponente ausgewählt und aktiviert beziehungsweise verstellt werden. In der Figur 4 ist eine weitere Variante gezeigt, bei der die Protheseneinrich tung 10 entweder unmittelbar mit der Maschine 50 gekoppelt ist oder aber über ein WLAN-System innerhalb eines Hauses mit der entsprechenden Maschine 50 gekop pelt werden kann, um diese dann zu bedienen. In the figure 3, the control of a Smart-Flome 50 is shown in the right representation, which is also considered a machine within the meaning of the invention. With the prosthesis device 10, for example, mechatronic components can be activated and deactivated within a single fuss, for example washing machines, dishwashers, fleizungen, ventilation, water supplies, blinds and much more. For this purpose, it is not necessary to activate the respective drives within the prosthesis device 10 in order to operate physical switches or controllers, rather a corresponding device or component can be selected and activated or adjusted in the input mode or selection mode. Another variant is shown in FIG. 4 in which the prosthesis device 10 is either directly coupled to the machine 50 or can be coupled to the corresponding machine 50 via a WLAN system within a house in order to then operate it.
Eine Steuerung einer grafischen Oberfläche kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Beschleunigungssensor als Prothesenhandsensor 35 innerhalb der Prothe senhand, beispielsweise an der Spitze eines Prothesenfingers 22 angeordnet ist. Dieser Beschleunigungssensor wird dann durch eine Bewegung der gesamten Pro theseneinrichtung 10 bewegt und aktiviert, sodass die Sensorsignale erzeugt wer- den. Diese Sensorsignale werden überZeit integriert und einer Position des Einga bemarkierers 55 beziehungsweise des Cursors relativ zu einer Startposition übermit telt, sodass daraus eine Veränderung der Lage des Eingabemarkierers 55 bezie hungsweise des Mauszeigers auf der Nutzeroberfläche errechnet wird. Alternativ o- der ergänzend kann über einen Raumlagesensor oder eine IMU oder eine Kombina tion mehrerer einzelner Sensoren eine Verlagerung der gesamten Protheseneinrich tung 10 im Raum als Grundlage für eine Steuerung der Maschine 50 beziehungs weise eines Eingabemarkierers 55 erfolgen. Sofern der Eingabemarkierer als Teil ei nes 3D-Modells oder Hologramms ausgebildet ist, kann durch eine Veränderung der Raumlage und die Erfassung über eine entsprechende IMU eine unmittelbare Positi onierung innerhalb des 3D-Modells oder Hologramms erfolgen. Aus der Raumlage änderung der Protheseneinrichtung 10 werden die entsprechenden Winkelwerte und Verlagerungswerte zur Veränderung der Position des Eingabemarkierers 55 errech net und der jeweiligen Maschine 50 übermittelt. A graphic surface can be controlled, for example, in that an acceleration sensor is arranged as a prosthetic hand sensor 35 within the prosthetic hand, for example on the tip of a prosthetic finger 22. This acceleration sensor is then moved and activated by a movement of the entire prosthesis device 10, so that the sensor signals are generated the. These sensor signals are integrated over time and transmitted to a position of the input marker 55 or the cursor relative to a start position, so that a change in the position of the input marker 55 or the mouse pointer on the user interface is calculated. Alternatively or in addition, a spatial position sensor or an IMU or a combination of several individual sensors can be used to move the entire prosthesis device 10 in space as a basis for controlling the machine 50 or an input marker 55. If the input marker is designed as part of a 3D model or hologram, a direct positioning within the 3D model or hologram can take place by changing the spatial position and recording it via a corresponding IMU. The corresponding angular values and displacement values for changing the position of the input marker 55 are calculated from the change in spatial position of the prosthesis device 10 and transmitted to the respective machine 50.
Neben einem Modus zum Bewegen eines Mauszeigers einer grafischen Benutzer oberfläche oder zum Bewegen eines Eingabemarkierers kann ein Modus zur Verän derung einer Einstellgröße, ein Modus für eine Auswahlfunktion und/oder ein Modus für eine Aktivierungsfunktion in der Steuerungseinrichtung als Anwendung der Pro- theseneinrichtung als Eingabegerät hinterlegt sein. In addition to a mode for moving a mouse pointer of a graphical user interface or for moving an input marker, a mode for changing a setting, a mode for a selection function and / or a mode for an activation function can be stored in the control device as an application of the prosthesis device as an input device being.

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1. Protheseneinrichtung (10) mit einer Prothesenhand (20) mit einem Grundkörper (21) und zumindest einem beweglich daran gelagerten, motorisch verstellbaren Finger (22), mit zumindest einem der Prothesenhand (20) zugeordneten Prothe senhandsensor (25), wobei der Prothesenhandsensor (25) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Beschleunigungssensoren, gyroskopische Sensoren, IMU, Drucksensoren, Magnetometer, optische Sensoren, Infrarotsensoren und/oder eine Kombination davon umfasst, sowie zumindest einem Biosignalsensor (35) zur Erfassung von zumindest einem Biosignal, wobei die Sensoren (25, 35) mit einer Steuerungseinrichtung (30) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Protheseneinrichtung (10) zumindest eine Schnittstelle (40) zu einer Maschine (50) aufweist und in der Steuerungseinrichtung (30) unterschiedliche Betriebsmodi (60) abgelegt sind, die über Signale der Sensoren (25, 35) aus wählbar sind, wobei in zumindest einem Betriebsmodus (60) die Prothesenein richtung (10) als Eingabegerät für die Maschine (50) agiert. 1. Prosthetic device (10) with a prosthetic hand (20) with a base body (21) and at least one movably mounted, motor-adjustable finger (22), with at least one prosthetic hand (20) associated with the prosthetic hand sensor (25), the prosthetic hand sensor (25) is selected from a group comprising acceleration sensors, gyroscopic sensors, IMU, pressure sensors, magnetometers, optical sensors, infrared sensors and / or a combination thereof, as well as at least one biosignal sensor (35) for detecting at least one biosignal, the sensors (25, 35) are coupled to a control device (30), characterized in that the prosthesis device (10) has at least one interface (40) to a machine (50) and different operating modes (60) are stored in the control device (30) which can be selected via signals from the sensors (25, 35), wherein in at least one operating mode (60) the Prothesenein direction (10) a Acts as an input device for the machine (50).
2. Protheseneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (40) als drahtlose Schnittstelle mit einem Sender (41) ausgebildet oder als kabelgebundene Schnittstelle ausgebildet ist. 2. Prosthetic device according to claim 1, characterized in that the interface (40) is designed as a wireless interface with a transmitter (41) or is designed as a wired interface.
3. Protheseneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Beschleunigungssensor (25) mit der Steuerungseinrichtung (30) gekoppelt ist, dessen Sensorsignale über die Zeit integriert werden und damit die Position eines Eingabemarkierers (55) relativ zu einer Startposition ermittelt wird. 3. Prosthetic device according to claim 1 or 2, characterized in that at least one acceleration sensor (25) is coupled to the control device (30), the sensor signals of which are integrated over time and thus the position of an input marker (55) is determined relative to a starting position .
4. Protheseneinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest eine IMU (25) mit der Steuerungseinrichtung (30) gekoppelt ist, aus deren Sensorsignalen die Raumorientierung der Prothesen- einrichtung (10) errechnet und aus Raumlageänderungen der Protheseneinrich tung (10) Positionswerte, insbesondere Winkelwerte zur Veränderung der Posi tion des Eingabemarkierers (55) errechnet werden. 4. Prosthetic device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one IMU (25) is coupled to the control device (30), from whose sensor signals the spatial orientation of the prosthetic device (10) is calculated and position values, in particular angle values for changing the position of the input marker (55), are calculated from changes in the spatial position of the prosthesis device (10).
5. Protheseneinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Biosignalsensoren (35) zur Erfassung von Muskelkon traktionen ausgebildet und eingerichtet sind, die Betriebsmodi (60) umzuschal ten. 5. Prosthetic device according to one of the preceding claims, characterized in that the biosignal sensors (35) are designed to detect muscle contractions and are set up to switch over the operating modes (60).
6. Protheseneinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Funktionen des Eingabemarkierers (55) Signale der Biosig nalsensoren (35) zur Erfassung von Muskelkontraktionen und/oder Signale von zumindest einem Prothesenhandsensor (25), insbesondere Gyroskop, IMU, Magnetometer, Drucksensor und/oder Beschleunigungssensor zugeordnet sind. 6. Prosthetic device according to one of the preceding claims, characterized in that the functions of the input marker (55) signals the biosig nalsensoren (35) for detecting muscle contractions and / or signals from at least one prosthetic hand sensor (25), in particular gyroscope, IMU, magnetometer, Pressure sensor and / or acceleration sensor are assigned.
7. Protheseneinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Modus zum Bewegen eines Mauszeigers (55) auf einer graphischen Benutzeroberfläche oder zum Bewegen eines Eingabemarkierers (55), ein Modus zur Veränderung einer Einstellgröße, ein Modus einer Auswahl funktion und/oder ein Modus einer Aktivierungsfunktion einer Anwendung in der Steuerungseinrichtung (30) hinterlegt ist. 7. Prosthetic device according to one of the preceding claims, characterized in that a mode for moving a mouse pointer (55) on a graphical user interface or for moving an input marker (55), a mode for changing a setting value, a mode of a selection function and / or a mode of an activation function of an application is stored in the control device (30).
8. Verfahren zum Betreiben einer Protheseneinrichtung (10) nach einem der vor anstehenden Ansprüche, bei der über Sensorsignale unterschiedliche Betriebs modi (60) ausgewählt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsmo dus (60) ein Eingabemodus zum Übermitteln und Bewegen eines Eingabemar kierers (55) für eine Maschine (50) durch ein Sensorsignal ausgewählt wird. 8. The method for operating a prosthetic device (10) according to one of the preceding claims, in which different operating modes (60) are selected via sensor signals, characterized in that the operating mode (60) is an input mode for transmitting and moving an input marker ( 55) for a machine (50) is selected by a sensor signal.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Eingabemodus (60) über eine Mustererkennung einer Muskelkontraktion und/o der zumindest eine Ko-Kontraktion und/oder durch Erkennung eines Bewe gungsmusters der Protheseneinrichtung (10) erfolgt. 9. The method according to claim 8, characterized in that the input mode (60) is selected via pattern recognition of a muscle contraction and / or the at least one co-contraction and / or by recognizing a movement pattern of the prosthesis device (10).
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Beschleuni gungssignale der Protheseneinrichtung (10) der Steuerungseinrichtung (30) übermittelt und über die Zeit integriert werden, die Relativbewegung der Prothe seneinrichtung (10) auf eine Ebene projiziert wird und daraus ein Befehl für die Bewegung des Eingabemarkierers (55) ermittelt wird. 10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that acceleration signals of the prosthesis device (10) of the control device (30) are transmitted and integrated over time, the relative movement of the prosthesis seneinrichtung (10) is projected onto a plane and a command from it for the movement of the input marker (55) is determined.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus Sensorsignalen einer IMU die Raumorientierung der Protheseneinrichtung (10) errechnet und aus Raumlageänderungen der Protheseneinrichtung (10) Befehle zur Veränderung der Position des Eingabemarkierers (55) errechnet werden. 11. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the spatial orientation of the prosthetic device (10) is calculated from sensor signals of an IMU and commands for changing the position of the input marker (55) are calculated from changes in the spatial position of the prosthetic device (10).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass über Biosignalsensoren (35) zur Erfassung von Muskelkontraktionen und/oder Signale von zumindest einem Prothesenhandsensor (25), insbesondere Gyro skop, IMU, Magnetometer, Drucksensor und/oder Beschleunigungssensor Funktionen des Eingabemarkierers (55) aktiviert werden. 12. The method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that bio-signal sensors (35) for detecting muscle contractions and / or signals from at least one prosthetic hand sensor (25), in particular gyroscope, IMU, magnetometer, pressure sensor and / or acceleration sensor functions of the input marker (55) must be activated.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingabemodus (60) ein Antrieb (23) der Prothesenhand (20) gesperrt sind. 13. The method according to any one of claims 8 to 12, characterized in that a drive (23) of the prosthetic hand (20) are blocked in the input mode (60).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungssignale für den Eingabemarkierer (55) nur im Eingabemodus über die Schnittstelle (40) an die Maschine (50) übermittelt werden. 14. The method according to any one of claims 8 to 13, characterized in that control signals for the input marker (55) are transmitted to the machine (50) via the interface (40) only in the input mode.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterbrechungsmodus über ein Signalmuster aktiviert wird, in dem weder Antriebe (23) noch der Eingabemarkierer (55) bewegt werden. 15. The method according to any one of claims 8 to 14, characterized in that an interruption mode is activated via a signal pattern in which neither drives (23) nor the input marker (55) are moved.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensordaten zum Bewegen eines Mauszeigers (55) auf einer graphischen Benutzeroberfläche, zur Veränderung einer Einstellgröße, zum Auswählen und/oder zum Aktivieren einer Anwendung außerhalb der Protheseneinrichtung (10) verwendet werden. 16. The method according to any one of claims 8 to 15, characterized in that the sensor data for moving a mouse pointer (55) on a graphic User interface, for changing a setting variable, for selecting and / or for activating an application outside the prosthetic device (10).
PCT/EP2021/067119 2020-06-23 2021-06-23 Prosthetic device having a prosthetic hand and method for operating a prosthetic device WO2021259986A1 (en)

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