WO2023088670A1 - Beckenanbindungssystem für ein exoskelett, exoskelett und dazugehöriges verfahren - Google Patents

Beckenanbindungssystem für ein exoskelett, exoskelett und dazugehöriges verfahren Download PDF

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WO2023088670A1
WO2023088670A1 PCT/EP2022/080331 EP2022080331W WO2023088670A1 WO 2023088670 A1 WO2023088670 A1 WO 2023088670A1 EP 2022080331 W EP2022080331 W EP 2022080331W WO 2023088670 A1 WO2023088670 A1 WO 2023088670A1
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WO
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pelvic
connection system
bearing
exoskeleton
support plates
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/080331
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Klemm
Kassandra DAMER
Maximilian Biehler
Original Assignee
German Bionic Systems Gmbh
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Publication date
Application filed by German Bionic Systems Gmbh filed Critical German Bionic Systems Gmbh
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure

Definitions

  • the invention relates to a pelvic connection system for pelvic coupling of an exoskeleton to a user according to the preamble of claim 1, a corresponding exoskeleton according to claim 12 and an associated method according to claim 15.
  • Exoskeletons are mechanical support structures that are artificially attached to a wearer's body from the outside to relieve or support a wearer's body muscles.
  • active exoskeletons - i.e. exoskeletons with active, mostly electric, actuators - or passive exoskeletons - i.e. exoskeletons with passive actuators, e.g transmitted or initiated to the torso of the wearer.
  • exoskeletons must be coupled to the carrier in a force-conducting, i.e. mechanical, manner.
  • Force-conducting connections are usually made by fastening the exoskeleton to the wearer's body using belts and/or carrying harnesses integrated into the exoskeleton.
  • the exoskeleton is attached to the extremities and torso of the wearer, e.g. via backpack-like carrying harnesses and additional leg attachments and/or arm attachments.
  • the position of the straps and carrying harness must be readjusted regularly after the exoskeleton has been put on, positioned in the right places and, if necessary, adjusted manually.
  • a body connection via a vest and a hip belt that also rests on a pelvis is known, for example, from FIG. 37 of DE 10 2018 112 556 A1.
  • the object of the invention is to specify a user-friendly exoskeleton which has short set-up times and is more comfortable to wear.
  • the object is achieved, among other things, by a pelvic connection system for an exoskeleton with a rigid pelvic frame, which is characterized in that the pelvic connection system comprises a substantially rigid pelvic support plate arranged laterally on the left or right for lateral contact with the pelvis or an iliac crest of a user, connected to the pelvic frame. Forces and moments, but above all torques around the vertical axis, can be transmitted much more directly via the pelvic support plates than via the mostly padded and therefore flexible hip belts.
  • the pelvic connection system according to the invention also has the advantage of very short set-up times, since no buckles have to be closed or belts lashed, but the user only has to 'slip' into the pelvic support plates. There is no need for a classic hip belt that completely encloses the pelvis or hips.
  • the pelvic support plates are movably mounted or connected with respect to the pelvic frame.
  • the mobility can be realized, for example, by a material-elastic connection of the pelvic support plates to the pelvic frame.
  • a material-elastic mounting are, above all, laterally resilient cantilevers or spring tongues, which enable the desired flexibility of the pelvic support plates.
  • Movable pelvic support plates can on the one hand simplify the application process and on the other hand force peaks induced by rough movements can be absorbed and distributed over a longer period of time. Both increase comfort.
  • a side effect is that the (active) actuators of the exoskeleton can be controlled more aggressively without sacrificing comfort, since force peaks are smoothed out.
  • the pelvic connection system can advantageously have a bearing system with at least one degree of freedom, which allows at least one relative movement between the pelvic support plate and the pelvic frame.
  • the permissible relative movement can be in a translatory relative movement in the lateral direction (right-left), a rotary Relative movement around a vertical axis (vertical) or in a rotary relative movement around a laterally aligned axis of rotation in a transverse plane (horizontal axis, bending axis).
  • a superimposition of several of these degrees of freedom is also possible.
  • bearing system or “bearing” in the sense of this document are to be understood as meaning a guided bearing, i.e. a radial bearing (pivot bearing) or an axial bearing (linear bearing, linear guide) and combinations thereof.
  • the bearing system makes it possible for the pelvic support plates to follow the movement of a user in selected degrees of freedom without the system and the power transmission being reduced in non-selected degrees of freedom. This can prevent or at least reduce slipping and chafing of the pelvic support plates in relation to the wearer’s pelvis, e.g. during bending movements.
  • the bearing system expediently has at least one of the following bearings: a sliding bearing for a translatory degree of freedom, a vertical axis rotary bearing for a degree of freedom around the vertical axis and/or a horizontal rotary bearing for a degree of freedom in the horizontal (flexion axis ).
  • the bearing or bearings are preferably designed as slide bearings. Plain bearings are inexpensive and require little maintenance.
  • the sliding bearing is also designed as a rotary bearing to form the vertical axis rotary bearing or the horizontal rotary bearing, i.e. as a rotary and sliding bearing. Functional integration of this type enables the storage system to be compacted spatially without functional losses.
  • one of the bearings has a clamping device for deflecting a bearing component into a preferred position and/or a damping device for damping impact forces.
  • Spring elements e.g. rotary and torsion springs for rotary bearings or spiral springs for linear bearings
  • Suitable damping means are, for example, spring elements or rubber buffers, rubber buffers being able to be used in particular as bearing bushes or as bearing inserts if high damping or additional angular tolerances are to be made possible.
  • clamping means and damping means can absorb force peaks, ensure additional freedom of movement and/or automatically direct the pelvic support plates into a preferred position for applying the exoskeleton or the pelvic support plates, the handling of the pelvic connection system can be further increased in addition to the wearing comfort. Since proposed tensioning and damping means are also easily interchangeable, the tensioning and damping means can also be used for a user-specific adaptation of the pelvic connection system, insofar as some users prefer a hard pelvic connection and other users prefer a soft pelvic connection.
  • clamping means not only passively, but actively, as described above, or to supplement them with an active component (servomotor).
  • an active component for example, a contact pressure of the pelvic support plates can be regulated in real time and, for example, dynamically adapted to the prevailing load situations.
  • the vertical axis pivot bearing is designed as a tilting bearing with a first stop and a second stop, so that the permissible adjustment range runs between the first stop and the second stop.
  • a defined stop can provide haptic feedback to the user, and on the other hand, nonsensical positions of the pelvic support plates - e.g. an alignment vis-à-vis the back plate, in which it would not be possible to attach the pelvic connection system - can be avoided.
  • the pelvic support plates can thus always be kept in an area in which the user can immediately climb into the pelvic connection system. Since there is no manual alignment of the pool support plates, set-up times can be further reduced.
  • the first stop can be assigned to an open position (open position) and the second stop to a closed position (closed position) of the pelvic connection system.
  • An open position is understood to mean a position of the pelvic support plates in which the pelvic connection system is ready for a docking process; under one closed position means a position in which the pelvic connection system has been successfully coupled to a user's pelvis.
  • tilting bearing sweeps over an angle (tilt angle) of more than 15°, preferably more than 30°, particularly preferably more than 45°, but less than 65° between the first and the second stop.
  • the first and/or the second stop of the tilting bearing are designed as latching means and/or comprise a latching means for releasably fixing the pelvic support plates to the first stop (open position) and the second stop (closed position).
  • a latching means for releasably fixing the pelvic support plates to the first stop (open position) and the second stop (closed position).
  • the latching means are designed to be magnetic.
  • the latching means could be pin magnets that are embedded in the surfaces of the stops (stop surfaces) and hold the pelvic support plates in a force-fitting manner.
  • the cymbal support plates are at least partially ferromagnetic or are supplemented by ferromagnetic means.
  • a mechanical anti-release device can also be provided on the stops, so that the pelvic support plates can only be detached from the first or second stop if the anti-release device is actuated accordingly.
  • Particularly fail-safe pool connection systems can be implemented with release safeguards.
  • the back strap preferably extends approximately horizontally from the left pelvic support panel to the right pelvic support panel and is integral with the pelvic support panels or detachably connected to them. The forces transmitted to the user by an exoskeleton during lifting movements (standing up movements) can be absorbed and distributed over a large area via a back strap.
  • a back strap also reliably prevents the user from slipping out of the back of the pelvic support plates.
  • hip belts which with their buckles and other attachment elements such as rivets (local elevations) lead to local pressure points and thus poor wearing comfort, this can be avoided with the proposed solution.
  • the back band as well as the pelvic support plates can be made available in user-specific sizes for user adaptation. It can be made of inelastic, fully elastic or preferably partially elastic materials. A high level of comfort can also be achieved in particular by the fact that the back strap has a progressive spring characteristic, so that force is introduced particularly gently and gently.
  • the pelvic support plates are detachably connected to the rest of the pelvic connection system or arranged in the pelvic connection system, in particular via a detachable press fit (oversized fit).
  • this ensures rapid adaptation of the pelvic connection system to different body statures, e.g. through the use of pelvic support plates of different sizes, and on the other hand, it satisfies the needs of users in relation to increasing hygiene standards, which, among other things, result in disgust and the rejection of those already used by third parties Pelvic connection systems manifest.
  • a pelvic connection system can comprise the following components: a left and a right adapter piece, a left and a right Tilting shaft piece and a left and a right arm.
  • the left-hand and right-hand components are preferably connected to one another as follows: the boom is attached or attachable to a pelvic frame of the exoskeleton; the adapter piece is detachably and non-rotatably connected to the pelvic support plate; the adapter piece is connected to one end of the tilting shaft piece via a pin shaft; the tilting shaft piece includes a cylindrical projection (tilting shaft) which is supported in a translational and rotational manner in a guide bushing (bearing hole) of the boom.
  • This enables a structurally simple structure with a large range of functions.
  • the exoskeleton can optionally include a back plate with an upper body connection, in particular a chest harness, a rigid pelvic frame with a hip actuator arranged laterally on the left or right for introducing rotational forces, and a thigh connection.
  • the hip actuators can be active in the form of electric motors or passive in the form of hydraulic spring accumulators (air springs) and/or mechanical springs (e.g. torsion springs).
  • the pelvic connection system is designed to be laterally adjustable, in particular manually or motor-driven, for adaptation to a user.
  • force application points can be moved close to the user's body, thus achieving direct force transmission.
  • the track width of the exoskeleton i.e. the effective width of the exoskeleton, can be minimized.
  • this improves mobility in confined spaces such as narrow alleys in a warehouse, and on the other hand, it reduces the rotating mass (mass moment of inertia) and makes the exoskeleton more manoeuvrable.
  • the pelvic connection system preferably has an active adjustment unit, for example an electric motor, for the automatic adjustment of the pelvic connection system.
  • the setting unit can preferably be adjusted automatically in response to a user signal (trigger).
  • a contact switch in the back plate of the exoskeleton for example, can be used as a trigger, which is actuated when a user approaches the back plate backwards and begins to close a chest harness.
  • Other triggers, such as manual actuation of an adjustment switch, are possible.
  • the user signal may also include targets for a desired final position of the page adjustment.
  • These targets can, for example, be stored in a memory of the exoskeleton and called up via quick-access buttons on the exoskeleton, or transmitted to the exoskeleton from a mobile device or another identification unit (RFID chip) via a preferably wireless communication interface (Bluetooth, NFC, WLAN).
  • RFID chip preferably wireless communication interface
  • the set-up time i.e. the time to put on the exoskeleton, can be drastically reduced by a motor-assisted lateral adjustment.
  • the user can carry out other activities with his hands during an automatic side adjustment, e.g. closing and lashing a chest harness.
  • force sensors are integrated in the pelvic support plates for the direct determination of the forces (pressure) acting on the pelvic support plates. Lateral adjustment up to a desired contact pressure can be controlled automatically via the force sensors.
  • the force sensors could also not be arranged directly in the pelvic support plates, but at another point in the force path between the pelvic support plates and the back plate.
  • the contact pressure can also be determined indirectly, for example via strain gauges arranged on or in the pelvic bracket (which, if the overall stiffness of the pelvic frame is known, allow conclusions to be drawn about the forces effectively acting on the pelvic support plates) or by measuring the the active control unit (electric motor) of the lateral adjustment applied torque by e.g. a torque sensor.
  • the contact pressure can also be determined indirectly via the current and/or voltage consumption of the electric motor of the lateral adjustment.
  • additional sensors tilt sensor, strain gauges or force sensors
  • the determination and transmission of user-specific target specifications end position
  • Closing and opening of the pool connection system can be triggered, for example, via a manually operated button.
  • the invention also addresses a method for applying an exoskeleton via a pelvic connection, the pelvic connection comprising pelvic support plates lying laterally to the left or right and pivotable about a vertical axis, which can be pivoted between an open and a closed position, and the pelvic support plates first in the are folded open and upon movement of a wearer into the pelvic support panels contact the pelvis of the wearer and are folded and preferably latched to the closed position. A user can thus connect to the exoskeleton without using their hands.
  • FIG. 2 shows an exoskeleton with a pelvic connection system according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2A shows the exoskeleton from FIG. 2 with the chest harness removed
  • Fig- 3 a pool connection system
  • FIG. 4 shows an exploded view of a left side of the pelvic connection system according to FIG. 4,
  • FIG. 5 shows a unit consisting of pelvic support plates and back strap
  • FIG. 6A an exoskeleton with a pelvic connection system in an open position
  • FIG. 6B an exoskeleton with a pelvic connection system in a closed position
  • Fig. 7 is a side view of a pelvic connection system with a longitudinal section (Fig. 7A) and a transverse section (Fig. 7B) and
  • FIG. 8A detailed views of the longitudinal section according to FIG. 7A (FIG. 8A) and the transverse section according to FIG. 7B (FIG. 8B),
  • FIG. 9 an exoskeleton with laterally adjustable pelvic bars, 10 state still images for automated application of the exoskeleton from FIG. 9 in a starting position (FIG. 10A), during application (FIG. 10B) and after application (FIG. IOC),
  • FIG. 11 shows a first schematic representation of a motorized lateral adjustment
  • FIG. 12 shows a second schematic representation of a motorized lateral adjustment.
  • the exoskeleton 1A consists of an essentially one-piece basic structure 2, which can be divided into a rigid back plate 3 and a U-shaped pelvic frame 4.
  • An upper body connection system 5 in the form of a chest harness 5A that can be closed using buckles and a pelvic connection system 6 in the form of a full-circumference hip belt 6A are arranged on the back plate 3, via which the exoskeleton 1A can be mechanically coupled to a user P for the transmission of forces and moments.
  • the chest harness 5A and the hip belt 6A can be adjusted in length using straps and straps.
  • electromotive hip actuators 7L, 7R are integrated laterally on the outside, which leg brackets 8L, 8R attached to the output shafts of the hip actuators 7L, 7R can rotate about an axis of rotation X in the horizontal.
  • a leg connection 9R, 9L with leg straps 9A-L or 9A-R enclosing the thighs of the user is arranged on the end of the leg brackets 8L, 8R.
  • a righting torque can thereby be transmitted between the leg attachments 9L, 9R and the basic frame 2 or the thighs and upper body of the user via the actuators 7L, 7R.
  • a user To put on the exoskeleton 1A shown in FIG. 1, a user must individually close the chest harness 5A, the hip belt 6A and the left and right leg straps 9A-L and 9A-R and then tie them tight.
  • the set-up time for putting on the exoskeleton is around 2 to 3 minutes.
  • a rapid donning and doffing of the exoskeleton and in particular a needs-based donning and doffing in the case of a frequent change of activities of the user is therefore practically impossible to implement.
  • the pelvic connection 6 is also laterally very far away from the pelvic frame 2, particularly in the case of users who are delicately built, which means that the transmission of force is inadequate, especially in the case of Torques about the vertical axis result.
  • the power transmission between the exoskeleton 1A and the user is indirect, subject to play and overall spongy and can lead to a delayed reaction of the exoskeleton 1A to movements initiated by the user. User support is therefore often imprecise and delayed.
  • the exoskeleton 1 A does not offer width adjustment beyond the straps.
  • the pelvic frame must therefore always be designed for the widest possible user.
  • the invention proposes, inter alia, a pelvic attachment system 10 and an associated exoskeleton 1B, as shown in Figures 2 and 2A.
  • the exoskeleton 1B is shown in FIG. 2A without a chest harness 5A.
  • the pelvic connection system 10 has two essentially rigid pelvic support plates 1IL, 11R for lateral contact with the pelvis of a user P, which are connected to a pelvic frame 4 via cantilevers 12L, 12R.
  • a back strap 13 which can be seen particularly in FIG. 2A, is fastened at each end to the pelvic support plates 11L, 11R and runs on the back to rest on a lower back part of the user P.
  • the pelvic attachment system 10 replaces the hip belt 6A of the exoskeleton 1A.
  • the exoskeleton 1B is constructed in a manner comparable to the exoskeleton 1A, so that reference is made to the previous explanations in this regard.
  • the bearing system 14L, 14R allows a horizontal movement in the lateral direction along the horizontal axis H (translation T), a first rotation about the horizontal axis H (rotation RI) and a second rotation about a vertical axis or vertical V (rotation R2) of the pelvic support plates 1 IL, 11R towards the cantilevers 12L and 12R.
  • the extension arms 12L and 12R can be connected to the pelvic frame 4 shown in FIG. 2 via connection points 15L, 15R using suitable connection means (screws, rivets).
  • FIG. 4 shows a left side of the pelvic connection system 10 in an exploded view.
  • the right side of the pelvic connection system 10 is designed to be essentially the same, which is why it is not necessary to show it.
  • FIGS. 8A and 8B For detailed representations, reference is made to the sectional views of FIGS. 8A and 8B according to the sections indicated in FIG.
  • the pelvic support plate 11L is formed in an approximately arc shape on the side facing a user and has a concave outer surface 11L-1 which is provided with a detachably fixed pad 16L.
  • the concave curvature of the outer surface 11L-1 is ergonomically adapted to the shape of the pelvis, especially a lateral iliac crest of the pelvis, of a user.
  • the pad 16L is attached via a Velcro fastener, not shown here.
  • the pelvic support plate 11L On the laterally outer side, the pelvic support plate 11L has a pedestal-shaped elevation 11L-2 with a receiving space 11L-3 embedded therein, which extends in the direction of a horizontal line H.
  • a slot 11L-4 extends transversely thereto from a rear boundary of the pedestal-shaped elevation 11L-2 into the receiving space 11L-3 and fixed via a fastening screw 13L-2 in the receiving space 11L-3 or a threaded bushing 11L-5 fastened in the receiving space, see the sectional views of FIGS.
  • the pelvic support plate 11L-2 is made in a lightweight construction and consists of a preferably vacuum formed duromer. The pelvic support plates 11R and 11L are thus essentially inherently stable and undeformable.
  • An approximately circular-cylindrical adapter piece 17L can be inserted into the receiving space 11L-3, which has an anti-twist surface 17L-1 for unambiguous position fixing in relation to the horizontal axis H.
  • the adapter piece 17L is held in the receiving space 11L-3 in an essentially form-fitting manner, and is secured in a friction-locked manner against removal from the receiving space 11L-3 by means of a slight oversize fit.
  • the adapter piece 17L together with a tilting shaft piece 18L held rotatably in the adapter piece 17L via a pin shaft 17L-2, forms a first bearing of the bearing system 14L, designed as a tilting bearing 14L-1, for rotating the adapter piece 17L about the vertical axis V, i.e. a vertical axis rotary bearing.
  • the adapter piece 17L and the tilting shaft piece 18L have vertically continuous bores at the mutually facing ends, through which the pin shaft 17L-2 is guided.
  • the tilting shaft piece 18L is inserted with a flange-like end 18L-1 into a cavity 17L-3 of the adapter piece 17L.
  • the cavity 17L-3 of the adapter piece 17L limits the maximum displacement or twisting of the tilting shaft piece 18L by a first, front stop surface 17L-31 and a second, rear stop surface 17L-32 (see FIG. 8B).
  • Pin magnets 19L-1 and 19L-2 are let into the stop surfaces 17L-31 and 17L-32 and hold the flange-like end 18L-1 of the tilting shaft piece 18L in the respective stop position.
  • the stop position on the front stop surface 17L-31 corresponds to an open position A (see Fig. 6A) of the pelvic connection system 10, and the stop position on the rear stop surface 17L-32 corresponds to a closed position B (see Fig. 6B) of the pelvic connection system 10.
  • a rocker shaft 18L-2 Extending laterally from the flanged end 18L-1 of the rocker shaft piece is a rocker shaft 18L-2, circular in cross section, which is slidably received in a bearing hole 12L-1 of the bracket 12L.
  • the tilting shaft 18L-2 is secured against removal from the bearing hole 12L-1 by a retaining ring 18L-3 resting against a washer 18L-4.
  • the tilt shaft 18L-2 is biased against the cantilever 12L by a spring 20L.
  • the bearing hole 12L-1 and the tilting shaft 18L-2 together form a rotary-sliding bearing, which performs the function of a sliding bearing and the function of a yaw-axis rotary bearing, so that the tilting shaft 18L-2 can be translated both in translation (displacement T) and in rotation along it or can be moved or rotated about the horizontal axis H (rotation RI).
  • the rotary slide bearing is assigned to the bearing system 14L.
  • the respective friction contact surfaces are equipped with friction-reducing plain bearing bushes 21L-1 to 21L-4.
  • a closed immersion space is made available, in which one end of the tilting shaft 18-L2 can immerse during a translation.
  • the immersion space can consist, for example, in an encapsulation of the bearing hole 12L-1.
  • the tilting shaft in a telescopic manner with a hollow outer cylinder and an inner cylinder and to move the linear or sliding bearing (translation T) into the tilting shaft, which is embodied in a telescopic manner.
  • the bearing hole 12L-1 of the cantilever can be designed to be closed laterally on the outside, and only takes on the function of a rotary bearing (horizontal rotary bearing) in interaction with the tilting shaft 18L-2.
  • FIG. 5 shows a preassembled assembly with a left and a right pelvic support plate 1IL, 11R and a back strap 13 arranged in between, which—as described in FIG. 4—is connected at the end to the pelvic support plates 1IL, 11R.
  • This assembly can be exchanged quickly and easily by attaching or detaching the cymbal support plates with their respective cavities 17R-3 and 17L-3 (see FIG. 4) to the adapter pieces.
  • FIGS. 6A and 6B The use of the pelvic connection system 10 shown is illustrated with reference to FIGS. 6A and 6B. Because of the symmetrical structure, only one side, the left side, of the pelvic connection system 10 is described as representative of the left and right side of the pelvic connection system 10 .
  • 6A and 6B each show a plan view of the exoskeleton 1B (without the chest harness 5A shown), with the pelvic support plate 11L being tilted in FIG. 6A via the left tilting bearing 14L-1 into an open position A with an angle a1 of approximately 70° , ie that the left tilting shaft 18L-2 rests against the front stop surface 17L-31, while in Fig.
  • the pelvic support plate 11L is tilted via the left tilting bearing 14L-1 into a closed position B with an angle a2 of approximately 90°, that is, the left rocker shaft 18L-2 abuts the rear stop surface 17L-32.
  • the tilt angle ß ie the angle difference between the open position A (angle a1) and the closed position B (angle a2) is about 20°. However, it could also be selected to be smaller or significantly larger, for example 45°.
  • a user enters the pelvic connection system 10 located in the open position A (FIG. 6A) from the back, wherein the exoskeleton 1B can be held on a wall bracket for this purpose, for example.
  • the user will tilt the pelvic support plate 11L against the adhesive forces of the front pin magnet 19L-1 into the closed position B (Fig. 6B) with a lateral pelvic section on the concave outer surface 11L-1 and by applying additional pressure in the rearward direction, where the flange-like end 18L- 1 of the tilting shaft piece 18L is then held by the rear pin magnet 19-2 in a force-fitting manner.
  • the pelvic support plate 11L will also move laterally outwards against the actuating forces of the spring 20L, and thus on the one hand passively adapting the pelvic connection system 10 to the width of the user and on the other hand a well-defined contact pressure of the pelvic support plates 11L, 11R on the user's pelvis cause.
  • the user's pelvis is gripped sufficiently firmly by the pelvic support plates 11L, 11R. It is put on in seconds and hands-free.
  • the pelvic connection system is therefore particularly suitable for physically handicapped people with extremities that are not fully functional.
  • FIGS. 10A to 10C show the design and use of an adjustment unit for lateral adjustment of an exoskeleton IC, which is not shown in full.
  • the exoskeleton IC has a back plate 3', which can be connected to a user's upper body via an upper body connection system (not shown), and on which two pairs of guide rods 4R-1, 4L-1 protrude laterally on the left and right.
  • On the guide rods 4R-1, 4L-1 are left and right pelvic bars, respectively 4L, 4R sliding.
  • the sliding bearing can also be referred to as a linear bearing.
  • the pelvic brackets 4L, 4R form an approximately U-shaped pelvic frame 4.
  • hip actuators 7L and 7R are also installed laterally outside on the pelvic frame 4.
  • a pelvic connection system 10 with pelvic support plates 11L, 11R is attached to the pelvic brackets 4L and 4R for attachment to the lateral pelvic area of a wearer via brackets 12L, 12R.
  • the pelvic brackets 4L and 4R can be moved outwards or inwards in opposite directions by means of an adjusting unit 30A or 30B designed, for example, according to FIG becomes.
  • the pelvic connection system 10 is otherwise constructed analogously to the previous versions and has, in particular, the degrees of freedom (T, RI, R2) already described.
  • FIGS. 10A to 10C A possible application scenario of the side adjustment is shown in FIGS. 10A to 10C, with FIG. 10A showing an initial position, FIG. 10B showing a state during coupling and FIG. 10C showing a state after coupling has taken place.
  • the exoskeleton IC rests on a wall mount 24 in the starting position of FIG. 10A.
  • a user enters the back of the pelvic frame 4 and, for example, triggers an automatic adjustment of the pelvic brackets 4L and 4R by means of a contact switch embedded in the back plate 3'.
  • the pelvic brackets 4L, 4R are then moved laterally inwards (translation T2), with the pelvic support plates 1IL, 11R snuggling up to the side hips or the left and right iliac crest of the user's pelvis with increasing pressure (see arrows T2 in Figure 10B).
  • the lateral adjustment is stopped when the power consumption of an electric servomotor 17 shown in FIG. 11 or 12 exceeds a preset limit value, which is a measure of the contact pressure.
  • the exoskeleton IC is then sufficiently firmly coupled to the user so that he can lift the exoskeleton IC out of the wall bracket 24 via the pelvic support plates 31L, 31R.
  • FIGS. 11 and 12 Possible adjusting units for a lateral adjustment according to the embodiments of FIG. 9 and FIGS. 10A to 10C are shown in FIGS. 11 and 12.
  • the lateral adjustment 30A is designed as a spindle drive. It comprises an electric motor 31 which is non-rotatably connected via a left-hand or right-hand clutch 32L, 32R to a right-hand or left-hand spindle 33L, 33R, and this can be set in rotation, so that in the left or right pelvic bracket 4L, 4R rotatably mounted spindle nuts 34L, 34R cause a translatory relative movement (arrow T2) of the pelvic bracket 4L, 4R in relation to the back plate 3'.
  • the lateral adjustment (end position) is controlled here, for example, via a contact pressure that is determined directly or indirectly. However, the lateral adjustment (end position) could also be carried out by manually controlling the electric motor 31 or using pre-assigned buttons.
  • a side adjustment 30B is designed as a rack and pinion drive, which differs from the embodiment of Fig. 11 in that a side adjustment takes place via a drive pinion 35 driven by an electric motor 31, which has two racks 37L, 37R with an upper or lower linkage 36L or 36R is connected to the pelvic brackets 4L or 4R.
  • the invention enables short set-up times for putting on and taking off exoskeletons and increased wearing comfort due to reduced contact surfaces of a pelvic connection system and increased freedom of movement due to bearing of the contact surfaces.
  • V vertical axis of rotation (vertical axis)

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Abstract

Die Erfindung befasst sich u.a. mit einem Beckenanbindungssystem (10) und einem dazugehörigen Exoskelett (1B, 1C), mit welchem kurze Rüstzeiten und ein hoher Tragekomfort erzielt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass das Beckenanbindungssystem (10) starre Beckenauflageplatten (11L, 11R) umfasst, welche seitliche Beckenpartien eines Nutzers umgreifen. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren.

Description

Beckenanbindungssystem für ein Exoskelett, Exoskelett und dazugehöriges Verfahren
Die Erfindung betrifft ein Beckenanbindungssystem für eine beckenseitige Kopplung eines Exoskeletts mit einem Nutzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein entsprechendes Exoskelett nach Anspruch 12 sowie ein dazugehöriges Verfahren gemäß Anspruch 15.
Exoskelette sind künstlich von außen an einen Körper eines Trägers angelegte mechanische Stütz Strukturen zur Entlastung oder Unterstützung einer Körpermuskulatur eines Trägers. Als aktive Exoskelette - d.h. Exoskelette mit aktiven, zumeist elektromotorischen, Aktuatoren - oder passive Exoskelette - d.h. Exoskeletten mit passiven Aktuatoren, z.B. Federspei ehern - finden sie beispielsweise Verwendung in der Unterstützung von Geh- oder Beugebewegungen und müssen hierzu Kräfte bzw. Momente zwischen Gliedmaßen und dem Rumpf des Trägers übertragen bzw. einleiten.
Hierzu müssen Exoskelette kraftleitend, d.h. mechanisch, mit dem Träger gekoppelt werden. Kraftleitende Verbindungen erfolgen üblicherweise durch Befestigung des Exoskeletts über in das Exoskelett integrierte Gurte und/oder Tragegeschirre am Körper des Trägers. Das Exoskelett wird z.B. über rucksackähnliche Tragegeschirre sowie zusätzliche Beinanbindungen und/oder Armanbindungen an den Extremitäten und dem Torso des Trägers befestigt. Die Position von Gurten und Tragegeschirr müssen nach Anlage des Exoskeletts regelmäßig nachjustiert, an den richtigen Stellen positioniert und gegebenenfalls manuell verstellt werden. Insbesondere, wenn dasselbe Exoskelett von unterschiedlichen Trägern mit unterschiedlichen Körpermaßen genutzt werden soll, ist die Rüstzeit zur Einstellung des Exoskeletts mit erheblichem Einstellungsaufwand verbunden. Aber auch wenn das Exoskelett nur einen Nutzer besitzt, ist das An- und Ablegen mit Lösen und Festzurren der Gurte zeitintensiv.
Eine Körperanbindung über eine Weste und einen auch an einem Becken aufliegenden Hüftgurt ist beispielsweise aus der Fig. 37 der DE 10 2018 112 556 Al bekannt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung ein nutzerfreundliches Exoskelett anzugeben, welches geringe Rüstzeiten und einen erhöhten Tragekomfort aufweist. Die Aufgabe wird u.a. gelöst durch ein Beckenanbindungssystem für ein Exoskelett mit einem starren Beckenrahmen, das sich dadurch auszeichnet, dass das Beckenanbindungssystem eine lateral links bzw. rechts angeordnete, im Wesentlichen steife Beckenauflageplatte zur seitlichen Anlage an das Becken bzw. einen Beckenkamm eines Nutzers umfasst, die mit dem Beckenrahmen verbunden sind. Über die Beckenauflageplatten können Kräfte und Momente, v.a. jedoch Drehmomente um die Hochachse (Vertikale), sehr viel direkter als über meist gepolsterte und damit nachgiebige Hüftgurte übertragen werden. Da die Auflage- bzw. Kontaktfläche zwischen den Beckenauflageplatten und der Becken geringer ist als bei Hüftgurten, kann außerdem die Atmungsaktivität der Beckenanbindung verbessert und der Transpirationsneigung eines Nutzers entgegengewirkt werden. Schließlich besitzt das erfindungsgemäße Beckenanbindungssystem auch den Vorteil von sehr kurzen Rüstzeiten, da keine Schnallen geschlossen oder Gurte verzurrt werden müssen, sondern der Nutzer lediglich in die Beckenauflageplatten ,hineinschlüpfen‘ muss. Auf einen klassischen, das Becken bzw. die Hüfte vollumfänglich umschließenden Hüftgurt kann verzichtet werden.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung sind die Beckenauflageplatten beweglich gegenüber dem Beckenrahmen gelagert bzw. angebunden. Die Beweglichkeit kann beispielsweise durch eine materialelastische Anbindung der Beckenauflageplatten an dem Beckenrahmen realisiert sein. Besonders geeignet für eine materialelastische Lagerung sind insbesondere v.a. in lateraler Richtung federnde Ausleger oder Federzungen, die eine gewünschte Nachgiebigkeit der Beckenauflageplatten ermöglichen. Durch bewegliche Beckenauflageplatten kann einerseits ein Anlegeprozess vereinfacht werden, anderseits können durch ruppige Bewegungen induzierte Kraftspitzen aufgefangen und über einen längeren Zeitraum verteilt werden. Beides erhöht den Tragekomfort. Ein Nebeneffekt ist, dass das (aktive) Aktuatoren des Exoskeletts ohne Komforteinbußen aggressiver angesteuert werden kann, da Kraftspitzen geglättet werden.
Zusätzlich oder alternativ zu einer materialelastischen Anbindung kann das Beckenanbindungssystem in vorteilhafter Weise ein Lagersystem mit wenigstens einem Freiheitsgrad aufweisen, welches zumindest eine Relativbewegung zwischen der Beckenauflageplatte und dem Beckenrahmen zulässt. Die zulässige Relativbewegung kann in einer translatorischen Relativbewegung in lateraler Richtung (rechts-links), einer rotativen Relativbewegung um eine Hochachse (Vertikale) oder in einer rotativen Relativbewegung um eine lateral ausgerichtete Drehachse in einer Transversalebene (Horizontalachse, Beugeachse) bestehen. Möglich ist auch eine Überlagerung von mehreren dieser Freiheitsgrade.
Unter den Begriffen „Lagersystem“ bzw. „Lager“ ist im Sinne dieser Schrift eine geführte Lagerung, d.h. ein Radiallager (Drehlager) oder ein Axiallager (Linearlager, Linearführung) sowie Kombinationen hiervon zu verstehen.
Über das Lagersystem ist es möglich, dass die Beckenauflageplatten der Bewegung eines Nutzers in ausgewählten Freiheitsgraden zu folgen, ohne dass die Anlage und die Kraftübertragung in nicht ausgewählten Freiheitsgraden verringert wird. Vermieden oder zumindest verringert werden kann hierdurch u.a. ein Rutschen und Scheuern der Beckenauflageplatten gegenüber dem Becken des Trägers z.B. bei Beugebewegungen.
In einer konkretisierter en und vorteilhaften Ausführungsform weist das Lagersystem zweckmäßigerweise wenigstens eines der nachfolgenden Lager auf: ein Schiebelager für einen translativen Freiheitsgrad, ein Hochachsen-Drehlager für einen Freiheitsgrad um die Hochachse und/oder ein Horizontal-Drehlager für einen Freiheitsgrad in der Horizontalen (Beugeachse).
Das oder die Lager sind vorzugsweise als Gleitlager ausgebildet. Gleitlager sind kostengünstig und wartungsarm. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Schiebelager gleichzeitig auch als Drehlager zur Ausbildung des Hochachsen-Drehlagers oder des Horizontal-Drehlagers, d.h. als Dreh-Schiebe-Lager, ausgebildet. Durch eine derartige Funktionsintegration ist eine räumliche Verdichtung des Lagersystems ohne Funktionseinbußen möglich.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn eines der Lager ein Spannmittel zur Auslenkung eines Lagerbestandteils in eine Vorzugsposition und/oder ein Dämpfungsmittel zur Dämpfung von Stoßkräften aufweist. Als passive Spannmittel kommen beispielsweise Federelemente (etwa Dreh- und Torsi onsfedem für Drehlager oder Spiralfedern für Linearlager) in Frage. Geeignete Dämpfungsmittel sind beispielsweise Federelemente oder Gummipuffer, wobei Gummipuffer insbesondere als Lagerbüchsen oder als Lagereinsätze eingesetzt werden können, wenn hohe Dämpfungen oder zusätzliche Winkeltoleranzen ermöglicht werden sollen. Indem Spannmittel und Dämpfungsmittel Kraftspitzen auffangen können, für zusätzliche Bewegungsfreiheit sorgen und/oder Beckenauflageplatten automatisch in eine für ein Anlegen des Exoskeletts bzw. der Beckenauflageplatten vorteilhafte Vorzugsposition lenken, kann neben dem Tragekomfort auch die Handhabung des Beckenanbindungssystems weiter gesteigert werden. Da vorgeschlagene Spann- und Dämpfungsmittel außerdem einfach austauschbar sind, können die Spann- und Dämpfungsmittel auch für eine nutzerspezifische Anpassung des Beckenanbindungssystems eingesetzt werden, insofern einige Nutzer eine harte Beckenanbindung und andere Nutzer eher eine weiche Beckenanbindung bevorzugen werden.
Darüber hinaus ist es in vorteilhaften Abwandlungen der Erfindung möglich, Spannmittel nicht wie zuvor beschrieben nur passiv, sondern aktiv auszuführen oder um eine aktive Komponente (Stellmotor) zu ergänzen. Durch eine aktive Komponente kann beispielsweise ein Anlagedruck der Beckenauflageplatten insbesondere in Echtzeit geregelt und bspw. dynamisch an jeweils vorherrschende Belastungssituationen angepasst werden.
Um einen zulässigen Verstellbereich eines Lagers (Verstellweg im Falle eines Linearlagers, Schwenkwinkel im Falle eines Radiallagers) zu begrenzen, kann es zweckmäßig sein, einen Freiheitsgrad zu beschränken. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn das Hochachsen-Drehlager als Kipplager mit einem ersten Anschlag und einem zweiten Anschlag ausgebildet ist, so dass der zulässige Verstellbereich zwischen dem ersten Anschlag und dem zweiten Anschlag verläuft.
Durch einen definierten Anschlag kann zum einen eine haptische Rückmeldung an den Nutzer erfolgen, zum anderen können unsinnige Positionen der Beckenauflageplatten - z.B. eine Ausrichtung vis-ä-vis der Rückenplatte, in der ein Anlegen des Beckenanbindungssystems nicht möglich wäre - vermieden werden. Die Beckenauflageplatten können damit immer in einem Bereich gehalten werden, in dem ein sofortiges Einsteigen des Nutzers in das Beckenanbindungssystem möglich ist. Da ein manuelles Ausrichten der Beckenauflageplatten entfällt, können die Rüstzeiten weiter reduziert werden.
Der erste Anschlag kann einer offenen Stellung (Öffnungsstellung) und der zweite Anschlag einer geschlossenen Stellung (Verschlussstellung) des Beckenanbindungssystems zugeordnet sein. Unter einer offenen Stellung ist eine Position der Beckenauflageplatten zu verstehen, in der der Beckenanbindungssystem für einen Kopplungsvorgang bereit ist; unter einer geschlossenen Stellung ist eine Position zu verstehen, in der das Beckenanbindungssystem erfolgreich mit dem Becken eines Nutzers gekoppelt wurde.
Besonders bevorzugt ist, wenn das das Kipplager zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlag einen Winkel (Kippwinkel) von mehr als 15°, vorzugsweise mehr als 30°, besonders bevorzugt mehr als 45°, aber weniger als 65° überstreicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der erste und/oder der zweite Anschlag des Kipplagers als Rastmittel ausbildet und/oder umfassen ein Rastmittel zum lösbaren Fixieren der Beckenauflageplatten an dem ersten Anschlag (offene Stellung) und dem zweiten Anschlag (geschlossene Stellung). Undefinierte Zwischenstellungen können hierdurch ausgeschlossen werden. Die Stellung der Beckenauflageplatte ist (in Bezug auf das Kipplager) im Prinzip digital mit genau zwei möglichen Stellungen ausgebildet. Da die Stellungen wiederholbar gleichbleibend sind, wird eine Gewöhnung eines Nutzers an das Beckenanbindungssystem erleichtert. Außerdem kann ein unbeabsichtigtes Lösen des Beckenanbindungssystems, d.h. ein Übergang von der geschlossenen Stellung in die offene Stellung, vermieden oder zumindest erschwert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Rastmittel magnetisch ausgebildet sind. Bei den Rastmitteln könnte es sich um Stiftmagnete handeln, die in Flächen der Anschläge (Anschlagsflächen) eingelassen sind, und die Beckenauflageplatten feldkraftschlüssig halten. Die Beckenauflageplatten sind hierfür dann zumindest partiell ferromagnetisch ausgebildet oder um ferromagnetische Mittel ergänzt. Durch die Nutzung von magnetischen Rastmitteln kann auf kostengünstige Weise eine praktisch verschleißfreie und lösbare Fixierung mit hoher Standzeit realisiert werden, wobei zusätzlich die Haltekräfte des ersten und zweiten Anschlags über die Größe der Magnete (Remanenz) technisch vorteilhaft einstellbar sind. Andere Rastmechanismen, wie das Einrasten von federvorbelasteten Stiften oder elastisch verformbaren Vorsprüngen oder Noppen in entsprechende Mulden sind möglich.
Zusätzlich oder alternativ zu den Rastverbindungen kann an den Anschlägen auch eine mechanische Lösesicherung vorgesehen sein, so dass die Beckenauflageplatten nur bei entsprechender Betätigung der Lösesicherung von dem ersten respektive zweiten Anschlag gelöst werden können. Mit Lösesicherungen lassen sich besonders ausfallsichere Beckenanbindungssysteme umsetzen. Für eine gleichmäßigere Kraftverteilung kann es zweckmäßigerweise vorgesehen sein, wenn die Beckenauflageplatten über ein rückseitig verlaufendes Rückenband miteinander verbunden sind. Das Rückenband erstreckt sich vorzugsweise näherungsweise horizontal von der linken Beckenauflageplatte zu der rechten Beckenauflageplatte und ist integral mit den Beckenauflageplatten ausgeführt oder aber lösbar mit diesen verbunden. Über ein Rückenband können vor allem bei Hebebewegungen (Aufrichtbewegungen) von einem Exoskelett auf den Nutzer übertragenen Kräfte aufgefangen und großflächig verteilt werden. Ein Rückenband verhindert ferner zuverlässig ein rückseitiges Herausrutschen des Nutzers aus den Beckenauflageplatten. Im Gegensatz zu einer Verwendung von Hüftgurten, die mit ihren Schnallen und anderen Anbindungselementen wie Nieten (lokale Erhebungen) zu lokalen Druckpunkten und damit geringem Tragekomfort führen, kann dies mit der vorgeschlagenen Lösung vermieden werden.
Für eine Nutzeranpassung kann das Rückenband wie auch die Beckenauflageplatten in nutzerspezifi sehen Größen zur Verfügung gestellt werden. Es kann aus unelastischen, vollelastischen oder vorzugsweise teilelastischen Materialen gefertigt sein. Ein hoher Tragekomfort kann insbesondere auch dadurch realisiert werden, dass das Rückenband eine progressive Federkennlinie aufweist, so dass eine Krafteinleitung besonders sanft und schonend erfolgt.
Um eine einfache und schnelle Anpassbarkeit des Beckenanbindungssystems an unterschiedliche Nutzer zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Beckenauflageplatten lösbar, insbesondere über eine lösbare Presspassung (Übermaßpassung), mit dem restlichen Beckenanbindungssystem verbunden bzw. in dem Beckenanbindungssystem angeordnet sind. Dies gewährleistet zum einen eine rasche Anpassung des Beckenanbindungssystems an unterschiedliche Körperstaturen, z.B. durch die Verwendung von unterschiedlich großen Beckenauflageplatten, zum anderen befriedigt dies das Bedürfnis der Nutzer in Bezug auf zunehmend steigende Hygienestandards, die sich u.a. in Ekel und der Ablehnung von bereits von Dritten gebrauchten Beckenanbindungssystemen manifestieren.
Ein Beckenanbindungssystem kann in einer vorteilhaften Ausgestaltungsform folgende Bauteile umfassen: ein linkes und ein rechtes Adapterstück, ein linkes und ein rechtes Kippwellenstück sowie einen linken und einen rechten Ausleger. Die linken bzw. rechten Bauteile sind bevorzugt wie folgt untereinander verbunden: Der Ausleger ist an einem Beckenrahmen des Exoskeletts befestigt bzw. befestigbar; das Adapterstück ist lösbar und drehfest mit der Beckenauflageplatte verbunden; das Adapterstück ist über eine Stiftwelle mit einem Ende des Kippwellenstücks verbunden; das Kippwellenstück umfasst einen Zylindervorsprung (Kippwelle), der in einer Führungsbuchse (Lagerloch) des Auslegers translatorisch und rotatorisch gelagert ist. Dies ermöglicht einen konstruktiv einfachen Aufbau mit einem hohen Funktionsumfang.
Unter einem anderen Aspekt der Erfindung wird außerdem ein Exoskelett vorgeschlagen, das ein vorbeschriebenes Beckenanbindungssystem aufweist. Das Exoskelett kann optional eine Rückenplatte mit einer Oberkörperanbindung, insb. einem Brustgeschirr, einem starren Beckenrahmen mit einem lateral links bzw. rechts angeordneten Hüftaktuator zum Einleiten von Drehkräften, und eine Oberschenkelanbindung umfassen. Die Hüftaktuatoren können aktiv in Form von Elektromotoren oder auch passiv in Form von hydraulischen Federspeichern (Luftfedem) und/oder mechanischen Federn (z.B. Torsionsfedern) ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Beckenanbindungssystem zur Anpassung an einen Nutzer seitlich verstellbar, insbesondere manuell oder motorisch verstellbar, ausgeführt. Durch eine Seitenverstellung können Krafteinleitungspunkte nahe an den Körper des Nutzers verlegt und damit eine direkte Kraftleitung erzielt werden. Ferner kann die Spurweite des Exoskeletts, d.h. die effektive Breite des Exoskeletts, minimiert werden. Dies verbessert zum einen die Mobilität in beschränkten Raumverhältnissen wie engen Gassen in einem Lager, zum anderen wird hierdurch die Drehmasse (Massenträgheitsmoment) reduziert und macht das Exoskelett dadurch wendiger.
Bevorzugt weist das Beckenanbindungssystem eine aktive Stelleinheit, etwa einen Elektromotor, zur automatischen Verstellung des Beckenanbindungssystems auf. Die Stelleinheit kann dabei vorzugsweise in Reaktion auf ein Nutzersignal (Auslöser) automatisch verstellt werden. Als Auslöser kann bspw. ein Kontaktschalter in der Rückenplatte des Exoskeletts eingesetzt werden, der betätigt wird, wenn ein Nutzer rückwärts an die Rückenplatte herantritt und beginnt, ein Brustgeschirr zu schließen. Andere Auslöser, etwa eine manuelle Betätigung eines Verstell Schalters, sind möglich. Das Nutzersignal kann außerdem Zielvorgaben für eine gewünschte Endstellung der Seitenanpassung umfassen. Diese Zielvorgaben können beispielsweise in einem Speicher des Exoskeletts hinterlegt sein und über Schnellbelegungstasten am Exoskelett abgerufen werden, oder über eine vorzugsweise drahtlose Kommunikationsschnittstelle (Bluetooth, NFC, WLAN) von einem mobilen Endgerät oder einer anderen Identifikationseinheit (RFID-Chip) an das Exoskelett übertragen werden.
Durch eine motorisch unterstütze Seitenverstellung kann die Rüstzeit, d.h. die Zeit zum Anlegen des Exoskeletts drastisch reduziert werden. Außerdem kann der Nutzer während einer automatischen Seitenverstellung mit seinen Händen anderen Tätigkeiten, z.B. dem Schließen und Verzurren eines Brustgeschirrs, nachgehen.
In einer anderen, nicht minder vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind in den Beckenauflageplatten Kraftsensoren zur direkten Ermittlung der an den Beckenauflageplatten wirkenden Kräfte (Druck) integriert. Über die Kraftsensoren kann eine Seitenverstellung bis auf einen gewünschten Anlagedruck automatisch angesteuert werden. Die Kraftsensoren könnten jedoch auch nicht unmittelbar in den Beckenauflageplatten, sondern an anderer Stelle im Kraftweg zwischen den Beckenauflageplatten und der Rückenplatte angeordnet sein.
In einer hierzu alternativen und vorteilhaften Ausführungsform kann der Anlagedruck jedoch auch indirekt bestimmt werden, beispielsweise über an oder in dem Beckenbügel angeordneten Dehnmessstreifen (die bei Kenntnis der Gesamtsteifigkeit des Beckenrahmens einen Rückschluss auf die effektiv wirkenden Kräfte an den Beckenauflageplatten zulassen) oder durch Messung des an der aktiven Stelleinheit (Elektromotor) der Seitenverstellung anliegenden Drehmoments durch z.B. einen Drehmomentsensor. Der Anlagedruck kann jedoch auch indirekt über die Strom- und/oder Spannungsaufnahme des Elektromotors der Seitenverstellung ermittelt werden. Hierdurch kann auf die Verwendung von zusätzlichen Sensoren (Drehmomentsensor, Dehnmessstreifen bzw. Kraftsensoren) und/oder auf die Ermittlung und Übermittlung von nutzerspezifi sehen Zielvorgaben (Endstellung) verzichtet werden.
Ein Schließen und Öffnen des Beckenanbindungssystems kann z.B. über eine manuell zu betätigenden Taster ausgelöst werden. Die Erfindung adressiert schließlich auch ein Verfahren zum Anlegen eines Exoskeletts über eine Beckenanbindung, wobei die Beckenanbindung lateral links bzw. rechts liegende und um eine Hochachse schwenkbare Beckenauflageplatten, die zwischen einer offen und einer geschlossenen Stellung schwenkbar sind, umfasst, und die Beckenauflageplatten zunächst in die offene Stellung geklappt sind, und bei Bewegung eines Trägers in die Beckenauflageplatten hinein die Becken des Trägers kontaktieren und in die geschlossene Stellung geklappt und vorzugsweise verrastet werden. Ein Nutzer kann sich hierdurch ohne Einsatz seiner Hände mit dem Exoskelett koppeln.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsformen und mit Verweis auf die beigefugten Figuren nachfolgend beispielhaft beschrieben, wobei die jeweiligen Ausführungen gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Beckenanbindungssystem, das erfindungsgemäße Exoskelett und das dazugehörige Verfahren gelesen werden können und sollen.
Dabei zeigen
Fig- 1 ein beispielhaftes Exoskelett aus dem Stand der Technik,
Fig- 2 ein Exoskelett mit einem erfindungsgemäßen Beckenanbindungssystem in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 2A das Exoskelett aus Fig. 2 mit ausgeblendetem Brustgeschirr,
Fig- 3 ein Beckenanbindungssystem,
Fig. 4 eine Explosionsdarstellung einer linken Seite des Beckenanbindungssystems gemäß Fig. 4,
Fig. 5 eine Baueinheit aus Beckenauflageplatten und Rückengurt,
Fig. 6A ein Exoskelett mit einem Beckenanbindungssystem in einer offenen Stellung, Fig. 6B ein Exoskelett mit einem Beckenanbindungssystem in einer geschlossenen Stellung,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Beckenanbindungssystems mit einem Längsschnitt (Fig. 7A) und einem Transversal schnitt (Fig. 7B) sowie
Fig. 8 Detailansichten des Längsschnitts gemäß Fig. 7A (Fig. 8A) und des Transversalschnitts gemäß Fig. 7B (Fig. 8B),
Fig. 9 ein Exoskelett mit seitlich verstellbaren Beckenbügeln, Fig. 10 Zustandsstandbilder für ein automatisiertes Anlegen des Exoskeletts aus Fig. 9 in einer Ausgangsstellung (Fig. 10A), während eines Anlegens (Fig. 10B) und nach dem Anlegen (Fig. IOC),
Fig. 11 eine erste schematische Darstellung für eine motorisierte Seitenverstellung sowie Fig. 12 eine zweite schematische Darstellung für eine motorisierte Seitenverstellung.
In Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Exoskelett gezeigt.
Das Exoskelett 1 A besteht aus einem im Wesentlichen einteiligen Grundgerüst 2, welches in eine starre Rückenplatte 3 und einen U-förmigen Beckenrahmen 4 unterteilt werden kann. An der Rückenplatte 3 ist ein Oberkörperanbindungssystems 5 in Form eines über Schnallen verschließbaren Brustgeschirrs 5A sowie einem Beckenanbindungssystem 6 in Form eines vollumfänglich umlaufenden Hüftgürtels 6A angeordnet, über die das Exoskelett 1A zur Übertragung von Kräften und Momenten mit einem Nutzer P mechanisch gekoppelt werden kann. Das Brustgeschirr 5 A sowie der Hüftgürtel 6A sind über Riemen und Gurte in der Länge einstellbar.
In dem Beckenrahmen 4 sind lateral außen jeweils elektromotorische Hüftaktuatoren 7L, 7R integriert, die an Ausgangswellen der Hüftaktuatoren 7L, 7R angebrachte Beinbügel 8L, 8R um eine Drehachse X in der Horizontalen verdrehen können. Endseitig sind an den Beinbügeln 8L, 8R jeweils eine Beinanbindung 9R, 9L mit die Oberschenkel des Nutzers umschließenden Beingurten 9A-L bzw. 9A-R angeordnet. Über die Aktuatoren 7L, 7R kann hierdurch ein aufrichtendes Drehmoment zwischen den Beinanbindungen 9L, 9R und dem Grundgerüst 2 bzw. den Oberschenkeln und dem Oberkörper des Nutzers übertragen werden.
Zum Anlegen des in Fig. 1 gezeigten Exoskeletts 1A muss ein Nutzer das Brustgeschirr 5A, den Hüftgürtel 6 A sowie die linken und rechten Beingurte 9A-L und 9 A-R jeweils einzeln schließen und anschließend festzurren. Die Rüstzeit zum Anlegen des Exoskeletts liegt dabei bei etwa 2 bis 3 Minuten. Ein zügiges An- und Ablegen des Exoskeletts und insb. ein bedarfsgerechtes An- und Ablegen bei einem häufigen Wechsel der Tätigkeiten des Nutzers ist damit praktisch nicht umsetzbar.
Gerade bei zierlich gebauten Nutzem ist die Beckenanbindung 6 außerdem lateral sehr weit von dem Beckenrahmen 2 entfernt, was eine nur unzulängliche Kraftübertragung vor allem bei Drehmomenten um die Hochachse zur Folge hat. Die Kraftübertragung zwischen dem Exoskelett 1A und dem Nutzer ist in diesem Fall indirekt, spielbehaftet und insgesamt schwammig und kann zu einer verzögerten Reaktion des Exoskeletts 1A auf vom Nutzer initiierte Bewegungen führen. Eine Nutzerunterstützung erfolgt daher oftmals ungenau und erst zeitverzögert.
Eine über die Gurte hinausgehende Verstellbarkeit in der Breite bietet das Exoskelett 1 A nicht. Der Beckenrahmen muss daher stets auf den breitest anzunehmenden Nutzer ausgelegt werden.
Um diese Nachteile auszugleichen oder zumindest zu verringern, schlägt die Erfindung u.a. Beckenanbindungssystem 10 sowie ein dazugehöriges Exoskelett 1B vor, wie es in den Fig. 2 und 2A gezeigt ist. In Fig. 2A ist das Exoskelett 1B dabei ohne Brustgeschirr 5A gezeigt.
Das Beckenanbindungssystem 10 verfügt über zwei im Wesentlichen starr ausgeführte Beckenauflageplatten 1 IL, 11R zur seitlichen Anlage an die Becken eines Nutzers P, die über Ausleger 12L, 12R mit einem Beckenrahmen 4 verbunden sind. An den Beckenauflageplatten 11L, 11R ist ein insb. in Fig. 2A ersichtliches Rückenband 13 jeweils endseitig befestigt und verläuft rückenseitig zur Anlage an eine untere Rückenpartie des Nutzers P. Das Beckenanbindungssystem 10 ersetzt den Hüftgurt 6A des Exoskeletts 1A.
Ansonsten ist das Exoskelett 1B vergleichbar zu dem Exoskelett 1A aufgebaut, so dass diesbezüglich auf die vorhergehenden Erläuterungen verwiesen wird.
Grundsätzlich sind der Kürze wegen auch in den nachfolgenden Figurenerläuterungen und Ausführungsbeispielen dabei gleiche oder vergleichbare Bauteile oder Baueinheiten mit gleichen oder vergleichbaren Bezugszeichen bezeichnet, so dass im Nachfolgenden bekannte Bauteile und Baueinheiten nicht jedes Mal erneut erläutert werden, sondern jeweils auf die vorstehenden Erläuterungen zu gleichen oder vergleichbaren Bauteilen oder Baueinheiten Bezug genommen werden kann.
In diesem Dokument verwendete Richtungsangaben und Lagebezeichnungen beziehen sich stets auf die in der Anatomie gebräuchlichen Richtungsangaben (Frontalebene, Sagittal ebene, Transversalebene und die dazugehörigen Richtungen). Fig. 3 zeigt das Beckenanbindungssystem 10 isoliert und in perspektivischer Darstellung. Gut zu erkennen ist dabei das nachfolgend noch näher beschriebene Lagersystem 14L und 14R, über die die Beckenauflageplatten 11L, 11R gegenüber den Auslegern 12L, 12R mit drei Freiheitsgraden T, RI und R2 gelagert sind. Das Lagersystem 14L, 14R lässt jeweils eine horizontale Bewegung in lateraler Richtung entlang der Horizontalachse H (Translation T), eine erste Rotation um die Horizontalachse H (Rotation RI) sowie eine zweite Rotation um eine Hochachse bzw. Vertikale V (Rotation R2) der Beckenauflageplatten 1 IL, 11R gegenüber den Auslegern 12L und 12R zu. Die Ausleger 12L und 12R sind über Anbindungspunkten 15L, 15R über geeignete Verbindungsmittel (Schrauben, Nieten) mit dem in Fig. 2 gezeigten Beckenrahmen 4 verbindbar.
In Fig. 4 ist eine linke Seite des Beckenanbindungssystems 10 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die rechte Seite des ist Beckenanbindungssystems 10 im Wesentlichen gleichlaufend ausgebildet, weshalb auf eine Darstellung derselben verzichtet werden kann. Für Detaildarstellungen wird auf die Schnittansichten der Fig. 8A und 8B gemäß der in den Fig. 7 angedeuteten Schnitte verwiesen.
Die Beckenauflageplatte 11L ist auf der einem Nutzer zugewandten Seite näherungsweise bogenförmig ausgebildet und weißt eine konkave Außenfläche 11L-1 auf, die mit einem lösbar fixierten Polster 16L versehen ist. Die konkave Wölbung der Außenfläche 11L-1 ist dabei ergonomisch an die Beckenform, insb. einen seitlichen Beckenkamm des Beckens, eines Nutzers angepasst. Das Polster 16L ist über einen hier nicht dargestellten Klettverschluss befestigt.
Auf der lateral außenliegenden Seite weist die Beckenauflageplatte 11L eine podestförmige Erhebung 11L-2 mit einer darin eingelassenen Aufnahmeraum 11L-3 auf, die sich in Richtung einer Horizontalen H erstreckt. Quer dazu erstreckt sich ein Schlitz 11L-4 von einer rückseitigen Begrenzung der podestförmigen Erhebung 11L-2 bis in den Aufnahmeraum 11L- 3. Durch den Schlitz 11L-4 kann eine endseitige Befestigungsplatte 13L-1 des Rückenbandes 13 in den Aufnahmeraum 11L-3 eingeführt und über eine Befestigungsschraube 13L-2 in dem Aufnahmeraum 11L-3 bzw. einer in dem Aufnahmeraum befestigten Gewindebuchse 11L-5, vgl. die Schnittdarstellungen der Fig. 8A und 8B, fixiert werden. Zur Gewichtsreduzierung ist die Beckenauflageplatte 11L-2 in einer Leichtbauweise hergestellt und besteht aus einem vorzugsweise vakuumgeformten Duromer. Die Beckenauflageplatten 11R und 11L sind damit im Wesentlichen eigenstabil und unverformbar.
In den Aufnahmeraum 11L-3 ist eine näherungsweise kreiszylindrisches Adapterstück 17L einsetzbar, das zur eindeutigen Lagefestsetzung in Bezug auf die Horizontalachse H eine Verdrehsicherungsfläche 17L-1 aufweist. Das Adapterstück 17L ist in den Aufnahmeraum 11L-3 im Wesentlichen formschlüssig gehalten, und durch eine leichte Übermaßpassung reibkraftschlüssig gegen Entnahme aus dem Aufnahmeraum 11L-3 gesichert.
Das Adapterstück 17L bildet zusammen mit einem über eine Stiftwelle 17L-2 drehbar in dem Adapterstück 17L gehaltenen Kippwellenstück 18L ein erstes, als Kipplager 14L-1 ausgeführtes Lager des Lagersystems 14L zur Drehung des Adapterstücks 17L um die Hochachse V, d.h. ein Hochachsen-Drehlager.
Das Adapterstück 17L sowie das Kippwellenstück 18L weisen an den gegenseitig zugewandten Enden vertikal durchgehende Bohrungen auf, durch welche die Stiftwelle 17L-2 geführt ist. Das Kippwellenstück 18L wird mit einem flanschartigen Ende 18L-1 dabei in einen Hohlraum 17L-3 des Adapterstücks 17L eingesetzt. Der Hohlraum 17L-3 des Adapterstücks 17L begrenzt dabei die maximale Verstellung bzw. Verdrehung des Kippwellenstücks 18L durch eine erste, vordere Anschlagsfläche 17L-31 und einen zweite, hintere Anschlagsfläche 17L-32 (s. Fig. 8B). In die Anschlagsflächen 17L-31 und 17L-32 sind jeweils Stiftmagnete 19L-1 und 19L-2 eingelassen, welche das flanschartige Ende 18L-1 des Kippwellenstücks 18L in der jeweiligen Anschlagsposition halten. Die Anschlagsposition an der vorderen Anschlagsfläche 17L-31 entspricht dabei einer Öffnungsstellung A (s. Fig. 6A) des Beckenanbindungssystems 10, und die Anschlagsposition an der hinteren Anschlagsfläche 17L-32 entspricht einer Verschlussstellung B (s. Fig. 6B) des Beckenanbindungssystems 10.
Von dem flanschartigen Ende 18L-1 des Kippwellenstücks lateral weg erstreckt sich eine im Querschnitt kreiszylindrische Kippwelle 18L-2, die gleitend in einem Lagerloch 12L-1 des Auslegers 12L aufgenommen wird. Endseitig wird die Kippwelle 18L-2 über einen an einer Unterlegscheibe 18L-4 anliegendem Sicherungsring 18L-3 gegen Entnahme aus dem Lagerloch 12L-1 gesichert. Die Kippwelle 18L-2 ist über eine Feder 20L gegenüber dem Ausleger 12L vorgespannt. Das Lagerloch 12L-1 und die Kippwelle 18L-2 bilden gemeinsam ein Dreh-Schiebelager aus, das die Funktion eines Schiebelagers und die Funktion eines Hochachsen-Drehlagers erfüllt, so dass die Kippwelle 18L-2 sowohl translatorisch (Verschiebung T) als auch rotatorisch entlang bzw. um die Horizontalachse H (Rotation RI) bewegt bzw. gedreht werden kann. Das Dreh- Schiebelager ist dem Lager system 14L zuzuordnen.
Für eine verringerte Lagerreibung in dem Hochachsen-Drehlager sowie in dem Dreh- Schiebelager sind die jeweiligen Reibkontaktflächen mit reibmindemden Gleitlagerbuchsen 21L-1 bis 21L-4 ausgestattet.
In einer figürlich nicht dargestellten Abwandlung des Dreh- Schiebelagers der Fig. 4 kann vorgesehen sein, einen geschlossenen Tauchraum zur Verfügung zu stellen, in dem ein Ende der Kippwelle 18-L2 während einer Translation eintauchen kann. Hierdurch kann neben einer Verletzungsgefahr, die durch das aus dem Lagerloch 12L-1 austretende Ende der Kippwelle 18L-2 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 bedingt ist, ausgeschaltet und zusätzlich eine ästhetische Anmutung verbessert werden. Der Tauchraum kann bspw. in einer Umkapselung des Lagerlochs 12L-1 bestehen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Kippwelle teleskopartig mit einem hohlen Außenzylinder und einem Innenzylinder auszuführen und das Linear- bzw. Schiebelager (Translation T) in die teleskopartig ausgeführte Kippwelle zu verlegen. In diesem Fall kann das Lagerloch 12L-1 des Auslegers lateral außen geschlossen ausgeführt sein, und übernimmt in Wechselwirkung mit der Kippwelle 18L-2 lediglich die Funktion eines Rotationslagers (Horizontal-Drehlager).
Fig. 5 zeigt eine vormontierte Baugruppe mit einer linken und einer rechten Beckenauflageplatte 1 IL, 11R und einem dazwischen angeordneten Rückenband 13, das - wie in Fig. 4 beschrieben - endseitig mit den Beckenauflageplatten 1 IL, 11R verbunden ist. Diese Baugruppe kann einfach und schnell ausgewechselt werden, indem die Beckenauflageplatten mit ihren respektiven Hohlräumen 17R-3 und 17L-3 (s. Fig. 4) auf die Adapterstücke aufgesteckt bzw. abgezogen werden.
Der Einsatz des dargestellten Beckenanbindungssystems 10 wird anhand der Fig. 6A und 6B verdeutlicht. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus wird dabei nur eine, die linke, Seite des Beckenanbindungssystems 10 stellvertretend für die linke und rechte Seite des Beckenanbindungssystems 10 beschrieben. Die Fig. 6A und 6B zeigen jeweils eine Draufsicht auf das Exoskelett 1B (ohne dargestelltes Brustgeschirr 5A), wobei in Fig. 6A die Beckenauflageplatte 11L über das linke Kipplager 14L- 1 in eine Öffnungsstellung A mit einem Winkel al von etwa 70° gekippt ist, d.h. dass die linke Kippwelle 18L-2 an der vorderen Anschlagsfläche 17L-31 anliegt, während in Fig. 6B die die Beckenauflageplatte 11L über das linke Kipplager 14L-1 jeweils in eine Verschlussstellung B mit einem Winkel a2 von etwa 90° gekippt ist, d.h. die linke Kippwelle 18L-2 an der hinterer Anschlagsfläche 17L-32 anliegt. Der Kippwinkel ß, d.h. die Winkel differenz zwischen der Öffnungsstellung A (Winkel al) und der Verschlussstellung B (Winkel a2) beträgt etwa 20°. Er könnte jedoch auch kleiner oder auch wesentlich größer, z.B. 45° gewählt werden.
Zum Anlegen des Exoskeletts 1B tritt ein Nutzer rückseitig in das in der Öffnungsstellung A (Fig. 6A) befindliche Beckenanbindungssystem 10 hinein, wobei das Exoskelett 1B hierzu beispielsweise auf einer Wandhalterung gehalten sein kann. Der Nutzer wird mit einem seitlichen Beckenabschnitt an die konkave Außenfläche 11L-1 und durch zusätzlichen Druck in rückwärtiger Richtung die Beckenauflageplatte 11L entgegen den Haftkräften des vorderen Stiftmagnetes 19L-1 in die Verschlussstellung B (Fig. 6B) kippen, wo das flanschartige Ende 18L-1 des Kippwellenstücks 18L dann feldkraftschlüssig von dem hinteren Stiftmagnete 19-2 gehalten wird. Während des Anlegeprozesses wird die Beckenauflageplatte 11L sich entgegen der Stellkräfte der Feder 20L außerdem lateral nach außen bewegen, und so einerseits passiv eine Anpassung des Beckenanbindungssystems 10 an die Breite des Nutzers und anderseits einen wohl definierten Anlagedruck der Beckenauflageplatten 11L, 11R an die Becken des Nutzers bewirken. Die Becken des Nutzers wird hierdurch ausreichend fest von den Beckenauflageplatten 11L, 11R umgriffen. Das Anlegen erfolgt in Sekundenschnelle und handlos. Das Beckenanbindungssystem eignet sich daher insbesondere auch für körperlich eingeschränkte Personen mit nicht voll funktionsfähigen Extremitäten.
Fig. 9 und Fig. 10A bis 10C zeigen die Ausbildung und Anwendung einer Stelleinheit zur Seitenverstellung eines nicht vollständig dargestellten Exoskeletts IC.
Das Exoskelett IC weist ein Rückenplatte 3‘ auf, das über ein nicht dargestelltes Oberkörperanbindungssystem mit einem Oberkörper eines Nutzers verbindbar ist, und an welchem seitlich links und rechts jeweils paarweise zwei Führungsstangen 4R-1, 4L-1 lateral hervorstehen. An den Führungsstangen 4R-1, 4L-1 sind ein linker bzw. rechter Beckenbügel 4L, 4R gleitend gelagert. Die gleitende Lagerung kann auch als Linearlager bezeichnet werden. Zusammen mit einem unteren Abschnitt der Rückenplatte 3‘ bilden die Beckenbügel 4L, 4R einen näherungsweise U-förmigen Beckenrahmen 4 aus. Wie zuvor sind auch hier lateral außen Hüftaktuatoren 7L und 7R lateral außen am Beckenrahmen 4 verbaut. An den Beckenbügeln 4L und 4R ist außerdem ein Beckenanbindungssystem 10 mit Beckenauflageplatten 1 IL, 11R zur Anlage an die seitliche Beckenpartie eines Trägers über Ausleger 12L, 12R befestigt. Über einen beispielsweise gemäß der Fig. 11 oder 12 ausgebildete Stelleinheit 30A bzw. 30B können die Beckenbügel 4L und 4R gegengleich nach außen bzw. innen verfahren werden, so dass hierüber eine Breitenanpassung (Seitenverstellung) des Grundgerüsts 2, genauer gesagt des Beckenrahmens 4, möglich wird. Das Beckenanbindungssystem 10 ist ansonsten analog den bisherigen Ausführungen aufgebaut und weist insb. die bereits beschriebenen Freiheitsgrade (T, RI, R2) auf.
Ein mögliches Einsatzszenario der Seitenverstellung ist in den Fig. 10A bis 10C wiedergegeben, wobei Fig. 10A eine Ausgangsstellung, Fig. 10B einen Zustand während der Kopplung und Fig. 10C einen Zustand nach erfolgter Kopplung darstellen. Das Exoskelett IC liegt in der Ausgangsstellung der Fig. 10A auf einer Wandhalterung 24 auf. Ein Nutzer tritt rückseitig in den Beckenrahmen 4 hinein und löst bspw. durch einen in der Rückenplatte 3‘ eingelassenen Kontaktschalter eine automatische Verstellung der Beckenbügel 4L und 4R aus. Die Beckenbügel 4L, 4R werden dann nach lateral innen verfahren (Translation T2), wobei sich die Beckenauflageplatten 1 IL, 11R mit zunehmend stärker werdendem Druck an die seitlichen Hüftpartien bzw. den linken und rechten Beckenkamm des Beckens des Nutzers anschmiegen (s. Pfeile T2 in Fig. 10B). Die Seitenverstellung wird gestoppt, wenn die Stromaufnahme eines in den Fig. 11 oder 12 dargestellten, elektrischen Stellmotors 17 einen voreingestellten Grenzwert, welcher ein Maß für den Anlagedruck ist, überschreitet. Das Exoskelett IC ist dann mit dem Nutzer ausreichend fest gekoppelt, so dass dieser das Exoskelett IC über die Beckenauflageplatten 31L, 31R aus der Wandhalterung 24 herausheben kann.
Mögliche Stelleinheiten für eine Seitenverstellung gemäß den Ausführungen der Fig. 9 und Fig. 10A bis 10C zeigend die Fig. 11 und 12.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 11 ist die Seitenverstellung 30A als Spindeltrieb ausgeführt. Sie umfasst einen Elektromotor 31, der über eine linke bzw. rechte Kupplung 32L, 32R mit einer rechtsgängigen bzw. linksgängigen Spindel 33L, 33R drehfest verbunden ist, und diese in Drehung versetzten kann, so dass in dem linken bzw. rechten Beckenbügel 4L, 4R drehfest gelagerte Spindelmuttem 34L, 34R eine translatorische Relativbewegung (Pfeile T2) der Beckenbügel 4L, 4R gegenüber der Rückenplatte 3‘ bewirken. Die Seitenverstellung (Endstellung) wird hierbei bspw. über einen direkt oder indirekt ermittelten Anlagedruck gesteuert. Die Seitenverstellung (Endstellung) könnte jedoch auch durch manuelle Ansteuerung des Elektromotors 31 oder über vorbelegte Tasten erfolgen.
In Fig. 12 ist eine Seitenverstellung 30B als Zahnstangentrieb ausgeführt, die sich dahingehend von der Ausführungsform der Fig. 11 unterscheidet, dass eine Seitenverstellung über ein von einem Elektromotor 31 angetriebenes Antriebsritzel 35 erfolgt, das über zwei Zahnstangen 37L, 37R mit einem oberen bzw. unteren Kopplungsgestänge 36L bzw. 36R mit den Beckenbügeln 4L bzw. 4R verbunden ist.
Die Erfindung ermöglicht kurze Rüstzeiten zum An- und Ablegen von Exoskeletten und einen erhöhten Tragekomfort durch verringerte Auflageflächen eines Beckenanbindungssystems sowie erhöhte Bewegungsfreiheit durch eine Lagerung der Auflagenflächen.
Bezugszeichenliste
1 A Exoskelett (Stand der Technik)
1B Exoskelett
IC Exoskelett
2 Grundgerüst
3 Rückenplatte
4 Beckenrahmen
4L Beckenbügel
4R Beckenbügel
4R-1 Führung
4L-1 Führung
5 Oberkörperanbindungssystems
5A Brustgeschirr
6 Beckenanbindungssystem (Stand der Technik)
6 A Hüftgürtel (Stand der Technik)
7L Hüftaktuator 7R Hüfiaktuator
8L Beinbügel
8R Beinbügel
9R Beinanbindung
9L Beinanbindung
9A-L Beingurt
9A-R Beingurt
10 Beckenanbindungssystem
11L Beckenauflageplatte
11L-1 konkave Außenfläche
11L-2 podestförmige Erhebung
11L-3 Aufnahmeraum
11L-4 Schlitz
11L-5 Gewindebuchse
11R Beckenauflageplatte
12L Ausleger
12L-1 Lagerloch
12R Ausleger
13 Rückenband
13L-1 Befestigungsplatte
13L-2 Befestigungsschraube
14L Lagersystem
14L-1 Kipplager
14R Lagersystem
15L Anbindungspunkte
15R Anbindungspunkte
16L Polster
16L Polster
17L Adapterstück
17L-1 Drehsicherungsfläche
17L-2 Stiftwelle
17L-3 Hohlraum
17L-31 vordere Anschlagsfläche 17L-32 hintere Anschlagsfläche
18L Kippwellenstück
18L-1 flanschartiges Ende
18L-2 Kippwelle
18L-3 Sicherungsring
18L-4 Unterlegscheibe
19-1 Stiftmagnet
19-2 Stiftmagnet
20L Feder
21L Gleitbuchse
24 Wandhalterung
30A Stelleinheit (Seitenverstellung)
3 OB Stelleinheit (Seitenverstellung)
32L Kupplung
32R Kupplung
33L Spindel
33R Spindel
34L Spindelmutter
34R Spindelmutter
35 Antriebsritzel
36L Kopplungsgestänge
36R Kopplungsgestänge
37L Zahnstange
37R Zahnstange al Winkel (Öffnungsstellung A) a2 Winkel (Verschlussstellung B) ß Kippwinkel
H horizontale Drehachse (Horizontalachse)
V vertikale Drehachse (Hochachse)
T Translationsrichtung
T2 Translationsrichtung (Seitenverstellung)

Claims

Ansprüche
1. Beckenanbindungssystem (10) für ein Exoskelett (1) mit einem Beckenrahmen (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Beckenanbindungssystem (10) eine lateral links bzw. rechts angeordnete im Wesentlichen steife Beckenauflageplatte (1 IL, 11R) zur Anlage an das Becken eines Nutzers umfasst, die mit dem Beckenrahmen (4) verbunden ist.
2. Beckenanbindungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beckenauflageplatten (11L, 11R) beweglich gegenüber dem Beckenrahmen (4) gelagert sind.
3. Beckenanbindungssystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beckenanbindungssystem (10) ein Lagersystem (14L, 14R) mit wenigstens einem Freiheitsgrad (T, RI, R2) aufweist, das eine Relativbewegung zwischen der Beckenauflageplatte (1 IL, 11R) und dem Beckenrahmen (4) zulässt, wobei der eine Freiheitsgrad in einer translatorischen Relativbewegung in lateraler Richtung (T), einer rotativen Relativbewegung um eine Vertikale (R2) oder in einer rotativen Relativbewegung um eine lateral ausgerichtete Drehachse (RI) in einer Transversalebene oder einer Überlagerung dieser Freiheitsgrade besteht.
4. Beckenanbindungssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagersystem ein Schiebelager, ein Hochachsen-Drehlager und/oder ein Horizontal- Drehlager umfasst.
5. Beckenanbindungssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Lager ein Spannmittel (20L) zur Auslenkung eines Lagerbestandteils in eine Vorzugsposition und/oder ein Dämpfungsmittel zur Dämpfung von Stoßkräften aufweist. Beckenanbindungssystem (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hochachsen-Drehlager als Kipplager (14L-1) mit einem ersten Anschlag (17L-31) und einem zweiten Anschlag (17L-32) ausgebildet ist, wobei der erste bzw. zweite Anschlag (17L-31; 17L-32) einer offenen Stellung (A) und einer geschlossenen Stellung (B) des Beckenanbindungssystems (10) zugeordnet sind. Beckenanbindungssystem (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kipplager (14L-1) zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlag (17L-31; 17L-32) einen Winkel von mehr als 15°, vorzugsweise mehr als 30°, besonders bevorzugt mehr als 45°, überstreicht. Beckenanbindungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kipplager (14L-1) an dem ersten und/oder zweiten Anschlag (17L-31; 17L-32) ein vorzugsweise magnetisch ausgebildetes Rastmittel (19L-1; 19L-2) aufweist, über die das Kipplager (14L-1) in der ersten respektive zweiten Stellung (A; B) gehalten werden kann. Beckenanbindungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beckenauflageplatten (11L, 11R) über ein rückseitig verlaufendes Rückenband (13) miteinander verbunden sind. Beckenanbindungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beckenauflageplatten (11L, 11R) lösbar, insbesondere über eine lösbare Presspassung, in dem Beckenanbindungssystem (10) angeordnet sind. Beckenanbindungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beckenanbindungssystem (10) ein linkes bzw. rechtes Adapterstück (17L), ein linkes bzw. rechtes Kippwellenstück (18L) sowie einen linken bzw. rechten Ausleger (12L; 12R) umfasst, wobei das Adapterstück (17L) lösbar und drehfest mit der Beckenauflageplatte (1 IL, 11R) verbunden ist, das Adapterstück (17L) über eine Stiftwelle (17L-2) mit einem Ende (18L-1) des Kippwellenstücks (18L) verbunden ist, das Kippwellenstück (18L) eine Kippwelle (18L-2) umfasst, die in einem Lagerloch (12L-1) des Auslegers (12L) translatorisch (T) und rotatorisch (RI) gelagert ist und wobei der Ausleger (12L) mit dem Beckenrahmen (4) verbunden ist.
12. Exoskelett (IB, IC) mit einem Beckenanbindungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, optional umfassend eine Rückenplatte (3) mit einem Brustgeschirr (5A), einem starren Beckenrahmen (4) mit einem lateral links bzw. rechts angeordneten Hüftaktuator (7L, 7R) zum Einleiten von Drehkräften, und einer Oberschenkelanbindung (9L, 9R).
13. Exoskelett (IB, IC) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beckenanbindungssystem (10) zur Anpassung an einen Träger seitlich verstellbar (T), insbesondere motorisch verstellbar (T2), ist.
14. Exoskelett (IB, IC) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Beckenanbindungssystem (10) eine aktive Stelleinheit (31) zur automatischen Verstellung des Beckenanbindungssystems (10) umfasst, welches in Reaktion auf ein Trägersignal automatisch verstellt wird.
15. Verfahren zum Anlegen eines Exoskeletts (IB, IC) über eine Beckenanbindung (10), wobei die Beckenanbindung (100) lateral links bzw. rechts liegenden und um eine Hochachse (V) schwenkbare Beckenauflageplatten (11L, 11R), die zwischen einer offen und einer geschlossenen Stellung (A; B) schwenkbar sind, umfasst, wobei die die Beckenauflageplatten (11L, 11R) zunächst in die offene Stellung (A) geklappt sind, und bei Bewegung eines Trägers in die Beckenauflageplatten (1 IL, 11R) hinein das Becken des Trägers (P) kontaktieren und in die geschlossene Stellung (B) geklappt und vorzugsweise verrastet werden.
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