DE102016223575A1

DE102016223575A1 - Gerät zur Erfassung und Führung einer von einer Person durchzuführenden Bewegung

Info

Publication number: DE102016223575A1
Application number: DE102016223575.3A
Authority: DE
Inventors: Gert Fensel; Uwe Schmidt
Original assignee: Physiomed Elektromedizin AG
Current assignee: Physiomed Elektromedizin AG
Priority date: 2016-11-28
Filing date: 2016-11-28
Publication date: 2018-05-30

Abstract

Das Gerät (1) ist zur Erfassung und Führung einer von einer Person (2) durchzuführenden Bewegung bestimmt. Es hat ein Gestell (3) mit einem unteren und einem oberen Gestellrahmen (4, 5), eine an der Person (2) anzubringende Adaptereinheit (9), eine Antriebs- und Überwachungseinheit (37), und neun Seile (13 - 21), von denen jedes jeweils mindestens zwischen der Adaptereinheit (9) einerseits und dem unteren Gestellrahmen (4) oder dem oberen Gestellrahmen (5) andererseits verläuft, und von denen jedes eine Seilverbindung mit einer einstellbaren Verbindungslänge bildet. Die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) ist dazu ausgelegt, als Maß für eine von der Person (2) durchgeführte tatsächliche Bewegung die tatsächlichen Verbindungslängen aller Seilverbindungen sowie in jedem der Seile vorliegende tatsächliche Seilkräfte zu erfassen, die so erfasste tatsächliche Bewegung mit einer gewünschten Bewegung zu vergleichen, und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Verbindungslängen der Seilverbindungen und die Seilkräfte nachzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Erfassung und Führung einer von einer Person durchzuführenden Bewegung.
Die Bewegung, die von der Person durchzuführen ist, kann dabei z.B. zum sportlichen Training oder auch zur medizinisch-therapeutischen Behandlung dieser Person dienen. Bei der Person kann es sich also insbesondere um einen Sportler, um einen Probanden oder um einen Patienten handeln.
Geräte zur Unterstützung, teils auch inklusive der Erfassung und Überwachung, von Bewegungen sind bereits in vielen unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Derartige Geräte werden nicht nur, aber insbesondere in Fitness-Studios und in physiotherapeutischen Einrichtungen verwendet.
In der DE 198 40 800 C1 ist beispielsweise ein Gerät zur Erfassung der Krafttätigkeit einzelner Muskelgruppen offenbart. Es hat mehrere an einem Gestell angeordnete höhenverstellbare Andrückelemente, die jeweils mit einer Kraftmesseinheit in Wirkverbindung stehen. Die jeweilige Kraftmesseinheit misst die auf die Andrückelemente ausgeübte Kraft. Bei diesem Gerät handelt es sich um ein reines Diagnose-System zur Bestimmung der isometrischen Kraft.
Weiterhin wird in der US 5,474,086 ein Gerät zur Kontrolle der Bewegung bzw. der Kraftaufwendung der Lendenwirbelsäule eines Patienten beschrieben. Es sind ein aufrecht stehendes Gestell und ein Boden mit einer rotierbaren Bodenplatte vorgesehen. Ein Patient ist relativ fest und mit eingeschränkter Bewegungsfreiheit in dem Gerät fixiert. Die Kraftmesseinrichtungen sind an ein Computerkontrollsystem angeschlossen, dessen Programm ausgelegt ist, um die Beweglichkeit des Patienten beispielsweise unter isokinetischen und isometrischen Bedingungen zu testen.
Die DE 10 2004 054 051 A1 offenbart ein Gerät zum Trainieren von Bewegungsabläufen und Gleichgewicht bei Kurvenlagen, wie sie beispielsweise beim Skilaufen auftreten. Das Trainingsgerät umfasst eine Bodenplatte mit Hauptverstrebungen und Halteelementen. Ein auf der Bodenplatte stehender Trainierender trägt einen Körpergurt, der in vier Richtungen z.B. mittels Gummizügen mit den Halteelementen verspannt ist. Eine Diagnose oder eine Verlaufskontrolle der Bewegungen des Trainierenden gestattet dieses Trainingsgerät nicht.
In der DE 10 2005 051 674 A1 wird ein Gerät zum Muskeltraining beschrieben, bei dem eine Gegenkraft nicht über Gewichte bereit gestellt wird, sondern über einen Elektromotor, der eine entgegen der vom Trainierenden über die Extremitäten aufgebrachten Leistung gerichtete Gegenleistung aufbringt. Das Trainingsgerät hat einen Gestellrahmen sowie eine mit einem Ausgang eines Elektromotors verbundene Seilzuganordnung mit zwei Griffen. Mit dem Trainingsgerät sind weitgehend freie Bewegungen der Extremitäten möglich. Nicht vorgesehen sind dagegen auch bei diesem Gerät eine Diagnose oder eine Verlaufskontrolle der Bewegungen des Trainierenden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gerät der eingangs bezeichneten Art mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Eigenschaften anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gerät entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 angegeben. Das erfindungsgemäße Gerät hat ein Gestell mit einem unteren und einem oberen Gestellrahmen, eine an der Person anzubringende Adaptereinheit, eine Antriebs- und Überwachungseinheit sowie neun Seile, von denen jedes jeweils mindestens zwischen der Adaptereinheit einerseits und dem unteren Gestellrahmen oder dem oberen Gestellrahmen andererseits verläuft, und von denen jedes eine Seilverbindung mit einer einstellbaren Verbindungslänge bildet. Die Antriebs- und Überwachungseinheit ist dabei dazu ausgelegt, als Maß für eine von der Person durchgeführte tatsächliche Bewegung die tatsächlichen Verbindungslängen aller Seilverbindungen sowie in jedem der Seile vorliegende tatsächliche Seilkräfte zu erfassen, die so erfasste tatsächliche Bewegung mit einer gewünschten Bewegung zu vergleichen, und in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Verbindungslängen der Seilverbindungen und die Seilkräfte nachzustellen.
Es wurde erkannt, dass Seilverbindungen zwischen dem Gestellrahmen bzw. der insbesondere geregelten Antriebs- und Überwachungseinheit einerseits und der Person bzw. der an der Person angebrachten Adaptereinheit andererseits im Hinblick auf die Realisierung von freien Bewegungsabläufen erheblich besser geeignet sind als grundsätzlich ebenfalls denkbare mechanisch starre Verbindungen. Seilverbindungen behindern freie Bewegungsabläufe deutlich weniger als starre Verbindungen. Andererseits lassen sich über Seilverbindungen nur Zug(gegen)kräfte aufbringen und übertragen, nicht jedoch Druck(gegen)kräfte, die beim Arbeiten oder Trainieren mit dem Gerät ebenfalls auftreten können bzw. benötigt werden. Um auch Druck(gegen)kräfte in beliebiger Richtung „nachbilden“ zu können, hat das Gerät eine vergleichsweise hohe Zahl an Seilverbindungen, nämlich neun Stück. Insbesondere ist die Zahl der vorhandenen Seilverbindungen größer als die Anzahl der mechanischen Freiheitsgrade, von welchen es insgesamt sechs gibt, nämlich drei translatorische und drei rotatorische. Jede dieser Seilverbindungen ist insbesondere zwischen der Adaptereinheit und einem Seil- oder Einzelantrieb der Antriebs- und Überwachungseinheit gebildet.
Mittels der Antriebs- und Überwachungseinheit sind vorzugsweise sowohl die insbesondere jeweils aktuell, d.h. zum jeweiligen Auswerte- oder Berechnungszeitpunkt, vorliegenden tatsächlichen Verbindungslängen und die in jeder der Seilverbindungen ebenfalls insbesondere jeweils aktuell vorliegenden tatsächlichen Seilkräfte erfassbar, als auch die einer gewünschten Bewegung entsprechenden Verbindungslängen jeder der Seilverbindungen individuell ermittelbar und ein- bzw. nachstellbar sowie für jede der Seilverbindungen eine der gewünschten Bewegung entsprechende Antriebsseilkraft ermittelbar und ein- bzw. nachstellbar. Diese durch die Antriebs- und Überwachungseinheit vorgenommenen Erfassungen, Ermittlungen und Einstellungen erfolgen insbesondere laufend während des gesamten Bewegungsvorgangs. Die zugehörigen Auswerte- und Berechnungsschritte wiederholen sich vorzugsweise zyklisch und beispielsweise im zeitlichen Abstand von höchstens 1ms. Vorzugsweise weist die Antriebs- und Überwachungseinheit eine Steuerungsuntereinheit, eine Regelungsuntereinheit und insbesondere neun an die Regelungsuntereinheit angeschlossene Einzelantriebe, z.B. in Form von Elektromotoren, auf.
Vorteilhafterweise ermöglicht das Gerät, einen praktisch beliebigen dreidimensionalen Bewegungsablauf einer mit dem Gerät arbeitenden oder trainierenden Person zu erfassen und auch zu führen. Der Bewegungsablauf kann dabei praktisch ausschließlich entsprechend der Trainings- oder Therapieziele vorgegeben werden, ohne dass Begrenzungen durch das Gerät zu berücksichtigen sind. Bevorzugt hat das Gerät eine vorteilhafte mehrdimensionale (und insbesondere dreidimensionale), dynamische (und insbesondere isokinetische) Kraftleistung-Diagnostik. Die Anwendung erfolgt während der Bewegung. Insbesondere ist das Gerät ein isokinetisches Test- und Trainingsgerät. Es hat bezüglich der Diagnose (Erfassung) und der Führung von Bewegungsabläufen eine außergewöhnliche Flexibilität, die so bei bisherigen Geräten nicht gegeben ist. Das Gerät eignet sich insbesondere sehr gut zur Diagnose der dreidimensionalen Beweglichkeit einer beispielsweise durch Erkrankung oder Verletzung beeinträchtigten Person, aber zusätzlich auch zur Therapierung einer solchen Person, also zur Durchführung von Reha-Training mit vorzugsweise ebenfalls dreidimensionalen Bewegungsabläufen.
Die gewünschte Bewegung ist insbesondere vorgebbar. Sie kann beispielsweise mittels einer Eingabeeinheit direkt in das Gerät eingegeben und in einem Bewegungs-Speicher hinterlegt werden. Alternativ kann sie aber auch mittels einer Datenverbindung in den Bewegungs-Speicher des Geräts eingelesen werden. Dementsprechend kann das Gerät also vorzugsweise mit einem Bewegungs-Speicher ausgestattet sein, in dem gewünschte Bewegungen bzw. gewünschte Bewegungsabläufe hinterlegt sind.
Die neun Seile sind insbesondere über am unteren oder am oberen Gestellrahmen oder an beiden Gestellrahmen angebrachte Umlenkstellen geführt. Bevorzugt verbindet jedes der neun Seile die Adaptereinheit mit einer der insbesondere als Einzelantriebe ausgeführten Antriebskomponenten der Antriebs- und Überwachungseinheit. Insbesondere dadurch, dass die Seile nach oben oder unten zu dem betreffenden Gestellrahmen geführt sind, steht genügend freier Raum zur Verfügung, innerhalb dessen die Person die gewünschte weitgehend beliebige dreidimensionale Bewegung durchführen kann, ohne durch die Seilverläufe behindert zu werden. Vorzugsweise sind der untere und obere Gestellrahmen übereinander und um mehr als eine typische Körpergröße, insbesondere um mehr als 2,00 m und insbesondere um weniger als 3,00 m, vorzugsweise um einen Wert zwischen 2,20 m und 2,50 m, höchst bevorzugt um etwa 2,40 m, voneinander beabstandet angeordnet. Zischen dem unteren und dem oberen Gestellrahmen ist somit insbesondere ein freier Bewegungsraum vorhanden, innerhalb dessen die gewünschte Bewegung erfolgen kann.
Außerdem zeichnet sich das Gerät dadurch aus, dass die verwendeten Seilverbindungen im Fehlerfall mit einem niedrigeren Verletzungsrisiko einhergehen als starre Verbindungen. Hinzu kommt, dass sich eine mit dem Gerät arbeitende oder trainierende Person durch die Seilverbindungen weniger eingeengt oder eingesperrt fühlt, als dies bei Verwendung starrer Verbindungen der Fall wäre. Dadurch steigt die Akzeptanz des Geräts bei der anwendenden Person.
Insgesamt ist durch das Gerät vorteilhafterweise eine beliebige dreidimensionale tatsächliche Bewegung der Person erfassbar, und außerdem eine beliebige dreidimensionale gewünschte Bewegung der Person führbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Geräts ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
Günstig ist eine Ausgestaltung, bei der der obere Gestellrahmen eine größere Fläche, insbesondere eine um 10% bis 30% größere Fläche, umschließt als der untere Gestellrahmen. Dadurch ergibt sich für eine das Gerät benutzende Person im Bereich des Oberkörpers eine größere Bewegungsfreiheit. Grundsätzlich können die beiden Gestellrahmen aber auch gleich groß sein. Bei Bedarf können die am unteren und oberen Gestellrahmen jeweils vorhandenen und insbesondere normalerweise in Verlängerung einer jeweiligen Antriebswirkungslängsachse platzierten Umlenkstellen für die Seile in ihrer jeweiligen Position verändert werden, um auch bei hinsichtlich der Erfassung und/oder Führung besonders anspruchsvollen Bewegungen, wie z.B. einer Rumpfrotation, das durch die Körperanatomie bestimmte maximale Bewegungsausmaß realisieren zu können. Insbesondere können die am unteren Gestellrahmen vorhandenen Umlenkstellen versetzt zu den am oberen Gestellrahmen vorhandenen Umlenkstellen platziert sein.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Adaptereinheit als ein an einer Körperregion der Person anzulegender Adapterring ausgestaltet oder weist einen solchen Adapterring auf. Insbesondere ist die Adaptereinheit zur Anlage am Rumpf oder an einer der Extremitäten (Arm oder Bein) ausgebildet. Bevorzugt ist der Adapterring mehrteilig und hat insbesondere mindestens zwei lösbar zusammensetzbare Ringteile. Dies erleichtert und beschleunigt das An- und Ablegen der Adaptereinheit. Der Adapterring ermöglicht die Festlegung definierter Messpunkte für die Erfassung und Führung der Bewegungsabläufe. Insbesondere stimmen diese Messpunkte mit den Anlenkpunkten für die Befestigung der Seile am Adapterring überein. Die Seile lassen sich in einfacher Weise am Adapterring befestigen, beispielsweise mittels am Adapterring angebrachter Befestigungshaken, -ösen oder -schlaufen. Weiterhin hat der Adapterring vorzugsweise eine hohe Steifigkeit, so dass er Kräfte von den Seilen auf den Körper der Person und/oder umgekehrt im Wesentlichen verlustfrei übertragen kann. Der Adapterring ist außerdem insbesondere sehr kompakt und hat nur ein geringes Volumen, so dass er im angelegten Zustand die Bewegungsfreiheit der Person nicht oder zumindest nicht wesentlich einschränkt. Weiterhin ist das Gewicht des Adapterrings vorteilhafterweise niedrig, wodurch auch die Massenträgheit niedrig gehalten wird. Vorzugsweise ist der Adapterring mit zur Anlage an der Person bestimmten Anlagekomponenten ausgestattet. Die Anlagekomponenten können insbesondere flexibel und/oder gepolstert und/oder in ihrer Position und/oder Form veränderbar sein. Es liegt eine günstige Funktionstrennung vor. Während der Adapterring zur definierten Einbindung in das Erfassungssystems des Geräts, insbesondere zur fixen und definierten Verbindung mit den Seilen, bestimmt ist, dienen die Anlagekomponenten zur individuellen Anpassung an die Anatomie der Person. Insbesondere können die Anlagekomponenten die unterschiedlichen anatomischen Gegebenheiten verschiedener das Gerät nutzender Personen ausgleichen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind an der Adaptereinheit zwischen drei und sechs voneinander beabstandete Befestigungsstellen für die neun Seile vorhanden, wobei diese Befestigungsstellen über eine Umfangsrichtung der Adaptereinheit gesehen bevorzugt im Wesentlichen gleich verteilt angeordnet sind. Insbesondere sind drei solcher Befestigungsstellen vorhanden. Gemäß der Theorie zur Stewart-Plattform (Hexapod) lässt sich eine freie Bewegung im Raum mittels dreier Anlenkpunkte (entsprechend den oben genannten Befestigungsstellen) besonders gut und sehr effizient realisieren.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Adaptereinheit als ein an einer Körperregion der Person anzulegendes Adaptergurtgeschirr ausgestaltet oder weist ein solches Adaptergurtgeschirr auf. Auch mittels eines solchen Adaptergurtgeschirrs lassen sich definierte Messpunkte für die Erfassung und Führung der Bewegungsabläufe festlegen. Außerdem hat es ein reltiv geringes Gewicht und ist bequem an- und abzulegen sowie zu tragen. Das Adaptergurtgeschirr gestattet weiterhin einen weitgehend uneingeschränkten oder unbeeinträchtigten Bewegungsablauf. Eine das Adaptergeschirr tragende Person wird durch das Adaptergeschirr kaum oder praktisch gar nicht in ihrer durchzuführenden Bewegung gestört.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung sind drei der Seile entweder zum oberen Gestellrahmen oder zum unteren Gestellrahmen und die anderen sechs Seile zum jeweils anderen Gestellrahmen geführt. Die Zuführung von drei Seilen von oben und von drei Seilen von unten resultiert aus der Vorgabe von vorzugsweise drei Befestigungsstellen an der Adaptereinheit. Die verbleibenden drei Seile, die nur dazu da sind, die bei Seilen generell - und dementsprechend auch bei den ersten sechs Seilen - nicht gegebene Druckkraftübertragung zu realisieren bzw. nachzubilden, können entweder von oben oder von unten zugeführt werden. Eine Aufteilung dieser drei Zusatzseile, mit einer Zuführung von z.B. zwei Seilen von oben oder unten und dem dritten Seil von der anderen Seite ist technisch zwar grundsätzlich möglich, aber nicht sinnvoll, da es eine aufwändigere Umsetzung zur Folge hätte. Die Zuführung der drei Zusatzseile von oben bietet technische Vorteile, insbesondere bei der Erfassung/Führung einer Rumpfbewegung der Person, da dann bei einer starken Rumpfbeugung vorteilhafterweise insgesamt sechs von oben zugeführte Seile zur Verfügung stehen, die den abgewinkelten Rumpf der Person halten und führen können. Dagegen ist die Zuführung der drei Zusatzseile von unten für die Person angenehmer, da sie dann weniger in der Bewegungsfreiheit ihres Oberkörpers beeinträchtigt ist. Die Anbringung der Seile am oberen und unteren Gestellrahmen erfolgt ebenfalls jeweils über drei in Umfangsrichtung insbesondere in etwa gleich verteilt voneinander beabstandete Umlenkstellen, wobei vorzugsweise drei Doppelumlenkstellen für jeweils zwei Seilverbindungen mit dementsprechend zwei eng beieinander liegenden Einzelseilumlenkungen vorhanden sind. Insbesondere können die am unteren Gestellrahmen vorhandenen Umlenkstellen in Umfangsrichtung versetzt zu den am oberen Gestellrahmen vorhandenen Umlenkstellen platziert sein. Bevorzugt ist der Versatz so, dass in Umfangsrichtung gesehen einer Umlenkstelle am unteren Gestellrahmen eine Umlenkstelle am oberen Gestellrahmen folgt und umgekehrt, wobei ein Umfangswinkelversatz zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten aber an unterschiedlichen Gestellrahmen angeordneten Umlenkstellen jeweils in etwa gleich groß ist.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung hat das Gerät eine Personenfixierungseinheit, die dazu ausgelegt ist, die Person so zu fixieren, dass die Person nur teilweise, und insbesondere nur in einem gewünschten Maß oder Umfang, bewegungsfrei ist. Insbesondere kann die Personenfixierungseinheit Fußschlaufen haben oder einen Stuhl oder ein stuhlähnliches Element aufweisen, wobei die letzteren beiden jeweils mit Fixierungsgurten ausgestattet sind. Alternativ kann die Personenfixierungseinheit auch eine komplexere Einspannvorrichtung mit mehreren Fixierstellen haben, die z.B. eine Fixierung des Unterkörpers der Person ermöglicht. Die Personenfixierungseinheit erleichtert die exaktere Durchführung einer gewünschten Bewegung. Aufgrund der durch sie bewirkten Teilfxierung der das Gerät benutzenden Person wird insbesondere vermieden, dass an der gewünschten Bewegung eigentlich unbeteiligten Körperpartien fälschlicherweise mit bewegt werden. Insbesondere kann die Personenfixierungseinheit mechanisch fest mit dem Gestell verbunden sein. Dadurch erreicht man eine sehr genaue und wohl definierte Positionierung der Person innerhalb des Gestells und auch des Geräts insgesamt. Optional kann die Personenfixierungseinheit mit einem Sensor, insbesondere einem Kraftsensor, ausgestattet sein, der bevorzugt dazu ausgelegt ist, die Kraft oder das Drehmoment, die bzw. das die Person auf die Personenfixierungseinheit ausübt, zu erfassen, und dessen Sensorausgang vorzugsweise an die Antriebs- und Überwachungseinheit angeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist eine gesonderte zweite Überwachungseinheit vorhanden, die zur Überwachung der Bewegung der Person ausgelegt ist und bei Erkennen einer Abnormalität in der Bewegung der Person oder einer Überlastung der Person eine Notabschaltung, insbesondere zumindest einer Seilantriebsleistung, veranlasst. Die gesonderte zweite Überwachungseinheit kann beispielsweise eine Kamera, Lichtvorhänge und/oder auf der Adaptereinheit angebrachte fernabfragbare Bewegungssensoren aufweisen. Bevorzugt ist auch die Antriebs- und Überwachungseinheit dazu ausgelegt, bei Erkennen einer Abnormalität in der Bewegung der Person oder einer Überlastung der Person eine Notabschaltung vorzunehmen. Durch die gesonderte Überwachungseinheit ist insofern aber eine die Sicherheit erhöhende Redundanz gegeben.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Antriebs- und Überwachungseinheit dazu ausgelegt, auch Veränderungen der Verbindungslängen aller Seilverbindungen in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen tatsächlicher Bewegung und gewünschter Bewegung nachzustellen. Bei den Veränderungen der Verbindungslängen aller Seilverbindungen handelt es sich insbesondere um (Seil-)Geschwindigkeiten. Diese können dabei insbesondere entweder direkt erfasst werden oder indirekt ermittelt bzw. berechnet werden, beispielsweise durch die Bildung der ersten zeitlichen Ableitung der jeweiligen der Verbindungslängen der Seilverbindungen. Aufgrund der zusätzlichen Berücksichtigung der (Seil-)Geschwindigkeiten lässt sich die Bewegung der Person noch besser erfassen und/oder führen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist in der Antriebs- und Überwachungseinheit eine Kraftregelung implementiert, so dass die Antriebs- und Überwachungseinheit die von der Person tatsächlich durchgeführte Bewegung in Abhängigkeit vom Vergleich mit der gewünschter Bewegung durch entsprechend nachgestellte Seilkräfte unterstützt oder abbremst. So lässt sich eine gewünschte Bewegung der Person sehr effizient führen.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist in der Antriebs- und Überwachungseinheit ein Berechnungsalgorithmus implementiert, der die zur Erreichung der gewünschten Bewegung insbesondere zu jedem Berechnungszeitpunkt ein- bzw. nachzustellenden Seilkräfte und/oder Verbindungslängen und/oder ggf. auch (Seil-)Geschwindigkeiten vorzugsweise als Sollwerte für einen insbesondere ebenfalls in der Antriebs- und Überwachungseinheit implementierten Regelungsalgorithmus unter Verwendung eines Berechnungskriteriums ermittelt, demzufolge die Seilkräfte den kleinst möglichen Wert, also insbesondere ein Minimum, annehmen. Das Berechnungskriterium der minimalen Seilkräfte kann sich dabei auf den Summenwert aller Seilkräfte und/oder auf jede einzelne Seilkraft beziehen. Im zuerst genannten Fall dient das Berechnungskriterium dazu, denjenigen Satz an Seilkräften zu ermitteln, der den minimalen Summenwert aller Seilkräfte aufweist. Im zweiten genannten Fall dient das Berechnungskriterium dazu, alle Seilkräfte so zu ermitteln, dass sie jeweils den minimalen Wert aufweisen. Insbesondere können die für beide Varianten des Berechnungskriteriums ermittelten Lösungen auch zusammenfallen, also identisch sein. Insbesondere ist der implementierte Berechnungsalgorithmus ein Simplex-Algorithmus. Mit einem derartigen Berechnungskriterium und insbesondere einem derartigen Algorithmus lässt sich vorteilhafterweise auch das Überbestimmungsproblem lösen, das sich aus dem Vorhandensein von neun Seilverbindungen mit neun Seilkräften (und damit neun Gleichungen) bei nur sechs zu bestimmenden Unbekannten entsprechend den sechs mechanischen Freiheitsgraden, nämlich den drei translatorischen und den drei rotatorischen Bewegungskomponenten, ergibt. Bevorzugt hat der in der Antriebs- und Überwachungseinheit implementierte Berechnungsalgorithmus ein Berechnungsintervall von höchstens 1 ms. Die ein- bzw. nachzustellenden Seilkräfte und/oder Verbindungslängen und/oder ggf. auch (Seil-) Geschwindigkeiten werden insbesondere in jedem Berechnungsintervall neu ermittelt oder aktualisiert. Dadurch ist die Antriebs- und Überwachungseinheit in der Lage, sehr rasch auf geänderte Bedingungen, beispielsweise auf Bewegungsänderungen, zu reagieren. Dies fördert zum einen den mit dem Gerät erzielbaren Trainings- oder Therapieeffekt und erhöht aber zugleich auch die Sicherheit. Sich abzeichnende für die das Gerät benutzende Person kritische Belastungssituationen können so sehr schnell erkannt und abgestellt werden.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist die Antriebs- und Überwachungseinheit als Elektromotoren ausgeführte Einzelantriebe zur individuellen Beeinflussung jeder der Seilverbindungen auf, und ist vorzugsweise dazu ausgelegt, elektrische Motorströme der Elektromotoren zu messen und mittels dieser gemessenen Motorströme die in den jeweils zugehörigen Seilverbindungen aktuell gegebenen Seilkräfte und damit insbesondere zumindest indirekt und in etwa die durch die Person in den jeweils zugehörigen Seilverbindungen hervorgerufenen Seilkräfte zu erfassen. Insbesondere ist jedes Seil mit einem der Einzelantriebe verbunden, beispielsweise auf eine durch den Einzelantrieb angetriebene Wickelrolle aufgewickelt. Dann kann der Einzelantrieb auch als Wickelantrieb verstanden werden. Vorzugsweise lassen sich mittels des Einzelantriebs die Verbindungslänge der mit diesem Seil gebildete Seilverbindung und insbesondere auch die Seilkraft, mit der diese Seilverbindung beaufschlagt ist, und insbesondere auch die (Seil-) Geschwindigkeit, mit der die Verbindungslänge dieses Seils verändert wird, ein- bzw. nachstellen. Die Einzelantriebe beaufschlagen die zugehörigen Seilverbindungen also insbesondere mit der jeweils benötigten Zugkraft. Die Einzelantriebe können beispielsweise als elektrische Linearmotoren oder als elektrische Rotationsmotoren ausgeführt sein. Anhand des jeweiligen gemessenen Motorstroms der Elektromotoren kann ohne weiteres die Seilkraft in der zugehörigen Seilverbindung ermittelt werden. Diese gesuchte Kraft ist insbesondere direkt proportional zu dem Motorstrom. Letzteres gilt vorzugsweise für elektrische Linearmotoren. Aber auch bei anderen Typen von Elektromotoren besteht ein bekannter und damit auswertbarer Zusammenhang zwischen dem Motorstrom und der vom Elektromotor hervorgerufenen Kraftwirkung. Entsprechend dem physikalischen Prinzip „actio = reactio“ ist die vom Einzelantrieb in der zugehörigen Seilverbindung hervorgerufene (Antriebs-)Seilkraft betragsmäßig zumindest im Wesentlichen gleich der Kraft, mit der die das Gerät benutzende Person aufgrund ihrer tatsächlichen Bewegung an dieser Seilverbindung zieht. Die von der Person in den Seilverbindungen hervorgerufenen (Personen-)Seilkräfte sind also problemlos aus den (Antriebs-) Seilkräften und damit aus den gemessenen Motorströmen zu ermitteln.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist die Antriebs- und Überwachungseinheit neun Kraftmesseinheiten auf, von denen jede jeweils einer der Seilverbindungen zugeordnet ist und die in der zugeordneten Seilverbindung gegebene Seilkraft ermittelt. Die so ermittelten in den Seilverbindungen bzw. in deren Seilen jeweils tatsächlich vorliegenden Seilkräfte dienen als Maß für die von der Person tatsächlich durchgeführte Bewegung. Insbesondere sind die Kraftmesseinheiten als Seilkraft-Sensoren ausgeführt, die eine direkte Kraftmessung in den Seilverbindungen durchführen, die also insbesondere die an den Seilverbindungen angreifenden oder darin herrschenden Seilkräfte direkt erfassen. Alternativ oder ergänzend können die Kraftmesseinheiten aber auch dazu ausgelegt sein, die jeweilige Seilkraft indirekt über einen elektrischen Motorstrom des zugehörigen Elektromotors zu ermitteln, also die jeweilige Seilkraft indirekt mittels einer Motorstromerfassung zu bestimmen. Die Antriebs- und Überwachungseinheit ist insbesondere zu einer Seilkraft-Überprüfung ausgelegt. Dabei wird vorzugsweise auch überprüft, ob die an den Seilverbindungen angreifenden oder darin herrschenden Seilkräfte eine untere Schwellkraft unterschreiten. Bei Unterschreiten der unteren Schwellkraft veranlasst die Antriebs- und Überwachungseinheit die Beaufschlagung der betreffenden Seilverbindung mit einer Mindest-Seilkraft. So wird sichergestellt, dass alle Seile stets zumindest etwas gespannt sind. Andernfalls könnte es zu lose verlaufenden Seilen kommen, die die Bewegung der Person beeinträchtigen und im ungünstigsten Fall sogar ein Verletzungsrisiko darstellen könnten. Im Zusammenhang mit der Seilkraft-Überprüfung kann bevorzugt auch überprüft werden, ob die an den Seilverbindungen angreifenden oder darin herrschenden Seilkräfte eine obere Schwellkraft überschreiten. Ist dies der Fall, wird in der betreffenden Seilverbindung die Seilkraft durch eine entsprechende Nachstellung reduziert, indem beispielsweise die Vorgabe für die Seilkraft verringert wird. Dadurch wird verhindert, dass das Seil der betreffenden Seilverbindung überlastet wird und im ungünstigsten Fall sogar reißt. Außerdem dient die Obergrenze für die Seilkräfte in Form der oberen Schwellkraft auch der Sicherheit der das Gerät benutzenden Person. Die untere Schwellkraft und die obere Schwellkraft können außerdem insbesondere weitere Berechnungskriterien (oder Randbedingungen) des bevorzugt in der Antriebs- und Überwachungseinheit implementierten Berechnungsalgorithmus sein, der die zur Erreichung der gewünschten Bewegung insbesondere zu jedem Berechnungszeitpunkt einzustellenden Seilkräfte und/oder Verbindungslängen und/oder ggf. auch (Seil-)Geschwindigkeiten vorzugsweise als Sollwerte für einen insbesondere ebenfalls in der Antriebs- und Überwachungseinheit implementierten Regelungsalgorithmus ermittelt.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung weist die Antriebs- und Überwachungseinheit neun Positionsmesseinheiten auf, von denen jede jeweils einer der Seilverbindungen und/oder insbesondere einem der Einzelantriebe bzw. Elektromotoren zugeordnet ist. Die Antriebs- und Überwachungseinheit ist insbesondere dazu ausgelegt, anhand der Messergebnisse der Positionsmesseinheiten die jeweilige Verbindungslänge der zugeordneten Seilverbindung zu ermitteln. Die so ermittelten tatsächlichen Verbindungslängen dienen als Maß für die von der Person tatsächlich durchgeführte Bewegung.
Gemäß einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist die Antriebs- und Überwachungseinheit dazu ausgelegt, von der tatsächlichen Bewegung der Person die Bewegungsanteile gemäß allen sechs mechanischen Freiheitsgraden zu ermitteln. Insbesondere erfolgt diese Ermittlung innerhalb jedes Berechnungsintervalls. Dadurch ist eine sehr gute Diagnose und Dokumentation der Beweglichkeit der das Gerät benutzenden Person möglich. Die Kenntnis aller Bewegungsanteile verbessert außerdem die Qualität der durch das Gerät bewerkstelligten Bewegungsführung. Anhand dieser Daten lässt sich die tatsächliche Bewegung der Person sehr gut mit der eigentlich gewünschten Bewegung vergleichen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Geräts zur Erfassung und Führung einer beliebigen dreidimensionalen Bewegung in einer perspektivischen Ansicht,
2 das Gerät gemäß 1 in einer Seitenansicht,
3 das Gerät gemäß 1 in einer Draufsicht von oben,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Adaptereinheit des Geräts gemäß 1 in Form eines Adapterrings und in einem am Rumpf der die Bewegung ausführenden Person angelegten Zustand,
5 den Adapterring gemäß 4 im nicht angelegten geschlossenen Zustand,
6 den Adapterring gemäß 4 im nicht angelegten geöffneten Zustand,
7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Adaptereinheit des Geräts gemäß 1 in Form eines Adapterrings und in einem am Arm der die Bewegung ausführenden Person angelegten Zustand,
8 den angelegten Adapterring gemäß 7 in einer vergrößerten Darstellung
9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Geräts zur Erfassung und Führung einer beliebigen dreidimensionalen Bewegung mit einer Adaptereinheit in Form eines Adaptergurtgeschirrs, und
10 ein Blockschaltbild einer Antriebs- und Überwachungseinheit der Geräte gemäß 1 und 9.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 10 mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch Einzelheiten der im Folgenden näher erläuterten Ausführungsbeispiele können für sich genommen eine Erfindung darstellen oder Teil eines Erfindungsgegenstands sein.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Geräts 1 zur Erfassung und Führung einer beliebigen dreidimensionalen Bewegung einer Person 2 perspektivisch dargestellt. In 2 und 3 ist das Gerät 1 in anderen Ansichten, nämlich in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht von oben, gezeigt. Mit dem Gerät 1 lässt sich eine praktisch beliebige dreidimensionale Bewegung der Person 2 diagnostizieren, so dass das Gerät 1 auch als ein Diagnose-Gerät verstanden werden kann. Zugleich ist es aber ebenso möglich, die Bewegung der Person 2 entsprechend einem vorgebbaren, ebenfalls praktisch beliebigen dreidimensionalen Bewegungsablauf zu führen. Diese Bewegungsführung kann dabei zum Training oder auch zur Therapie, beispielsweise im Rahmen einer Reha-Maßnahme, vorgenommen werden. Sie dient dabei insbesondere einem Muskelaufbau oder einer Verbesserung der Beweglichkeit. Insofern kann das Gerät 1 auch als Trainings-, Reha- oder Therapie-Gerät verstanden werden.
Das Gerät 1 weist ein Gestell 3 mit einem unteren Gestellrahmen 4 und einem oberen Gestellrahmen 5 auf. Die beim gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen kreisringförmig ausgeführten Gestellrahmen 4 und 5 sind zumindest in etwa konzentrisch übereinander angeordnet. Sie sind mittels dreier Gestellstützen 6 auf Abstand gehalten. Die Gestellstützen 6 haben eine Stützenlänge, die größer als eine typische Körpergröße ist. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Gestellstützen 6 eine Länge von etwa 2,20 m. Dadurch ist zwischen dem unteren Gestellrahmen 4 und dem oberen Gestellrahmen 5 ein freier Bewegungsraum 7 gebildet, innerhalb dessen die Person 2 ihre Bewegung vornehmen kann.
Das Gestell 3 umfasst außerdem drei Antriebssockel 8, von denen jeder in Umfangsrichtung des unteren Gestellrahmens 4 gesehen in etwa mittig zwischen zwei benachbarten Gestellstützen 6 auf dem unteren Gestellrahmen 4 platziert ist.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Gestellrahmen 4, 5 in etwa gleich groß. Sie umschließen eine etwa gleich große Fläche. Bei einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel kann der obere Gestellrahmen 5 eine größere Fläche umschließen als der untere Gestellrahmen 4.
Außer dem Gestell 3 weist das Gerät 1 eine Adaptereinheit 9 auf, die zur Anbringung an der Person 2 bestimmt ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 bis 3 ist diese Anbringung der Adaptereinheit 9 nur schematisch dargestellt. Details hierzu sind den in 4 bis 9 gezeigten konkreten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Die Adaptereinheit 9 ist vorzugsweise ringförmig ausgestaltet und hat in Umfangsrichtung drei gleichmäßig verteilt angeordnete und voneinander beabstandete Befestigungsstellen 10, 11, 12, an denen insgesamt neun Seile 13 bis 21 an der Adaptereinheit 9 fixiert sind. An jeder der Befestigungsstellen 10, 11, 12 sind drei der Seile 13 bis 21 angebracht, beispielsweise mittels entsprechender Befestigungsösen. Pro Befestigungsstelle 10, 11, 12 sind zwei der Seile 13 bis 21 an einer Oberseite und ein weiteres der Seile 13 bis 21 an einer Unterseite der ringförmigen Adaptereinheit 9 fixiert.
Die Seile 13 bis 21 bilden jeweils eine Seilverbindung zwischen der Adaptereinheit 9 und neun Wickelantrieben 22 bis 30. Jeder der Wickelantriebe 22 bis 30 hat einen Elektromotor 31 und eine daran angeschlossene Wickelrolle 32, welche über den zugehörigen Elektromotor 31 in beide Drehrichtungen gedreht werden kann, so dass das zugehörige der Seile 13 bis 21, das an dieser Wickelrolle 32 befestigt ist, je nach Drehrichtung der Wickelrolle 32 entweder auf- oder abgewickelt wird. Die drei Wickelantriebe 22, 23, 24 sind jeweils an einem der drei auf dem unteren Gestellrahmen 4 befindlichen Antriebssockel 8 montiert, wohingegen die übrigen sechs Wickelantriebe 25 bis 30 jeweils oben an den Gestellstützen 6 montiert sind. An jeder Gestellstütze 6 sind zwei dieser Wickelantriebe 25 bis 30 montiert, einer an der dem Bewegungsraum 7 zugewandten Innenseite und der zweite an der von dem Bewegungsraum 7 abgewandten Außenseite der betreffenden Gestellstütze 6.
Die durch die Seile 13 bis 21 gebildeten Seilverbindungen haben jeweils eine Umlenkung, die durch drei am unteren Gestellrahmen 4 und sechs am oberen Gestellrahmen 5 angeordneten Umlenkrollen 33 realisiert sind. Die Umlenkrollen 33 sind dabei an nach innen vorspringenden Fortsätzen 34 des unteren und des oberen Gestellrahmens 4 bzw. 5 montiert, wobei an den Fortsätzen 34 des oberen Gestellrahmens 5 jeweils zwei Umlenkrollen 33 und an den Fortsätzen 34 des unteren Gestellrahmens 4 nur jeweils eine Umlenkrolle 33 platziert sind bzw. ist. Jedes der Seile 13 bis 21 verläuft somit ausgehend von der Wickelrolle 32 des zugehörigen der Wickelantriebe 22 bis 30 über eine der Umlenkrollen 33 zu einer der Befestigungsstellen 10, 11, 12 an der Adaptereinheit 9. Die drei Seile 13, 14, 15 verlaufen ausgehend von der Adaptereinheit 9 nach unten in Richtung des unteren Gestellrahmens 4, die übrigen sechs Seile 16 bis 21 verlaufen dagegen ausgehend von der Adaptereinheit 9 nach oben in Richtung der des oberen Gestellrahmens 5.
Die Umlenkrollen 33 stellen für die durch die Seile 13 bis 21 gebildeten Seilverbindungen Umlenkstellen am unteren und oberen Gestellrahmen 4, 5 dar. Am oberen Gestellrahmen 5 sind zwei dieser Umlenkstellen aufgrund ihrer Anordnung am gleichen Fortsatz 34 eng benachbart zueinander platziert. Sie bilden jeweils eine Doppelumlenkstelle. Die drei so gebildeten Doppelumlenkstellen sind in Umfangsrichtung des ringförmigen oberen Gestellrahmens 5 im Wesentlichen gleich verteilt angeordnet. Das Gleiche gilt für die am ebenfalls ringförmigen unteren Gestellrahmen 4 angeordneten Einzelumlenkstellen, wobei die Doppelumlenkstellen am oberen Gestellrahmen 5 in Umfangsrichtung versetzt zu den Einzelumlenkstellen am unteren Gestellrahmen 4 angeordnet sind. Wie aus 3 ersichtlich, ist der Umfangswinkelversatz so gewählt, dass die Einzelumlenkstellen des unteren Gestellrahmens 4 in Umfangsrichtung jeweils in etwa mittig zwischen zwei Doppelumlenkstellen des oberen Gestellrahmens platziert sind. Dadurch ergibt sich zwischen einer Einzelumlenkstelle des unteren Gestellrahmens 4 und einer Doppelumlenkstelle des oberen Gestellrahmens 5 jeweils ein Umfangswinkelversatz von etwa 60°. Bei der Seilführung wird somit der an den beiden Gestellrahmen 4, 5 verfügbare Platz möglichst gleichmäßig ausgenutzt.
Um die Person 2 innerhalb des Bewegungsraums 7 an einer definierten Position zu fixieren, sind zwei Fußschlaufen 35 vorhanden, welche über eine Bodenstandplatte 36 fest mit dem unteren Gestellrahmen 4 und damit mit dem Gestell 3 insgesamt verbunden sind. Die Bodenplatte 36 und die daran angebrachten Fußschlaufen 35 können als Personenfixierungseinheit verstanden werden, mittels derer die Bewegungsfreiheit der Person 2 während einer innerhalb des Bewegungsraums 7 durchgeführten Bewegung eingeschränkt wird. Eine derartige Personenfixierungseinheit ist nicht zwingend erforderlich. Dies ist optional und kann in manchen Anwendungsfällen dazu beitragen, eine von der Person 2 durchzuführende Bewegung einfacher zu erfassen und/oder einfacher zu führen. Grundsätzlich gibt es auch andere Ausgestaltungen von Personenfixierungseinheiten. Eine alternative Ausgestaltung ist beispielsweise ein Stuhl, auf dem die Person 2 mit ihrem Unterkörper fixiert werden kann.
Die Wickelantriebe 22 bis 30 sind Bestandteile einer Antriebs- und Überwachungseinheit 37, die außerdem weitere Komponenten aufweist, insbesondere eine Ein-/Ausgabeeinheit 38 in Form eines Bedienterminals sowie einer Auswerte-/Ansteuereinheit 39. Die Komponenten der Antriebs- und Überwachungseinheit 37 sind miteinander verbunden, um einen Datenaustausch und/oder zumindest teilweise auch die Zufuhr von elektrischer Versorgungs-/Antriebsenergie zu realisieren. Diese Verbindungen können leitungsgebunden oder jedenfalls bei Datenverbindungen auch drahtlos als Funkverbindungen ausgestaltet sein. Aus Gründen der übersichtlicheren Darstellung sind in 1 bis 3 diese Verbindungen zwischen den Komponenten der Antriebs- und Überwachungseinheit 37 nicht mit eingetragen, selbst wenn diese leitungsgebunden ausgeführt sein sollten.
Die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 ermöglicht die Erfassung einer von der Person 2 durchgeführten tatsächlichen Bewegung. Außerdem kann sie die Bewegung der Person 2 nach einem entsprechenden Vergleich der erfassten tatsächlichen Bewegung mit einer vorgebbaren gewünschten Bewegung so führen, dass der von der Person 2 durchgeführte Bewegungsablauf der gewünschten Bewegung möglichst nahe kommt.
Um die tatsächliche Bewegung der Person 2 zu bestimmen, werden mittels der Antriebs- und Überwachungseinheit 37 die Verbindungslängen der durch die Seile 13 bis 21 gebildeten Seilverbindungen sowie die in jedem der Seile 13 bis 21 herrschenden Seilkräfte erfasst.
Zur Führung der Bewegung der Person 2 ermittelt die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 für jeden Zeitpunkt, d.h. für jedes zeitliche Berechnungsintervall, die für die gewünschte vorgegebene Bewegung erforderlichen Verbindungslängen der durch die Seile 13 bis 21 gebildeten Seilverbindungen sowie die in jedem der Seile 13 bis 21 hierzu einzustellenden Seilkräfte. Weiterhin veranlasst die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 durch eine entsprechende Ansteuerung der Wickelantriebe 22 bis 30 zum einen die Einstellung der so ermittelten Verbindungslängen und zum anderen eine Beaufschlagung der Seile 13 bis 21 mit den so ermittelten Seilkräften. Optional können zusätzlich auch die Seilgeschwindigkeiten, mit denen sich die Verbindungslängen verändern, mittels der Antriebs- und Überwachungseinheit 37 erfasst und eingestellt werden.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Antriebs- und Überwachungseinheit 37 des Geräts 1 anhand des Blockschaltbilds gemäß 10 näher beschrieben. In der Darstellung von 10 sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit von den insgesamt neun Seilen 13 bis 21 und neun Wickelantrieben 22 bis 30 jeweils nur eines bzw. einer schematisch abgebildet, nämlich das Seil 13 und der Wickelantrieb 22. Die nicht mit abgebildeten Seile 14 bis 21 und Wickelantriebe 23 bis 30 sind analog zu ergänzen, ebenso wie weitere Komponenten und Größen, die in 10 jeweils nur in einfacher Ausführung dargestellt sind.
Die Auswerte-/Ansteuereinheit 39 hat eine Steuerungsuntereinheit 39a sowie neun Regelungsuntereinheiten 39b in Form von Antriebsreglern, die jeweils einen der Wickelantriebe 22 bis 30 regeln.
Die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 hat als weitere Komponenten neun Seilkraft-Sensoren 13a sowie neun Seilpositionsmesser 13b, die jeweils einem der Seile 13 bis 21 der neun Seilverbindungen zur Person 2 zugeordnet sind und zur Erfassung der tatsächlichen aktuell in dem betreffenden Seil 13 vorliegenden Seilkraft F_ist und der tatsächlichen aktuellen Verbindungslänge s_ist der durch dieses Seil 13 gebildeten Seilverbindung bestimmt sind. Die so erfassten tatsächlichen Seilkräfte F_ist und tatsächlichen Verbindungslängen s_ist sind Eingangsgrößen der Steuerungsuntereinheit 39a sowie der Regelungsuntereinheiten 39b.
In der Steuerungsuntereinheit 39a werden diese Eingangsgrößen ggf. einer Koordinatentransformation unterzogen. In der Steuerungsuntereinheit 39a ist ein Berechnungsalgorithmus implementiert, der u.a. einen Vergleich zwischen einer anhand der (ggf. transformierten) Eingangsgrößen bestimmten tatsächlichen aktuellen Bewegung der Person 2 und einem in einem Speicher 39c der Steuerungseinheit hinterlegten (gewünschten) Bewegungsprofil anstellt, um auf Basis der Vergleichsergebnisse den Regelungsuntereinheiten 39b (ggf. rücktransformierte) Sollwert-Vorgaben zu machen. Der in der Steuerungsuntereinheit 39a implementierte Berechnungsalgorithmus enthält einen Teilalgorithmus, insbesondere einen Simplex-Algorithmus, anhand dessen aus den (ggf. transformierten) Eingangsgrößen F_ist und s_ist die tatsächliche aktuelle Bewegung bestimmt wird, wobei ein verwendetes Berechnungskriterium darin besteht, dass die Gesamtheit aller Seilkräfte in allen Seilen 13 bis 21 einen minimalen Wert annimmt. Weitere Randbedingungen können hinzukommen, beispielsweise Mindest- und Maximalwerte für die Seilkräfte in allen Seilen 13 bis 21. Eine solche Mindest-Seilkraft (untere Schwellkraft) sollte nicht unterschritten werden, um die Seile 13 bis 21 stets gespannt zu halten. Die Maximal-Seil (obere Schwellkraft) sollte nicht überschritten, um ein Reißen der Seile 13 bis 21 oder eine zu starke Belastung der Person 2 zu verhindern. Der Berechnungsalgorithmus wird in einer zentralen Recheneinheit 39d der Steuerungsuntereinheit 39a durchgeführt.
Die zentrale Recheneinheit 39d hat auch Zugriff auf den Speicher 39c, in dem das (gewünschte) Bewegungsprofil hinterlegt ist. Dieses (gewünschte) Bewegungsprofil kann entweder über die Ein-/Ausgabeeinheit 38 eingegeben oder bei Durchführung einer Musterbewegung abgespeichert worden sein.
Bei den an die Regelungsuntereinheiten 39b gelieferten Sollwert-Vorgaben handelt es sich zumindest um die Verbindungslängen-Sollwerte s_soll und die Seilkraft-Sollwerte F_soll. Optional können zusätzlich auch Seilgeschwindigkeits-Sollwerte v_soll vorgegeben werden. Aufgrund des optionalen Charakters sind diese Vorgaben im Blockschaltbild gemäß 10 nur mit gestrichelter Linienführung eingetragen.
Dementsprechend handelt es sich bei den Regelungsuntereinheiten 39b um an sich bekannte Kaskadenregler mit jeweils bis zu drei Führungsgrößen, nämlich den vorstehend genannten Sollwerten s_soll, F_soll und ggf. v_soll. Die Ausgänge dieser neun Kaskadenregler sind an die Elektromotoren 31 der Wickelantriebe 22 bis 30 angeschlossen. Die Kaskadenregler veranlassen ensprechend dem jeweiligen Regelungsresultat eine Strombeaufschlagung der Elektromotoren 31. Falls auch die Seilgeschwindigkeits-Sollwerte v_Soll mit berücksichtigt werden, können die tatsächlichen aktuellen Seilgeschwindigkeiten v_ist ohne weiteres in den Regelungsuntereinheiten 39b anhand einer zeitlichen Ableitung der tatsächlichen aktuellen Verbindungslänge s_ist ermittelt werden.
Gemäß einem nicht gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel können die tatsächlichen Seilkräfte F_ist anstelle direkt mittels der Seilkraft-Sensoren 13a auch indirekt mittels einer Messung der Motorströme der Elektromotoren 31 der Wickelantriebe 22 bis 30 bestimmt werden.
Weiterhin gibt es Ausführungsbeispiele, bei denen die Regelungsuntereinheiten 39b in baulicher Einheit mit den Wickelantrieben 22 bis 30 oder mit der Steuerungsuntereinheit 39a ausgeführt sind.
Die im Rahmen der Regelungsuntereinheiten 39b auch jeweils implementierte Kraftregelung bewirkt, dass die Bewegung der Person 2 bei erkanntem zu langsamen und/oder zu kraftlosen Agieren durch entsprechend nachgestellte Seilkräfte unterstützt wird, und umgekehrt bei erkanntem zu schnellen und/oder kräftigen Agieren durch entsprechend nachgestellte Seilkräfte abgebremst wird.
Da zur umfassenden Bewegungsführung außer Zugkräften, die ohne Weiteres über die Seilverbindungen übertragen werden können, manchmal auch Druckkräfte benötigt werden, sind insgesamt neun durch die Seile 13 bis 21 gebildeten Seilverbindungen vorhanden. Aufgrund dieser hohen Anzahl an Seilverbindungen ist es möglich, eine über diese Seilverbindungen auf die Person 2 einwirkende Kraftkonstellation so zu einzustellen, dass sie einer durch Beaufschlagung mit Druckkräften hervorgerufenen Kraftkonstellation entspricht. Die hohe Anzahl an Seilverbindungen ermöglicht also die Nachbildung einer solchen durch Druckkraft-Beaufschlagung hervorgerufenen Kraftwirkung. Andererseits führt die Verwendung von neun Seilverbindungen bei nur sechs mechanischen Bewegungsfreiheitsgraden in dem in der Auswerte-/Ansteuereinheit 39 implementierten Berechnungsalgorithmus zu einer Überbestimmung. Dieses Überbestimmungsproblem lässt sich jedoch z.B. durch Verwendung des bereits erwähnten Simplex-Algorithmus und des ebenfalls genannten Berechnungskriteriums der minimalen Summe aller Seilkräfte in allen Seilen 13 bis 21 lösen.
Die Auswerte-/Ansteuereinheit 39 kann außer den einzustellenden Seilkräften F_soll und den einzustellenden Verbindungslängen s_Soll auch die tatsächlich von der Person durchgeführte Bewegung mit ihren Bewegungsanteilen gemäß allen sechs mechanischen Freiheitsgraden ermitteln.
Die Bestimmung der Sollwerte s_Soll, F_Soll und optional v_Soll sowie gegebenenfalls auch die der Bewegungsanteile der tatsächlichen Bewegung erfolgt zyklisch während der gesamten Dauer des Bewegungsvorgangs. In der Auswerte-/Ansteuereinheit 39 ist hierzu ein Berechnungsintervall von beispielsweise jeweils einer Millisekunde vorgesehen.
Obwohl bereits die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 dazu ausgelegt ist, eine für die Person 2 kritische Belastungssituation zu erkennen und abzustellen, weist das Gerät 1 eine zusätzliche Überwachungseinheit mit einer in 1 lediglich schematisch mit abgebildeten Kamera 40 auf. Diese Kamera 40 beobachtet die von der Person 2 durchgeführte Bewegung ebenfalls. Sobald bei dieser zusätzlichen optischen Überwachung eine kritische Situation erkannt wird, wird die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 veranlasst, die über die Wickelantriebe 22 bis 30 erfolgende Kraftbeaufschlagung auf ein unkritisches Niveau zu reduzieren, oder eine Notabschaltung durchzuführen.
Insgesamt ermöglicht das Gerät 1 aufgrund der vorgesehenen neun Seilverbindungen und deren Einstellung durch die Antriebs- und Überwachungseinheit 37 die Erfassung weitgehend beliebiger dreidimensionaler Bewegungen der Person 2 und zusätzlich auch die Führung der Bewegung der Person 2, so dass die Bewegung zumindest weitgehend einem vorgebbaren Bewegungsablauf entspricht. Wie die Bewegungserfassung kann auch die Bewegungsführung vorteilhafterweise weitgehend beliebig im dreidimensionalen Raum erfolgen. Grenzen für die durchzuführende Bewegung sind weniger durch das Gerät 1, sondern vielmehr durch die anatomischen Gegebenheiten der Person 2 bestimmt.
Wie bereits erwähnt, sind in 4 bis 6 sowie 7 und 8 zwei Ausführungsbeispiele für im Rahmen des Geräts 1 einsetzbare Adaptereinheiten 9 gezeigt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 bis 6 ist ein Adapterring 41, der zur Anlage am Rumpf der Person 2 und dementsprechend auch primär zur Erfassung und Führung von Rumpfbewegungen der Person 2 bestimmt ist. Der Adapterring 41 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein zweigeteilter Aluminiumring, der trotz seines geringen Gewichts eine ausreichende mechanische Stabilität hat, um definierte Befestigungsstellen 10, 11, 12 für die Seile 13 bis 21 zu bilden. In 4 bis 6 sind die zur Bildung der Befestigungsstellen 10, 11, 12 vorgesehenen Befestigungsösen nicht mit abgebildet. Dargestellt sind nur Bohrungen 42, in denen die Befestigungsösen montiert werden können.
Die Zweiteilung des Adapterrings 41 in die Halbringe 43, 44 geht aus den Abbildungen gemäß 5 und 6 hervor. In 6 ist die geöffnete Stellung zum An- oder Ablegen des Adapterrings 41 gezeigt.
Der Adapterring 41 ist mit Anlagepolstern 45 ausgestattet, die zur Anlage an der Person 2 bestimmt sind. Die Position der Anlagepolster 45 ist veränderbar, so dass eine Anpassung an die Brustkorb- oder Rumpfanatomie der Person 2 möglich ist. Die translatorisch und rotatorisch veränderbare Positionierung der Anlagepolster 45 ist in 5 durch die Doppelpfeile 46 und 47 angedeutet. Die Anlagepolster 45 können entsprechend verschoben und/oder verkippt werden.
In 7 und 8 ist ein anderes Ausführungsbeispiel einer Adaptereinheit 9 ebenfalls in Form eines Adapterrings 48 gezeigt, wobei letzterer zur Führung und Erfassung einer Armbewegung der Person 2 bestimmt ist. Der Adapterring 48 ist mit einer Armschlaufe 49 und einer Handgelenksschlaufe 50 sowie mit einem Haltegriff 51 ausgestattet. Die Armschlaufe 49 ist am Ringelement des Adapterrings 48 befestigt, wohingegen zur Fixierung der Handgelenksschlaufe 50 eine Querstrebe 52 innerhalb des Adapterrings 48 vorhanden ist. Mittels der Armschlaufe 49, der Handgelenksschlaufe 50 und des Haltegriffs 51 kann der Adapterring 48 sicher und vor allem auch in definierter und reproduzierbarer Weise am Arm der Person 2 fixiert werden. Auch der Adapterring 48 hat Bohrungen 42, die zur Montage von Befestigungsösen und damit zur Bildung der Befestigungsstellen 10, 11, 12 bestimmt sind.
Abgesehen von den in 4 bis 6 und 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen gibt es noch andere Ausgestaltungen für die Adaptereinheit 9 des Geräts 1. Bei allen Varianten ist gewährleistet, dass die Bewegung der Person 2 nicht oder jedenfalls nicht maßgeblich beeinträchtigt wird. Außerdem sind jeweils die zur Fixierung der Seile 13 bis 21 benötigten Befestigungsstellen 10, 11, 12 vorhanden oder zumindest einfach montierbar. Diese Befestigungsstellen 10, 11, 12 bilden nämlich zugleich die Messpunkte zur Erfassung der von der Person 2 tatsächlich durchgeführten Bewegung.
Das in 9 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel eines Geräts 53 zur Erfassung und Führung einer beliebigen dreidimensionalen Bewegung unterscheidet sich von dem Gerät 1 gemäß 1 im Wesentlichen nur durch die Ausgestaltung der Adaptereinheit 9. Bei dem Gerät 53 ist die von der Person 2 anzulegende Adaptereinheit 9 als ein Adaptergurtgeschirr 54 in Form eines Brustgurtes ausgeführt. Wie der Adapterring 41 des Geräts 1 ist das Adaptergurtgeschirr 54 des Geräts 53 zur Anlage am Rumpf der Person 2 und dementsprechend auch primär zur Erfassung und Führung von Rumpfbewegungen der Person 2 bestimmt. Auch das Adaptergurtgeschirr 54 hat mehrere Befestigungsstellen, an denen die neun Seile 13 bis 21 fixiert sind. Die Befestigungsstellen, von denen in 9 beispielhaft fünf Stück, nämlich die Befestigungsstellen 55 bis 59, abgebildet sind, haben wiederum Befestigungsösen zur Anbringung der Seile 13 bis 21. Das Adaptergurtgeschirr 54 ist leicht. Es trägt sich sehr bequem, lässt sich aber dennoch fest und damit definiert am Rumpf der Person 2 anbringen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das Adaptergurtgeschirr 54 die Bewegungsfreiheit der Person 2 nicht maßgeblich beeinträchtigt.
Insgesamt bieten die Geräte 1 und 53 vielfältige Möglichkeiten zur Erfassung und Führung einer weitgehend beliebigen dreidimensionalen Bewegung. Anwendungen liegen dabei sowohl im sportlichen als auch im medizinisch-therapeutischen Bereich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19840800 C1 [0004]
US 5474086 [0005]
DE 102004054051 A1 [0006]
DE 102005051674 A1 [0007]

Claims

Gerät zur Erfassung und Führung einer von einer Person (2) durchzuführenden Bewegung, aufweisend a) ein Gestell (3) mit einem unteren und einem oberen Gestellrahmen (4, 5), b) eine an der Person (2) anzubringende Adaptereinheit (9), c) eine Antriebs- und Überwachungseinheit (37), und d) neun Seile (13 - 21), von denen jedes jeweils mindestens zwischen der Adaptereinheit (9) einerseits und dem unteren Gestellrahmen (4) oder dem oberen Gestellrahmen (5) andererseits verläuft, und von denen jedes eine Seilverbindung mit einer einstellbaren Verbindungslänge bildet, wobei e) die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) dazu ausgelegt ist, e1) als Maß für eine von der Person (2) durchgeführte tatsächliche Bewegung die tatsächlichen Verbindungslängen aller Seilverbindungen sowie in jedem der Seile vorliegende tatsächliche Seilkräfte zu erfassen, e2) die so erfasste tatsächliche Bewegung mit einer gewünschten Bewegung zu vergleichen, und e3) in Abhängigkeit von diesem Vergleich die Verbindungslängen der Seilverbindungen und die Seilkräfte nachzustellen.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Gestellrahmen (5) eine größere Fläche umschließt als der untere Gestellrahmen (4).
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptereinheit (9) als ein an einer Körperregion der Person (2) anzulegender Adapterring (41; 48) ausgestaltet ist oder einen solchen Adapterring (41; 48) aufweist.
Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapterring (41) mit zur Anlage an der Person bestimmte Anlagekomponenten (45) ausgestattet ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Adaptereinheit (9) zwischen drei und sechs voneinander beabstandete Befestigungsstellen (10, 11, 12) für die neun Seilverbindungen vorhanden sind.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaptereinheit (9) als ein an einer Körperregion der Person (2) anzulegendes Adaptergurtgeschirr (54) ausgestaltet ist oder ein solches Adaptergurtgeschirr (54) aufweist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass drei der Seile (13, 14, 15) entweder zum oberen Gestellrahmen (5) oder zum unteren Gestellrahmen (4) geführt sind und die anderen sechs Seile (16 - 21) zum jeweils anderen Gestellrahmen (4, 5) geführt sind.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Personenfixierungseinheit (35, 36), die dazu ausgelegt ist, die Person (2) so zu fixieren, dass die Person (2) nur teilweise bewegungsfrei ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gesonderte zweite Überwachungseinheit (40) vorhanden ist, die zur Überwachung der Bewegung der Person (2) ausgelegt ist und bei Erkennen einer Abnormalität in der Bewegung der Person (2) oder einer Überlastung der Person (2) eine Notabschaltung veranlasst.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) dazu ausgelegt ist, auch Veränderungen der Verbindungslängen aller Seilverbindungen in Abhängigkeit vom Vergleich zwischen tatsächlicher Bewegung und gewünschter Bewegung nachzustellen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Antriebs- und Überwachungseinheit (37) eine Kraftregelung implementiert ist, so dass die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) die von der Person (2) tatsächlich durchgeführte Bewegung in Abhängigkeit vom Vergleich mit der gewünschter Bewegung durch entsprechend nachgestellte Seilkräfte unterstützt oder abbremst.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) als Elektromotoren (31) ausgeführte Einzelantriebe (22 - 30) zur individuellen Beeinflussung der Seilverbindungen aufweist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) neun Kraftmesseinheiten (13a) aufweist, von denen jede jeweils einer der Seilverbindungen zugeordnet ist und die in der zugeordneten Seilverbindung gegebene Seilkraft ermittelt.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und Überwachungseinheit (37) neun Positionsmesseinheiten (13b) aufweist, von denen jede jeweils einer der Seilverbindungen zugeordnet ist.