DE102019135836A1

DE102019135836A1 - Exoskelett und Verbindungskonstruktion und Bewegungsverfahren

Info

Publication number: DE102019135836A1
Application number: DE102019135836.1A
Authority: DE
Inventors: Detlef Riemer; Michael Sanne; Robert Wedermann; Frank Schmidt
Original assignee: Htwk Leipzig Hochschule fur Technik Wirtsch und Kultur Leipzig; Htwk Leipzig Hochschule fur Technik wirtschaft und Kultur Leipzig
Current assignee: Htwk Leipzig Hochschule fur Technik Wirtsch und Kultur Leipzig; Htwk Leipzig Hochschule fur Technik wirtschaft und Kultur Leipzig
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-07-01

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Exoskelett (10) bereitgestellt, mit dem der Bewegungsablauf in Gelenken von Menschen und Tieren gezielt unterstützt werden kann. Das erfindungsgemäße Exoskelett (10) ist vor allem im Rahmen einer Rehabilitation hervorragend anwendbar. Insbesondere bei mehreren hintereinander angeordneten Gelenken, wie es bei Fingern der Fall ist, kann ein sehr gut kontrollierter Bewegungsablauf erfolgen, so dass eine Wiederherstellung des natürlichen Bewegungsraumes der Finger ermöglicht wird, die durch eine Kontrakturart eingeschränkt sind, wobei dennoch eine Überlastung von kranken Gelenken vermieden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Exoskelett nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Verbindungskonstruktion nach dem Oberbegriff von Anspruch 11 und ein Bewegungsverfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 12.
Exoskelette sind äußere Stützstrukturen für Organismen. Künstliche Exoskelette werden vor allem als Orthesen für Menschen und Tiere verwendet, um entsprechende Körperbereiche zu schützen oder auch den Bewegungsablauf zu unterstützen oder zu verstärken.
Es sind zwar auch schon Exoskelette bekannt, bei denen die Gelenke mit Servomotoren ausgerüstet sind und bewegt werden, allerdings sind solche Exoskelette sehr voluminös und können dadurch nur eingeschränkt für die Fingerrehabilitation verwendet werden. Außerdem sind diese durch ihren Mechanismus nur bedingt in der Lage, eine Kontrakturbehandlung durchzuführen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Exoskelett bereitzustellen, mit dem der Bewegungsablauf in Gelenken von Menschen und Tieren gezielt unterstützt werden kann. Dies soll vor allem im Rahmen einer Rehabilitation Anwendung finden. Insbesondere soll dabei bei mehreren hintereinander angeordneten Gelenken, wie es bei Fingern der Fall ist, ein kontrollierter Bewegungsablauf erfolgen, so dass eine Wiederherstellung des natürlichen Bewegungsraumes der Finger ermöglicht wird, die durch eine Kontrakturart eingeschränkt sind, wobei dennoch eine Überlastung von kranken Gelenken vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Exoskelett nach Anspruch 1, der erfindungsgemäßen Verbindungskonstruktion nach Anspruch 11 und dem erfindungsgemäßen Bewegungsverfahren nach Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den Figuren angegeben.
Erfinderseits wurde erkannt, dass diese Aufgabe in überraschender Art und Weise dadurch besonders einfach gelöst werden kann, wenn ein Antrieb bzgl. eines Gelenks des Exoskeletts, das zwei Teilabschnitte miteinander beweglich verbindet, an der Basis angeordnet ist, an der auch der eine Teilabschnitt angeordnet ist, wobei der Antrieb eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt einleitet. Dann können die Exoskelette sehr schlank ausgebildet werden, weil der Antrieb nicht mehr in dem Gelenk selbst angeordnet ist, wodurch auch die natürliche Bewegung der Glieder und Körpergelenke nicht eingeschränkt wird.
Das erfindungsgemäße Exoskelett, mit zumindest einem ersten Teil, der angepasst ist, zwei über ein erstes Körpergelenk mit einer Körpergelenkachse verbundene erste und zweite Glieder eines Menschen oder eines Tieres zu halten und zu bewegen, wobei der erste Teil einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der erste Teilabschnitt dem ersten Glied und der zweite Teilabschnitt dem zweiten Glied zugeordnet ist, wobei der erste Teilabschnitt an einer Basis des Exoskeletts angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt des ersten Teils über ein erstes Exoskelettgelenk, das eine Exoskelettgelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt des ersten Teils verbunden ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein erster Antrieb an der Basis angeordnet ist, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt des ersten Teils so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt des ersten Teils gegenüber dem ersten Teilabschnitt des ersten Teils um die Exoskelettgelenkachse des ersten Exoskelettgelenks des ersten Teils verschwenkt wird.
Das Exoskelett ist bevorzugt eine Orthese, die insbesondere für die Finger- und/oder Handrehabilitation einsetzbar ist. Die erfindungsgemäße Exoskelett ist aber auch für andere Glieder vorteilhaft einsetzbar, beispielsweise für den Arm mit dem Schulter-, dem Ellenbogen- und dem Handgelenk, sowie für die Beine mit dem Hüft-, dem Knie- und dem Fußgelenk.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein zweiter Teil besteht, der angepasst ist, zwei über ein zweites Körpergelenk mit einer Körpergelenkachse verbundene dritte und vierte Glieder des Menschen oder des Tieres zu halten und zu bewegen, wobei der zweite Teil einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der erste Teilabschnitt dem dritten Glied und der zweite Teilabschnitt dem vierten Glied zugeordnet ist, wobei der erste Teilabschnitt des zweiten Teils an der Basis des Exoskeletts angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt des zweiten Teils über ein erstes Exoskelettgelenk, das eine Exoskelettgelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt des zweiten Teils verbunden ist, wobei bevorzugt ein zweiter Antrieb an der Basis angeordnet ist, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt des zweiten Teils so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teilabschnitt des zweiten Teils um die Exoskelettgelenkachse des ersten Exoskelettgelenks des zweiten Teils verschwenkt wird. Dann können mehrere Gelenke unterschiedlicher Glieder des Menschen oder das Tieres gleichzeitig unterstützt und bewegt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Antrieb ein Linearantrieb ist. Dadurch kann die Krafteinleitung sehr kontrolliert und gezielt erfolgen. „Linearantriebe“ im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei vor allem Antriebe, die keine Rotationsbewegung einleiten, sondern eine Translationsbewegung, insbesondere im Sinne einer Schubbewegung.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Antrieb ein Antriebsmittel aufweist, wobei das Antriebsmittel an dem ersten Teilabschnitt angeordnet ist. Dadurch erfolgt die Krafteinleitung besonders kontrolliert und ermöglicht eine Bewegung auch wenn Gelenke zwischendurch „steif“ sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel eine Längserstreckung besitzt und in Längsrichtung nicht verformbar und in zumindest einer Richtung quer zur Längsrichtung verformbar, insbesondere elastisch verformbar ausgebildet ist. Dadurch erfolgt die Krafteinleitung ausschließlich durch eine Schubbewegung, wodurch die Krafteinleitung ebenfalls sehr kontrolliert erfolgt und eine Bewegung auch dann möglich ist, wenn zwischenliegende Gelenke steif sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel in Richtung parallel der Verschränkungsrichtung des Teils ein geringeres Biegewiderstandsmoment aufweist als quer zur Biegerichtung und quer zur Längsrichtung des Antriebsmittels. Dadurch erfolgt die elastische Verformung des Antriebsmittels gezielt nur in Verschränkungsrichtung. Um diese Biegemomentverteilung so einzustellen, kann das Antriebsmittel beispielsweise mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein, dessen Höhe geringer, bevorzugt kleiner gleich halb so groß, insbesondere kleiner gleich ein Viertel so groß wie die Breite ist, wobei die Breite quer zur Verschränkungsrichtung des Teils und die Höhe parallel zur Verschränkungsrichtung angeordnet ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel eine Gleit- oder Loslagerung aufweist. Dadurch lässt sich die Einleitung der Kraft durch eine Schubbewegung sehr einfach umsetzen. Außerdem kann die Kraft sehr einfach über ein oder mehrere Verschwenkungsstellen hinweg, beispielsweise in die Fingerspitzen eingeleitet werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel nur mit der Basis und einem Teilabschnitt fest verbunden ist, jedoch nicht mit zumindest einem, bevorzugt allen Exoskelettgelenken, die sich zwischen Basis und Teilabschnitt befinden. Dadurch kann eine Bewegung einzelner Körpergelenke auch dann erfolgen, wenn ein oder mehrere Körpergelenke in ihrer Bewegung gehemmt bzw. eingeschränkt sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel ein Schubband, einen Schubdraht, einen Schubzylinder, eine Schubkette oder dgl. ist. Dadurch lässt sich die Schubbwegung über das Exoskelettgelenk hinweg sehr einfach verwirklichen, wobei dennoch auch eine Zugbewegung ermöglicht wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Antriebsmittel in einer druckfesten Hülle verläuft, wobei die Hülle bevorzugt mit den Teilabschnitten des Teils fest verbunden ist, insbesondere fester Bestandteil der Teilabschnitte des Teils ist. Dabei könnte es sich beispielsweise um einen Bowdenzug oder dgl. handeln.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gleit- bzw. Loslagerung in einem Abstand zur Drehachse des Exoskelettgelenks verläuft. Dadurch werden die Biegeradien groß gehalten und es lässt sich die Verschwenkung der Exoskelettgelenke sehr kraftsparend durchführen, so dass ein Knicken des Antriebsmittels wirksam verhindert wird.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gleit- bzw. Loslagerung über jedem Exoskelettgelenk des Teils besteht und das Antriebsmittel nur an dem zweiten Teilabschnitt fixiert ist und an dem ersten Teilabschnitt antreibbar angeordnet ist. Dadurch erfolgt die Krafteinleitung so, dass alle Exoskelettgelenke verschwenkbar sind, ohne das einzelne Exoskelettgelenke andere blockieren können.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Abdeckmittel besteht, das den sich bei dem Verschwenken des einen Teilabschnitts gegenüber dem anderen Teilabschnitt um das dazwischen angeordnete Exoskelettgelenk ergebenden Spalt zwischen den beiden Teilabschnitten so überdeckt, dass ein Heraustreten des Antriebsmittel aus dem Spalt verhindert wird. Dadurch wird verhindert, dass das Antriebsmittel heraustritt und dadurch im Extremfall keine Kraft mehr übertragen werden kann. Außerdem wird ein Knicken des Antriebsmittels unterbunden, so dass das Exoskelett besonders langlebig ausgebildet ist. Ein solches Abdeckmittel kann als Schuppe oder dgl. bestehen, die an einem der beiden Teilabschnitte angeordnet ist. Das Abdeckmittel kann auch als Teil eines Handschuhs, das an dem Exoskelettkörper befestigt ist, bestehen. Oder das Abdeckmittel kann als flexibles Element, beispielsweise in Form eines Ziehharmonika-Abschnitts zwischen den beiden Teilabschnitten bestehen.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein dritter Teilabschnitt des Teils besteht, der zwischen dem ersten Exoskelettgelenk des Teils und dem zweiten Teilabschnitt des Teils angeordnet ist, wobei ein zweites Exoskelettgelenk des Teils zwischen dem dritten Teilabschnitt des Teils und dem zweiten Teilabschnitt des Teils angeordnet ist. Dadurch lassen sich beliebige Teilabschnitte sehr kontrolliert bewegen, wobei immer die Krafteinleitung in den vordersten Teilabschnitt erfolgt und die dazwischenliegenden Teilabschnitte zwangsbewegt werden. Diese Zwangsbewegung berücksichtigt allerdings die Widerstände in den einzelnen Gelenken, so dass es nicht zu einer Überlastung der Gelenke mit höheren Widerstand kommen kann, da immer erst die Gelenke mit geringerem Widerstand verschwenkt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Teilabschnitte des Teils und/oder die Exoskelettgelenke des Teils zumindest bereichsweise angepasst sind, die zugeordneten Glieder zumindest teilweise zu umfassen. Dadurch erfolgt eine sehr gute Abstützung der Glieder und zugeordneten Gelenke des Menschen oder das Tieres.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein Exoskelettgelenk eines Teils ein Exoskelettgelenk eines anderen Teils übergreift, wobei das Übergreifen bevorzugt durch einen Bügel erfolgt, wobei ein erstes Ende des Bügels an dem Exoskelettgelenk des einen Teils angeordnet ist und ein zweites Ende des Bügels in Bezug auf des Exoskelettgelenk des einen Teils hinter dem Exoskelettgelenk des anderen Teils gelenkig angeordnet ist, wobei das zweite Ende insbesondere an der Basis gelenkig angeordnet ist. Dadurch kann das Exoskelett bei mehreren parallel liegenden Gliedern, wie es z.B. bei Händen der Fall ist, sehr schlank bleiben und die Glieder können leicht unabhängig voneinander bewegt werden. Vorteilhaft ist dabei die Drehachse bzw. der Drehpunkt des entsprechenden Exoskelettgelenks so nach außen verschoben, dass der die Drehachse bzw. der Drehpunkt außerhalb der Hand aber dennoch auf der Gelenkachse des betreffenden Körpergelenks liegt, weil dann der natürliche Bewegungsablauf des Körpergelenks erhalten bleibt. Wenn das Exoskelettgelenk nur einseitig gelagert ist, dann bleibt eine Grundflexibilität gegenüber einem Seitwärtsverschwenken des Körpergelenks erhalten. Dies ist vor allem beim vollständigen Faustschluss der Finger erforderlich, weil dabei die Finger auf einer kreisähnlichen Bahn bewegt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Exoskelett so dimensioniert ist, dass die Exoskelettgelenkachse zumindest eines Exoskelettgelenks identisch mit der Körpergelenkachse eines dem Exoskelettgelenk zugeordneten Körpergelenks verläuft. Dadurch erfolgt die Krafteinleitung in die Gelenke sehr schonend und insbesondere ohne Scherbewegungen.
Die vorliegende Erfindung kann allerdings nicht nur im medizinischen Bereich für Exoskelette eingesetzt werden, sondern allgemein für beliebige Verbindungskonstruktionen, beispielsweise in der Robotik.
Unabhängiger Schutz wird daher beansprucht für die erfindungsgemäße Verbindungskonstruktion mit zumindest einem ersten Teil, der einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der erste Teilabschnitt an einer Basis angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt des ersten Teils über ein erstes Gelenk, das eine Gelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt des ersten Teils verbunden ist, die sich dadurch auszeichnet, dass ein erster Antrieb an der Basis angeordnet ist, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt des ersten Teils so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt des ersten Teils gegenüber dem ersten Teilabschnitt des ersten Teils um die Gelenkachse des ersten Gelenks des ersten Teils verschwenkt wird.
Für diese Verbindungskonstruktion sind sämtliche vorteilhaften Weiterbildungen hinsichtlich des Exoskeletts ebenfalls verwendbar, wobei jeweils „Gelenkachse“ mit „Exoskelettgelenkachse“ und „Gelenk“ mit „Exoskelettgelenk“ gleichzusetzen ist.
Außerdem wird unabhängiger Schutz beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zum Bewegen einer Verbindungskonstruktion mit zumindest einem ersten Teil, der einen ersten Teilabschnitt und einen zweiten Teilabschnitt aufweist, wobei der erste Teilabschnitt an einer Basis angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt des ersten Teils über ein erstes Gelenk, das eine Gelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt des ersten Teils verbunden ist, das sich dadurch auszeichnet, dass ein erster Antrieb an der Basis angeordnet wird, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt des ersten Teils so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt des ersten Teils gegenüber dem ersten Teilabschnitt des ersten Teils um die Gelenkachse des ersten Gelenks des ersten Teils verschwenkt wird.
Die Merkmale und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigen rein schematisch:

1 das erfindungsgemäße Exoskelett in einer perspektivischen Ansicht,
2 das erfindungsgemäße Exoskelett nach 1 in einer seitlichen Schnittansicht,
3 das erfindungsgemäße Exoskelett nach 1 in einer ersten Detailansicht A,
4 das erfindungsgemäße Exoskelett nach 1 in einer Draufsicht von oben,
5 das erfindungsgemäße Exoskelett nach 1 in einer Draufsicht von unten,
6 das erfindungsgemäße Exoskelett nach 1 in einer zweiten Detailansicht B,
7 das erfindungsgemäße Exoskelett nach 1 in einer dritten Detailansicht C und
8 das Exoskelett nach 1 in Zusammenwirkung mit einer menschlichen Hand in einer teilweisen Schnittansicht.

In den 1 bis 8 ist das erfindungsgemäße Exoskelett 10 in verschiedenen Ansichten gezeigt. 2 zeigt einen Schnitt. 3 zeigt das Detail A aus 2. 6 zeigt das Detail B aus 5 und 7 zeigt das Detail C aus 5, wobei das Exoskelett 10 in 5 und 8 der Übersichtlichkeit halber nicht vollständig gezeigt ist.
Das Exoskelett 10 wird als Orthese für Rehabilitation der Hand (nicht gezeigt) eines Patienten verwendet. Das Exoskelett 10 besteht hauptsächlich aus einem Thermoplast, wie PLA (Polyactide), kann aber auch aus Metall, Keramik, einem Sinterwerkstoff und Kombinationen daraus bestehen. Vorteilhaft ist das gewählte Material 3D-druckbar, weil dadurch sehr genaue Anpassungen an die exakten Dimensionen der Körperglieder vornehmbar sind.
Es ist zu erkennen, dass das Exoskelett 10 einen Exoskelettkörper 11 mit einer Basis 12 aufweist, an der fünf Antriebe 14a, 14b, 14c, 14d, 14e angeordnet sind. Zusätzlich sind an der Basis 12 fünf erste Teilabschnitte 16 gebildet, die jeweils fünf unterschiedlichen Teilen 18a, 18b, 18c, 18d, 18e zugeordnet sind (der Übersichtlichkeit halber ist in 5 der fünfte Teil 18e nicht vollständig gezeigt). Die ersten Teilabschnitte 16 überdecken die Mittelhandknochen und sind fest miteinander verbunden als Bestandteile der Basis 12.
Zwischen den ersten Teilabschnitten 16 und den zweiten Teilabschnitten 20a, 20b, 20c, 20d, 20e der fünf Teile 18a, 18b, 18c, 18d, 18e bestehen jeweils dritte Teilabschnitte 22a, 22b, 22c, 22d, 22e und hinsichtlich der Teile 18a, 18b, 18c und 18d, die den Fingern zugeordnet sind, bestehen auch vierte Teilabschnitt 24a, 24b, 24c, 24d.
Zwischen den ersten Teilabschnitten 16 und den vierten Teilabschnitten 24a, 24b, 24c, 24d bzw. zwischen dem ersten Teilabschnitt 16 für den Daumen und dem dritten Teilabschnitt 22e für den Daumen bestehen erste Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e.
Zwischen den zweiten Teilabschnitten 20a, 20b, 20c, 20d, 20e und den dritten Teilabschnitten 22a, 22b, 22c, 22d, 22e bestehen zweite Exoskelettgelenke 28a, 28b, 28c, 28d, 28e.
Zwischen den dritten Teilabschnitten 22a, 22b, 22c, 22d für die Finger und den vierten Teilabschnitten 24a, 24b, 24c, 24d für die Finger bestehen dritte Exoskelettgelenke 30a, 30b, 30c, 30d.
Die an den dritten Teilabschnitten 22a, 22b, 22c, 22d, 22e angeordneten Exoskelettgelenke 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d, 26e weisen jeweils beidseits einen Gelenkkopf 32 auf, der in einer entsprechenden Gelenkgabel 34 geführt wird, wobei an den dritten Teilabschnitten 22a, 22b, 22c, 22d, 22e jeweils die Gelenkköpfe 32 angeordnet sind, wodurch die Teile 18a, 18b, 18c, 18d, 18e in diesem Bereich sehr schlank gehalten werden können. Es besteht somit kein Aufbau der Gelenke oberhalb der Körperglieder.
Das erste Exoskelettgelenk 26a des ersten Teils 18a und das erste Exoskelettgelenk 26d des vierten Teils 18d sind jeweils nur einseitig gelagert, d.h., dass hier nur ein Gelenkkopf 36 besteht, der in einer Gelenkgabel 38 gelagert ist, wobei jeweils der Gelenkkopf 36 an dem ersten Teilabschnitt 16 und damit an der Basis 12 angeordnet ist.
Das erste Exoskelettgelenk 26b des zweiten Teils 18b und das erste Exoskelettgelenk 26c des dritten Teils 18c sind jeweils nur einseitig gelagert, d.h., dass hier nur ein Gelenkkopf 40 besteht, der in einer Gelenkgabel 42 gelagert ist, wobei jeweils der Gelenkkopf 40 an dem ersten Teilabschnitt 16 und damit an der Basis 12 angeordnet ist. Dabei ist der Gelenkkopf 42 jeweils an einem Gelenkbügel 44, 44' angeordnet, der fest mit dem vierten Teilabschnitt 24b, 24c verbunden ist. Der Gelenkbügel 44 des zweiten Teils 18b übergreift das erste Exoskelettgelenk 26a des ersten Teils 18a und der Gelenkbügel 44' des dritten Teils 18c übergreift das vierte Exoskelettgelenk 26d des vierten Teils 18d.
Durch diese Ausbildung mit einseitig gelagerten ersten Exoskelettgelenken 26a, 26b, 26c, 26d, wobei die einseitige Lagerung der mittleren ersten Exoskelettgelenke 26b, 26c jeweils über Gelenkbügel 44, 44' nach außen verlagert ist, kann das gesamte Exoskelett 10 sehr schlank gehalten werden, so dass die darin aufgenommene Hand 64 sehr ergonomisch und komfortabel unterstützt wird. Außerdem benötigt dieser Aufbau fast keinen Bauraum zwischen den Fingern 68, so dass ein vollständiger Faustschluss möglich ist, ohne dass ein Aufbau oberhalb der Körperglieder vorliegt.
In 4 sind die Bezugszeichen für die Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d der besseren Übersichtlichkeit halber den Lagen dieser Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d zugeordnet, nicht jedoch den tatsächlichen Gelenkköpfen 32, 36, 40 und Gelenkgabeln 34, 38, 42.
Die Antriebe 14a, 14b, 14c, 14d, 14e sind jeweils Linearantriebe, die ein Antriebsmittel 46 in Form eines Schubbandes aufweisen, das jeweils in Führungskanälen 48 der Teilabschnitte 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 24a, 24b, 24c, 24d geführt wird.
Diese Führungskanäle 48 sind selbst nicht flexibel ausgebildet und bilden somit eine Lose- und Gleitlagerung für das Schubband 46, das jeweils an dem zweiten Teilabschnitt 20a, 20b, 20c, 20d, 20e befestigt ist. Dadurch bestehen Zwangsführungen 50 für die jeweiligen Schubbänder 46.
Die Schubbänder 46 sind in Schub- bzw. Zugrichtung, also entlang der Längserstreckung der Schubbänder, und auch quer zur Längserstreckung, d.h. parallel zur Breite der Führungskänale 48 unflexibel ausgebildet. Quer zur Längserstreckung in Richtung der Höhe der Führungskanäle 48 sind die Schubbänder elastisch biegsam, um bei einem Verschwenken der einzelnen Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e eine entsprechende Formanpassung der Schubbänder 46 zu ermöglichen ohne dadurch deren plastische Verformung zu bewirken. Das Material, beispielsweise ein Polyamid, wie PA66 (Nylon), oder ein Federstahl, ist dabei in Biegerichtung so elastisch, dass eine plastische Verformung erst bei einem Biegewinkel (a) von größer gleich 110° bei einem Biegeradius (r_i)von 5mm vorliegt. vorliegt.
Die Antriebe 14a, 14b, 14c, 14d, 14e weisen beliebige Antriebsmechanismen auf, die in der Lage sind, auf die Schubbänder 46 eine Schub- und Zugbewegung zu übertragen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Antriebsmotoren 52, beispielsweise Schritt- oder Servomotoren 52, die das Schubband 46 um eine Achse 54 auf einem Antriebsrad 55 ab- oder aufwickeln und dadurch ein Schieben bzw. Ziehen am Schubband 46 bewirken. Die Schubbänder 46 sind dabei in Gehäusen 56 gelagert, die von einem Deckel 58 verschlossen wird, wobei der Deckel nicht nur am Gehäuse 56, sondern auch an einem Befestigungspunkt 60 des Führungskanals 48 befestigt ist.
Durch die Linearbewegung der Schubbänder 46 kommt es zu einem Ausschieben bzw. Einziehen der Schubbänder 46 gegenüber dem jeweiligen Führungskanal 48. Dadurch, dass nun der Führungskanal 48 beabstandet vom Drehpunkt der jeweiligen Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d verläuft, führt dieses Ausschieben bzw. Einziehen der Schubbänder 46 zu einer Momenteneinleitung in die Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d, wodurch diese Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d verschwenkt werden, d.h. dass die mit den jeweiligen Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d verbundenen Teilabschnitte 16, 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 24a, 24b, 24c, 24d gegeneinander verschwenkt werden.
Durch die Zweipunktfixierung der Schubbänder 46 an den ersten Teilabschnitten 16 bzw. der Basis 12 auf der einen Seite und den zweiten Teilabschnitten 20a, 20b, 20c, 20d, 20e auf der anderen Seite der Schubbänder 46 und die Zwangsführung 50 der Schubbänder 46 können sämtliche Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d der jeweiligen Teile 18a, 18b, 18c, 18d, 18e gleichzeitig verschwenkt werden.
Dadurch erfolgt im Anwendungsfall dann tatsächlich eine Verschwenkung derjenigen Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d zuerst, deren zugeordnete menschliche Körpergelenke den geringsten Widerstand aufweisen. Es werden somit zuerst die „gesunden“ Körpergelenke verschwenkt, bevor die Kraft in die „kranken“ Körpergelenke eingeleitet wird.
Das Exoskelett 10 weist einen um den Exoskelettkörper 11 fixierten Stoffhandschuh 62 (in 8 teilweise dargestellt)auf, in dem die menschliche Hand 64 eines Patienten aufgenommen werden kann. Genauer gesagt besitzt der Handschuh einen üblichen Aufnahmeraum 66 für die Hand 64 des Patienten, wobei dieser Aufnahmeraum möglichst passgenau ist, um eine genaue Führung der Finger 68 zu ermöglichen. Oberhalb der Oberseite des Aufnahmeraums 66 besteht ein Anordnungsraum 70 für den Exoskelettkörper 11 auf, so dass der Exoskelettkörper 11 vollständig im Handschuh 62 verborgen ist.
Durch den Handschuh 62 und durch das teilweise Umgreifen der Finger 66 der menschlichen Hand durch die Stege 72, 74 der Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d werden die Finger 66 sehr gut stabilisiert, so dass eine kontrollierte Krafteinleitung erfolgen kann. Zudem sind die Stege 72, 74 so dimensioniert, dass die Drehachsen der Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d mit den Drehachsen der zugeordneten menschlichen Körpergelenke zusammenfallen.
In 3 ist beispielhaft eine Schuppe 76 eingezeichnet, die als Abdeckmittel den sich bei dem Verschwenken des einen Teilabschnitts 22b gegenüber dem anderen Teilabschnitt 24b um das dazwischen angeordnete Exoskelettgelenk 30b ergebenden Spalt 78 zwischen den beiden Teilabschnitten 22b, 24b so überdeckt, dass ein Heraustreten des Antriebsmittel 46 aus dem Spalt verhindert wird. Dadurch erfolgt eine kontinuierliche Kraftübertragung durch das Antriebsmittel 46 ohne dass die Gefahr eines Knickens des Antriebsmittels 46 besteht.
Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Exoskelett 10 bereitgestellt wird, mit dem der Bewegungsablauf in Körpergelenken von Menschen und Tieren gezielt unterstützt und geführt werden kann. Das erfindungsgemäße Exoskelett 10 ist vor allem im Rahmen einer Rehabilitation aber auch in der Kontrakturprofilaxe bzw. zur Bewegungsunterstützung hervorragend anwendbar. Insbesondere bei mehreren hintereinander angeordneten Gelenken, wie es bei Fingern der Fall ist, kann ein sehr gut kontrollierter Bewegungsablauf erfolgen, so dass eine Wiederherstellung des natürlichen Bewegungsraumes der Finger ermöglicht wird, die durch eine Kontrakturart eingeschränkt sind, wobei dennoch eine Überlastung von kranken Körpergelenken vermieden wird.
Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale des Ausführungsbeispiels auf die Kombination mit anderen Merkmalen des Ausführungsbeispiels ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen. Außerdem können gegenständliche Merkmale umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
Bezugszeichenliste

10: erfindungsgemäßes Exoskelett
11: Exoskelettkörper
12: Basis
14a, 14b, 14c, 14d, 14e: Antriebe, beispielsweise mit Linearmotoren
16: erste Teilabschnitte
18a, 18b, 18c, 18d, 18e: Teile
20a, 20b, 20c, 20d, 20e: zweite Teilabschnitte
22a, 22b, 22c, 22d, 22e: dritte Teilabschnitte
24a, 24b, 24c, 24d: vierte Teilabschnitte
26a, 26b, 26c, 26d, 26e: erste Exoskelettgelenke
28a, 28b, 28c, 28d, 28e: zweite Exoskelettgelenke
30a, 30b, 30c, 30d: dritte Exoskelettgelenke
32: Gelenkkopf
34: Gelenkgabel
36: Gelenkkopf
38: Gelenkgabel
40: Gelenkkopf
42: Gelenkgabel
44, 44': Gelenkbügel
46: Antriebsmittel, Schubband
48: Führungskanäle der Teilabschnitte 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 24a, 24b, 24c, 24d, Lose- und Gleitlagerung für das Schubband 46
50: Zwangsführung für das jeweilige Schubband 46
52: Antriebsmotoren
54: Achse
55: Antriebsrad
56: Gehäuse
58: Deckel
60: Befestigungspunkt des Führungskanals 48
62: Stoffhandschuh
64: menschliche Hand
66: Aufnahmeraum für die Hand 64
68: Finger
70: Anordnungsraum für den Exoskelettkörper 11
72, 74: Stege der Exoskelettgelenke 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 30a, 30b, 30c, 30d
76: Schuppe
78: Spalt zwischen Teilabschnitten 22b, 24b

Claims

Exoskelett (10), mit zumindest einem ersten Teil (18a, 18b, 18c, 18d, 18e), der angepasst ist, zwei über ein erstes Körpergelenk mit einer Körpergelenkachse verbundene erste (68) und zweite Glieder (68) eines Menschen (64) oder eines Tieres zu halten und zu bewegen, wobei der erste Teil (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) einen ersten Teilabschnitt (16) und einen zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) aufweist, wobei der erste Teilabschnitt (16) dem ersten Glied (68) und der zweite Teilabschnitt dem zweiten Glied (68) zugeordnet ist, wobei der erste Teilabschnitt (16) an einer Basis (12) des Exoskeletts (10) angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) über ein erstes Exoskelettgelenk (26a, 26b, 26c, 26d, 26e), das eine Exoskelettgelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt (16) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Antrieb (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) an der Basis (12) angeordnet ist, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) gegenüber dem ersten Teilabschnitt (16) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) um die Exoskelettgelenkachse des ersten Exoskelettgelenks (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verschwenkt wird.
Exoskelett (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Teil (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) besteht, der angepasst ist, zwei über ein zweites Körpergelenk mit einer Körpergelenkachse verbundene dritte (68) und vierte Glieder (68) des Menschen (64) oder des Tieres zu halten und zu bewegen, wobei der zweite Teil (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) einen ersten Teilabschnitt (16) und einen zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) aufweist, wobei der erste Teilabschnitt (16) dem dritten Glied (68) und der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) dem vierten Glied (68) zugeordnet ist, wobei der erste Teilabschnitt (16) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) an der Basis (12) des Exoskeletts (10) angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) über ein erstes Exoskelettgelenk, das eine Exoskelettgelenkachse (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt (16) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verbunden ist, wobei bevorzugt ein zweiter Antrieb (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) an der Basis (12) angeordnet ist, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) gegenüber dem ersten Teilabschnitt (16) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) um die Exoskelettgelenkachse des ersten Exoskelettgelenks (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des zweiten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verschwenkt wird.
Exoskelett (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) ein Linearantrieb ist und/oder dass das Exoskelett (10) eine Orthese, bevorzugt für die Finger- oder Handrehabilitation ist.
Exoskelett (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) ein Antriebsmittel (46) aufweist, wobei das Antriebsmittel (46) an dem ersten Teilabschnitt (16) angeordnet ist, und/oder wobei das Antriebsmittel (46) eine Längserstreckung besitzt und in Längsrichtung nicht verformbar und in zumindest einer Richtung quer zur Längsrichtung verformbar, insbesondere elastisch verformbar ausgebildet ist, und/oder wobei das Antriebsmittel (46) eine Gleit- oder Loslagerung aufweist.
Exoskelett (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmittel ein Schubband (46), einen Schubdraht, einen Schubzylinder, eine Schubkette oder dgl. ist und/oder dass das Antriebsmittel (46) in einer druckfesten Hülle verläuft, wobei die Hülle bevorzugt mit den Teilabschnitten des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) fest verbunden ist, insbesondere fester Bestandteil der Teilabschnitte des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) ist.
Exoskelett (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleit- bzw. Loslagerung in einem Abstand zur Drehachse des Exoskelettgelenks (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) verläuft und/oder dass die Gleit- bzw. Loslagerung über jedem Exoskelettgelenk (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) besteht und das Antriebsmittel (46) nur an dem zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) fixiert ist und an dem ersten Teilabschnitt (16) antreibbar angeordnet ist.
Exoskelett (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein dritter Teilabschnitt (22a, 22b, 22c, 22d, 22e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) besteht, der zwischen dem ersten Exoskelettgelenk (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) und dem zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) angeordnet ist, wobei ein zweites Exoskelettgelenk des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) zwischen dem dritten Teilabschnitt (22a, 22b, 22c, 22d, 22e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) und dem zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) angeordnet ist.
Exoskelett (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) und/oder die Exoskelettgelenke (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) zumindest bereichsweise angepasst sind, die zugeordneten Glieder (68) zumindest teilweise zu umfassen.
Exoskelett (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Exoskelettgelenk eines Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) ein Exoskelettgelenk eines anderen Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) übergreift, wobei das Übergreifen bevorzugt durch einen Bügel (44, 44') erfolgt, wobei ein erstes Ende des Bügels (44, 44') an dem Exoskelettgelenk des einen Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) angeordnet ist und ein zweites Ende des Bügels (44, 44') in Bezug auf des Exoskelettgelenk des einen Teils hinter dem Exoskelettgelenk des anderen Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) gelenkig angeordnet ist, wobei das zweite Ende insbesondere an der Basis (12) gelenkig angeordnet ist.
Exoskelett (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Exoskelett (10) so dimensioniert ist, dass die Exoskelettgelenkachse zumindest eines Exoskelettgelenks (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) identisch mit der Körpergelenkachse eines dem Exoskelettgelenk (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) zugeordneten Körpergelenks verläuft und/oder dass ein Abdeckmittel (76) besteht, das den sich bei dem Verschwenken des einen Teilabschnitts gegenüber dem anderen Teilabschnitt um das dazwischen angeordnete Exoskelett (10) ergebenden Spalt (78) zwischen den beiden Teilabschnitten so überdeckt, dass ein Heraustreten des Antriebsmittel (46) aus dem Spalt (78) verhindert wird.
Verbindungskonstruktion (10) mit zumindest einem ersten Teil (18a, 18b, 18c, 18d, 18e), der einen ersten Teilabschnitt (16) und einen zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) aufweist, wobei der erste Teilabschnitt (16) an einer Basis (12) angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) über ein erstes Gelenk (26a, 26b, 26c, 26d, 26e), das eine Gelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt (16) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Antrieb (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) an der Basis (12) angeordnet ist, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) gegenüber dem ersten Teilabschnitt (16) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) um die Gelenkachse des ersten Gelenks (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verschwenkt wird.
Verfahren zum Bewegen einer Verbindungskonstruktion (10) mit zumindest einem ersten Teil (18a, 18b, 18c, 18d, 18e), der einen ersten Teilabschnitt (16) und einen zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) aufweist, wobei der erste Teilabschnitt (16) an einer Basis (12) angeordnet ist und der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) über ein erstes Gelenk, das eine Gelenkachse aufweist, mit dem ersten Teilabschnitt (16) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Antrieb (14a, 14b, 14c, 14d, 14e) an der Basis (12) angeordnet wird, der eine Kraft in den zweiten Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) so einleiten kann, dass der zweite Teilabschnitt (20a, 20b, 20c, 20d, 20e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) gegenüber dem ersten Teilabschnitt (16) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) um die Gelenkachse des ersten Gelenks (26a, 26b, 26c, 26d, 26e) des ersten Teils (18a, 18b, 18c, 18d, 18e) verschwenkt wird.