DE102020120161A1 - Medical system for assisting walking and method for controlling a medical system for assisting walking - Google Patents

Abstract

Medizinisches System zur Laufunterstützung, mit mindestens zwei Gelenken mit jeweils mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad, wobei jedes Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Antriebvorrichtung aufweist, wobei die mindestens zwei Gelenke voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei an jedem Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des jeweiligen Gelenks in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks angeordnet ist, wobei jedes Gelenk in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität aufweist und die Gelenke ein Schwingungssystem bilden, und mit einem Regelungssystem, das die Antriebvorrichtungen der Gelenke regelt, wobei das Regelungssystem die von allen oder mehreren Sensoreinrichtungen bestimmten Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert zusammenfasst und die Antriebvorrichtungen der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert durch periodische Anregung regelt.Medical system for assisting walking, with at least two joints, each with at least one rotational degree of freedom, each joint having a drive device for the at least one rotational degree of freedom, the at least two joints being spaced apart from one another, with one on each joint for the at least one rotational degree of freedom Sensor device for determining the deflection of the respective joint in relation to the at least one rotational degree of freedom of the respective joint is arranged, each joint having an elasticity in relation to at least one rotational degree of freedom and the joints form an oscillation system, and with a control system that the drive devices of the joints controls, the control system combining the deflections of the respective joints determined by all or more sensor devices to form a sensor calculation value and the drive devices of the respective en joints controlled by periodic excitation depending on the sensor calculation value.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein medizinisches System zur Laufunterstützung sowie Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung.The present invention relates to a medical system for assisting walking and a method for controlling a medical system for assisting walking.

Schäden des zentralen Nervensystems oder Beinamputationen bedeuten erhebliche Einschränkungen für die betroffenen Personen und gehen oft mit dem Verlust der Fähigkeit des Laufens einher. Deshalb sind sowohl Beinprothesen als auch Exoskelette eine wichtige Ergänzung für Patienten, um eine Rückkehr in das normale Leben zu ermöglichen. Doch die Funktion eines Beines wiederherzustellen, besonders wenn mehr als ein Gelenk nicht mehr vorhanden ist oder angesteuert werden kann, ist noch immer eine Herausforderung, wie zum Beispiel bei Querschnittslähmung oder Transfermoralen Amputationen (Amputation oberhalb des Kniegelenks).Damage to the central nervous system or leg amputations mean significant limitations for those affected and are often associated with the loss of the ability to walk. Therefore, both leg prostheses and exoskeletons are important adjuncts for patients to enable a return to normal life. However, restoring the function of a leg, especially when more than one joint is no longer available or can be addressed, is still a challenge, such as in the case of paraplegia or transfermoral amputations (amputation above the knee joint).

Im derzeitigen Stand der Technik für Prothesen sind als Ersatz passive und semiaktive Systeme weit verbreitet. Diese können die generelle Funktion des Laufens wiederherstellen, haben aber den großen Nachteil, dass diese keine mechanische Leistung generieren können, was zum Beispiel nötig ist fürs Treppensteigen. Deshalb wird zunehmend an Prothesen mit aktuierten Gelenken geforscht, die aktiv Drehmomente im künstlichen Gelenk erzeugen können. Aktive Prothesen sowohl für das Knie- wie auch für das Fußgelenk sind bereits kommerziell erhältlich, und können für transfemoral Amputierte kombiniert werden.In the current state of the art for prostheses, passive and semi-active systems are widely used as replacements. These can restore the general function of running, but have the major disadvantage that they cannot generate mechanical power, which is necessary for climbing stairs, for example. Therefore, research is increasingly being done on prostheses with actuated joints that can actively generate torques in the artificial joint. Active prostheses for both the knee and the ankle are already commercially available and can be combined for transfemoral amputees.

Eine integrierte Lösung, die beide Gelenke in einer Prothese vereint, gibt es jedoch derzeitig noch nicht auf dem Markt, da besonders eine kompakte und mobile Energieversorgung für mehr als ein aktuiertes Gelenk eine Herausforderung darstellt. Ein ähnliches Problem zeigt sich auch bei Exoskeletten, die zwar inzwischen für kurze Trainingseinheiten zur Rehabilitation eingesetzt werden, allerdings den Rollstuhl noch nicht ersetzen können.However, there is currently no integrated solution on the market that combines both joints in one prosthesis, since a compact and mobile energy supply for more than one actuated joint poses a particular challenge. A similar problem is also evident with exoskeletons, which are now used for short rehabilitation training units, but cannot yet replace the wheelchair.

Erste Forschungen an Systemen mit zwei Gelenken erfolgen u.a. unter der Bezeichnung „Cyberleg“ (http://www.cyberlegs.eu/).Initial research into systems with two joints is carried out under the name "Cyberleg" (http://www.cyberlegs.eu/).

Um sowohl integrierte Prothesen, als auch über längere Zeit nutzbare Exoskelette zu ermöglichen, ist ein wichtiges Ziel die Energieeffizienz der Systeme zu steigern.In order to enable both integrated prostheses and exoskeletons that can be used over a longer period of time, an important goal is to increase the energy efficiency of the systems.

Die zuvor beschriebenen Prothesen geben den allgemeinen Kenntnisstand der Anmelder wieder, beziehen sich jedoch nicht notwendigerweise auf konkrete Dokumente oder veröffentlichen Stand der Technik.The prostheses described above represent the common knowledge of the applicants, but do not necessarily refer to specific documents or published prior art.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein medizinisches System zur Laufunterstützung sowie ein Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung zu schaffen, das eine hohe Energieeffizienz bereitstellt.It is therefore the object of the present invention to create a medical system for assisting walking and a method for controlling a medical system for assisting walking, which provides high energy efficiency.

Das erfindungsgemäße medizinische System ist definiert durch die Merkmale des Anspruch 1.The medical system according to the invention is defined by the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruch 8.The method according to the invention is defined by the features of claim 8.

Das erfindungsgemäße medizinische System zur Laufunterstützung weist mindestens zwei Gelenke mit jeweils mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad auf, wobei jedes Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Antriebvorrichtung besitzt, wobei die mindestens zwei Gelenke voneinander beabstandet angeordnet sind,
wobei an jedem Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des jeweiligen Gelenks in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks angeordnet ist,
wobei jedes Gelenk in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität aufweist und die Gelenke ein Schwingungssystem bilden.The medical system according to the invention for assisting walking has at least two joints, each with at least one rotational degree of freedom, each joint having a drive device for the at least one rotational degree of freedom, with the at least two joints being arranged at a distance from one another,
a sensor device for determining the deflection of the respective joint in relation to the at least one rotational degree of freedom of the respective joint is arranged on each joint for the at least one rotational degree of freedom,
each joint having an elasticity with respect to at least one rotational degree of freedom and the joints forming an oscillating system.

Das erfindungsgemäße medizinische System weist ferner ein Regelungssystem auf, das die Antriebvorrichtungen der Gelenke regelt, wobei das Regelungssystem die von allen oder mehreren Sensoreinrichtungen bestimmten Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert zusammenfasst und die Antriebvorrichtungen der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert durch periodische Anregung regelt.The medical system according to the invention also has a control system that controls the drive devices of the joints, the control system combining the deflections of the respective joints determined by all or more sensor devices into a sensor calculation value and controlling the drive devices of the respective joints as a function of the sensor calculation value through periodic excitation .

Das erfindungsgemäße medizinische System weist durch die Elastizität der Gelenke eine elastische Dynamik auf, durch die z.B. beim Auftreten die Bewegungsenergie elastisch gespeichert und wiederverwendet werden kann, um sich abzustoßen. Über einen Großteil des Bewegungszyklus wird die Bewegung durch die passive, intrinsische Dynamik des medizinischen Systems bestimmt. Es hat sich herausgestellt, dass nur in einem kurzen Zeitpunkt das Regelungssystem wirken muss, und somit die Antriebvorrichtungen auch nur für einen kurzen Zeitraum Energie aufbringen müssen, um das medizinische System aktiv zu bewegen. Somit gleicht die Aktuierung der Antriebvorrichtungen im Wesentlichen nur die Reibung und Dämpfung des Systems aus. Dadurch kann ein besonders energieeffizientes System geschaffen werden.Due to the elasticity of the joints, the medical system according to the invention has elastic dynamics, through which, for example, the kinetic energy can be elastically stored and reused to push off when it occurs. For much of the motion cycle, motion is governed by the passive, intrinsic dynamics of the medical system. It has been found that the control system only has to act for a short time, and thus the drive devices only have to apply energy for a short period of time in order to actively move the medical system. Thus, the actuation of the drive devices essentially only compensates for the friction and damping of the system. A particularly energy-efficient system can thereby be created.

Das Regelungssystem bildet eine Rückkopplungsschleife. Von jedem Freiheitsgrad des medizinischen Systems erhält das Regelungssystem sensorische Signale, welche die Bewegung des medizinischen Systems beschreiben. Die sensorischen Signale beschreiben die Auslenkung der Gelenke. Basierend auf diesen Signalen berechnet das Regelungssystem Antriebssignale, welche das Regelungssystem als Regelungsgröße an die einzelnen Antriebvorrichtungen weiterleitet. Die Antriebvorrichtungen treiben wiederum das medizinischen System an. Die sich dadurch ergebenden sensorischen Signale, welche die sich ergebende Bewegung beschreiben, werden wiederum als Feedback an das Regelungssystem geleitet.The control system forms a feedback loop. The control system receives sensory signals from each degree of freedom of the medical system, which describe the movement of the medical system. The sensory signals describe the deflection of the joints. Based on these signals, the control system calculates drive signals, which the control system forwards to the individual drive devices as control variables. The drive devices in turn drive the medical system. The resulting sensory signals, which describe the resulting movement, are in turn sent to the control system as feedback.

Es hat sich ferner herausgestellt, dass zu Beginn das Regelungssystem als Modellwissen über das medizinische System lediglich die Anzahl ihrer Freiheitsgrade der Gelenke benötigt. Danach baut sich das Regelungssystem sukzessiv ein Modell des medizinischen Systems, welches während der Bewegung durchgehend adaptiert wird und damit an mechanische Veränderungen, wie beispielsweise sich ändernder Untergrund, anpasst. Hierzu sendet das Regelungssystem zu Beginn an jede Antriebvorrichtung ein Signal und treibt damit das medizinische System an. Die resultierende Bewegung ist nun stark bestimmt durch die passive Dynamik der Elastizität des medizinischen Systems. Basierend auf der resultierenden Bewegung verändert das Regelungssystem die Signale für die Anregung der Antriebsvorrichtungen, z.B. deren Frequenz und die Amplitude des Signals an einer einzelnen Antriebvorrichtung relativ zu der Amplitude des Signals an einer anderen Antriebvorrichtung bzw. anderen Antriebsvorrichtungen. Dies kann beispielsweise durch Gewichtung erfolgen, so dass die Frequenz und die Amplitude mit entsprechenden Faktoren gewichtet werden. Diese Faktoren können durch das Regelungssystem bestimmt oder vorgegeben werden. Mit dem veränderten Signal regt das Regelungssystem nun das medizinische System weiter an und verändert bzw. gewichtet die Signale wiederum basierend auf der resultierenden Bewegung. Hierdurch kann das Regelungssystem beispielsweise Stück für Stück Regelungssignale, welche eine besonders energieeffiziente Bewegung der Laufmaschine ermöglichen, also eine große Bewegungsamplitude aufweist bei kleinem Energieaufwand, erlernen. Die Faktoren können an die Eigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystem angepasst sein bzw. werden.It has also been found that at the beginning the control system only requires the number of degrees of freedom of the joints as model knowledge about the medical system. The control system then successively builds a model of the medical system, which is continuously adapted during movement and thus adapted to mechanical changes, such as a changing surface. For this purpose, the control system sends a signal to each drive device at the beginning and thus drives the medical system. The resulting movement is now strongly determined by the passive dynamics of the elasticity of the medical system. Based on the resulting motion, the control system varies the signals for excitation of the actuators, e.g., their frequency and the amplitude of the signal at an individual actuator relative to the amplitude of the signal at another actuator or actuators. This can be done, for example, by weighting, so that the frequency and the amplitude are weighted with appropriate factors. These factors can be determined or specified by the control system. With the changed signal, the control system now stimulates the medical system further and changes or weights the signals based on the resulting movement. As a result, the control system can, for example, learn control signals piece by piece, which enable a particularly energy-efficient movement of the running machine, that is to say has a large movement amplitude with little energy expenditure. The factors can be or will be adapted to the natural mode of the vibration system formed by the joints.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Regelungssystem die Antriebvorrichtungen entlang einer Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bzw. entlang einer Haupteigenmode einer Linearisierung des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems antreibt, wobei die Haupteigenmode dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.It is preferably provided that the control system drives the drive devices along a main natural mode of the vibration system formed by the joints or along a main natural mode of a linearization of the vibration system formed by the joints, the main natural mode being specified for the control system or determined by the control system.

Die Haupteigenmode des erfindungsgemäßen medizinischen Systems wird durch das medizinische System selbst und seine Umgebung bestimmt, insbesondere auch durch den Benutzer und einen Untergrund auf dem das medizinische System oder ein Bein eines Benutzers des medizinischen Systems aufsetzt. Beispielsweise ist die Haupteigenmode des erfindungsgemäßen medizinischen Systems auf einem harten Untergrund anders als auf einem weichen Untergrund. Die Haupteigenmode kann durch das Regelungssystem selbst bestimmt werden oder von außen, beispielsweise durch ein separates System vorgegeben werden. Unter Haupteigenmode wird die dominante Eigenmode des medizinischen Systems verstanden. Durch den Antrieb des erfindungsgemäßen medizinischen Systems entlang der Haupteigenmode kann ein besonders energieeffizienter Antrieb erreicht werden.The main natural mode of the medical system according to the invention is determined by the medical system itself and its surroundings, in particular also by the user and a surface on which the medical system or a leg of a user of the medical system rests. For example, the main natural mode of the medical system according to the invention is different on a hard surface than on a soft surface. The main natural mode can be determined by the control system itself or can be specified externally, for example by a separate system. The main natural mode is understood to mean the dominant natural mode of the medical system. A particularly energy-efficient drive can be achieved by driving the medical system according to the invention along the main natural mode.

Bei nicht-linearen Systemen liegt keine Haupteigenmode vor, da diese bei nicht-linearen Systemen nicht definiert ist. Daher wird eine Linearisierung des Systems betrachtet und entlang der Haupteigenmode des linearisierten Systems angetrieben. Da beispielsweise das Regelungssystem nur in einem Zeitpunkt bzw. über einen kurzen Zeitraum wirkt, kann eine komplexe, nichtlineare elastische Dynamik des medizinischen Systems in diesem Zeitpunkt durch ein lineares mechanisches System angenähert werden. Das Regelungssystem regt in diesem alle Freiheitsgrade bzw. Gelenke entlang der Haupteigenmode des linearen Systems an.In non-linear systems there is no main eigenmode, since this is not defined in non-linear systems. Therefore, a linearization of the system is considered and driven along the main eigenmode of the linearized system. Since, for example, the control system only acts at one point in time or over a short period of time, a complex, non-linear elastic dynamic of the medical system can be approximated by a linear mechanical system at this point in time. In this, the control system stimulates all degrees of freedom or joints along the main eigenmode of the linear system.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Regelungssystem die Antriebvorrichtungen mit einer Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems antreibt, wobei die Resonanzfrequenz dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.In a preferred embodiment it is provided that the control system drives the drive devices with a resonant frequency of the vibration system formed by the joints, the resonant frequency being specified for the control system or determined by the control system.

Die Resonanzfrequenz des erfindungsgemäßen medizinischen Systems wird durch das medizinische System selbst und seine Umgebung bestimmt, insbesondere auch durch den Benutzer und einen Untergrund, auf dem das medizinische System oder ein Bein eines Benutzers des medizinischen Systems aufsetzt. Beispielsweise ist die Resonanzfrequenz des erfindungsgemäßen medizinischen Systems auf einem harten Untergrund anders als auf einem weichen Untergrund. Die Resonanzfrequenz kann durch das Regelungssystem selbst bestimmt werden oder von außen, beispielsweise durch ein separates System vorgegeben werden.The resonant frequency of the medical system according to the invention is determined by the medical system itself and its surroundings, in particular also by the user and a surface on which the medical system or a leg of a user of the medical system rests. For example, the resonant frequency of the medical system according to the invention is different on a hard surface than on a soft surface. The resonant frequency can be determined by the control system itself or can be specified externally, for example by a separate system.

Durch den Antrieb des erfindungsgemäßen medizinischen Systems mit der Resonanzfrequenz kann ein besonders energieeffizienter Antrieb erreicht werden.A particularly energy-efficient drive can be achieved by driving the medical system according to the invention with the resonant frequency.

Besonders energieeffizient ist das erfindungsgemäße medizinische System, wenn ein Antrieb entlang der Haupteigenmode mit der Resonanzfrequenz erfolgt.The medical system according to the invention is particularly energy-efficient when it is driven along the main natural mode at the resonant frequency.

Bei dem erfindungsgemäßen medizinischen System kann vorgesehen sein, dass alle oder ein Teil der Sensoreinrichtungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf dem jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmen.In the medical system according to the invention, it can be provided that all or some of the sensor devices determine torques and/or forces that act on the respective joint in relation to the degree of freedom.

Die bestimmten Drehmomente und/oder Kräfte können als weitere Werte bei der Zusammenfassung zu einem Sensorberechnungswert verwendet werden, wodurch die Genauigkeit erhöht werden kann.The torques and/or forces determined can be used as further values when they are combined to form a sensor calculation value, which means that the accuracy can be increased.

Die Sensoreinrichtungen können die Auslenkungen, die Kräfte und/oder die Drehmomente direkt bestimmen, beispielsweise messen, oder auch indirekt bestimmen, beispielsweise durch Ableitung aus anderen gemessenen Werten.The sensor devices can determine the deflections, the forces and/or the torques directly, for example by measuring them, or also indirectly, for example by deriving them from other measured values.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen dass das Regelungssystem von den Sensoreinrichtungen bestimmte Werte für die Auslenkungen oder die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente bei der Zusammenfassung zu dem Sensorberechnungswert mit Gewichtungsfaktoren gewichtet und addiert, und das Regelungssystem für die Anregung der Antriebvorrichtungen aus dem Sensorberechnungswert ein Antriebssignal erzeugt und für die einzelnen Antriebe mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet.In a particularly preferred embodiment, it is provided that the control system weights and adds values determined by the sensor devices for the deflections or the deflections and the forces and/or the torques when they are combined to form the sensor calculation value with weighting factors, and the control system for the excitation of the drive devices generates a drive signal based on the sensor calculation value and weights it with the weighting factors for the individual drives.

Jedem Freiheitsgrad kann dabei ein skalarer Gewichtungsfaktor zugeordnet werden, so dass sich skalare Werte ergeben, die zu dem Sensorberechnungswert addiert werden.A scalar weighting factor can be assigned to each degree of freedom, resulting in scalar values that are added to the sensor calculation value.

Mathematisch entspricht diese Operation einer linearen Koordinatentransformation von dem mehrdimensionalen Gelenkraum in einen eindimensionalen latenten Regelungsraum. Dadurch lässt sich beispielsweise die Resonanzfrequenz des medizinischen Systems approximieren. Auch können beispielsweise durch die Sensoreinrichtungen bestimmte Werte von Freiheitsgraden bzw. Gelenken, welche sich viel bewegen, besonders hoch gewichtet werden. Diese Werte weisen normalerweise ein besonders kleines Rauschen auf.Mathematically, this operation corresponds to a linear coordinate transformation from the multi-dimensional joint space to a one-dimensional latent control space. In this way, for example, the resonance frequency of the medical system can be approximated. Values of degrees of freedom or joints that move a lot, which are determined by the sensor devices, for example, can also be given a particularly high weighting. These values usually have a particularly small amount of noise.

Vorzugsweise sind die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode angepasst.The weighting factors are preferably adapted to the main natural mode.

Das erfindungsgemäße medizinische System bietet den Vorteil, dass die Gewichtungsfaktoren nur an sensorische Werte von bestimmten Zeitpunkten anzupassen, insbesondere solche, die zeitlich nah an dem Regelungsvorgang des Regelungssystems liegen. Dies begründet sich folgendermaßen: Die Gewichtungsfaktoren stellen ein simples (linearisiertes) mechanisches Modell des gesamten Systems (bestehend aus Mensch, medizinischem System und Umgebung) dar. Da das Regelungssystem mit dem System nur interagiert, wenn es schaltet, ist es insofern besonders sinnvoll, das mechanische System nahe des Schaltvorgangs zu modellieren, was durch die Gewichtung der von den Sensoreinrichtungen bestimmte Werte erfolgt.The medical system according to the invention offers the advantage that the weighting factors are only adapted to sensory values at specific points in time, in particular those that are close in time to the control process of the control system. The reason for this is as follows: The weighting factors represent a simple (linearized) mechanical model of the entire system (consisting of human, medical system and environment). Since the control system only interacts with the system when it switches, it makes particular sense to to model mechanical systems close to the switching process, which is done by weighting the values determined by the sensor devices.

Das erfindungsgemäße medizinische System kann ein Bein-Exoskelett oder eine Beinprothese sein, wobei die Gelenke Teil des Bein-Exoskeletts oder der Beinprothese sind.The medical system according to the invention can be a leg exoskeleton or a leg prosthesis, with the joints being part of the leg exoskeleton or the leg prosthesis.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung, wobei das medizinische System mindestens zwei Gelenken mit jeweils mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad aufweist, wobei jedes Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad mittels einer die Antriebvorrichtung antreibbar ist und jedes Gelenk in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität aufweist und die Gelenke ein Schwingungssystem bilden, weist folgende Schritte auf:

1. a) Bestimmen einer Auslenkungen der Gelenke in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks,
2. b) Zusammenfassen der Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert,
3. c) Regelung der Antriebvorrichtungen der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert,

wobei die Schritte a)-c) wiederholt werden und somit eine periodische Anregung der Antriebvorrichtungen erfolgt.The method according to the invention for controlling a medical system for assisting walking, the medical system having at least two joints, each with at least one rotational degree of freedom, each joint for the at least one rotational degree of freedom being drivable by means of a drive device and each joint in relation to at least one rotational degree of freedom has an elasticity and the joints form an oscillation system, has the following steps:

1. a) determining a deflection of the joints in relation to the at least one rotational degree of freedom of the respective joint,
2. b) Summarizing the deflections of the respective joints into a sensor calculation value,
3. c) control of the drive devices of the respective joints depending on the sensor calculation value,

wherein the steps a)-c) are repeated and thus a periodic excitation of the drive devices takes place.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass basierend auf der resultierenden Bewegung durch Schritt c) Signale für die Anregung der Antriebsvorrichtungen, z.B. deren Frequenz und die Amplitude des Signals an einer einzelnen Antriebvorrichtung relativ zu der Amplitude des Signals an einer anderen Antriebvorrichtung bzw. anderen Antriebsvorrichtungen geändert werden. Dies kann beispielsweise durch Gewichtung erfolgen, so dass die Frequenz und die Amplitude mit entsprechenden Faktoren gewichtet werden. Diese Faktoren können bestimmt oder vorgegeben werden. Mit dem veränderten Signal werden die Antriebsvorrichtungen des medizinischen Systems weiter angeregt und die Signale werden wiederum basierend auf der resultierenden Bewegung verändert bzw. gewichtet. Die Faktoren können an die Eigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystem angepasst sein bzw. werden.In the method according to the invention it can be provided that based on the resulting movement by step c) signals for the excitation of the drive devices, eg their frequency and the amplitude of the signal at a single drive device relative to the amplitude of the signal at another drive device or others Drive devices are changed. This can be done, for example, by weighting, so that the frequency and the amplitude are weighted with appropriate factors. These factors can be determined or predetermined. With the changed signal, the drive devices ments of the medical system are further stimulated and the signals are in turn changed or weighted based on the resulting movement. The factors can be or will be adapted to the natural mode of the vibration system formed by the joints.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Regelung eines erfindungsgemäßen medizinischen Systems geeignet.The method according to the invention is particularly suitable for controlling a medical system according to the invention.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind identisch zu den zuvor beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen medizinischen Systems.The advantages of the method according to the invention are identical to the advantages of the medical system according to the invention described above.

Bei der Erfindung kann sich durch eine Änderung der Umgebung die Regelung kurzzeitig ändern, wobei kurzzeitig auch nicht periodische Anregungen erfolgen können.In the case of the invention, a change in the environment can change the regulation for a short time, with non-periodic excitations also being able to take place for a short time.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Antriebvorrichtungen in Schritt c) entlang der Haupteigenmode angetrieben werden.Provision is preferably made for the main natural mode of the vibration system formed by the joints to be determined and for the drive devices to be driven in step c) along the main natural mode.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Antriebvorrichtungen mit der Resonanzfrequenz angetrieben werden.In the method according to the invention, it can be provided that the resonant frequency of the vibration system formed by the joints is determined and that the drive devices are driven at the resonant frequency.

Dabei kann vorgesehen sein, dass für die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Sensorberechnungswert mit einem Schwellenwert verglichen wird. Dadurch lässt sich die Resonanzfrequenz auf besonders einfache Art und Weise bestimmen.Provision can be made here for the sensor calculation value to be compared with a threshold value in order to determine the resonant frequency. This allows the resonant frequency to be determined in a particularly simple manner.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in Schritt b) zusätzlich zu den Auslenkungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf das jeweilige Gelenk einwirken, bestimmt werden.It is preferably provided that in step b), in addition to the deflections, torques and/or forces that act on the respective joint in relation to the degree of freedom are determined.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei dem Zusammenfassen der Auslenkungen zu dem Sensorberechnungswert die bestimmten Werte für die Auslenkungen oder die bestimmten Werte für die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente mit Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, wobei der Sensorberechnungswert ein skalarer Wert ist, wobei über die Gewichtungsfaktoren die bestimmten Werte transformiert werden.In a particularly preferred embodiment, when the deflections are combined to form the sensor calculation value, the specific values for the deflections or the specific values for the deflections and the forces and/or the torques are weighted with weighting factors, with the sensor calculation value being a scalar value , where the determined values are transformed via the weighting factors.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass aus dem Sensorberechnungswert ein Antriebssignal erzeugt wird, wobei das Antriebsignal mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet wird und das Antriebssignal gewichtet an die Antriebvorrichtung ausgegeben wird.It is preferably provided that a drive signal is generated from the sensor calculation value, the drive signal being weighted with the weighting factors and the weighted drive signal being output to the drive device.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Gewichtungsfaktoren an die Eigenmode angepasst sind.According to the invention, it can be provided that the weighting factors are adapted to the natural mode.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei der Wiederholung der Schritte a)-c) die Gewichtungsfaktoren kontinuierlich angepasst werden.Provision is preferably made for the weighting factors to be adjusted continuously when steps a)-c) are repeated.

Dabei kann vorgesehen sein, dass für die Anpassung der Gewichtungsfaktoren aus den Auslenkungen bestimmte Positionsdaten der Gelenke verwendet werden.It can be provided that certain position data of the joints are used for the adjustment of the weighting factors from the deflections.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass einmalig vor Schritt a) ein Initiierungs-Antriebssignal an alle Antriebvorrichtungen ausgegeben wird.Provision is preferably made for an initiation drive signal to be output to all drive devices once before step a).

Es hat sich ferner herausgestellt, dass zu Beginn für die Regelung als Modellwissen über das medizinische System lediglich die Anzahl ihrer Freiheitsgrade der Gelenke benötigt wird. Danach wird sukzessiv ein Modell des medizinischen Systems erbaut, welches während der Bewegung durchgehend adaptiert wird und damit an mechanische Veränderungen, wie beispielsweise sich ändernder Untergrund, anpasst. Durch Initiierungs-Antriebssignal wird das medizinische System initial angetrieben. Die resultierende Bewegung ist nun stark bestimmt durch die passive Dynamik der Elastizität des medizinischen Systems. Basierend auf der resultierenden Bewegung werden, wie zuvor beschrieben, bei der Regelung die Signale für die Anregung der Antriebsvorrichtungen geändert und angepasst.It has also been found that initially for the regulation as model knowledge about the medical system, only the number of degrees of freedom of the joints is required. After that, a model of the medical system is gradually built, which is continuously adapted during the movement and thus adapted to mechanical changes, such as changing underground. The medical system is initially driven by the initiation drive signal. The resulting movement is now strongly determined by the passive dynamics of the elasticity of the medical system. Based on the resulting movement, as described above, the signals for the excitation of the drive devices are changed and adjusted during the control.

Mathematisch kann das Regelungssystem bzw. die Regelung wie folgt beschrieben werden:Mathematically, the control system or control can be described as follows:

Zunächst werden die Sensorwerte (z.B. die gemessene Auslenkungen q) der einzelnen Gelenke ausgelesen. Alle in diesem Abschnitt fett gedruckten Variablen bezeichnen Vektoren.First, the sensor values (e.g. the measured deflection q) of the individual joints are read out. All variables in bold in this section denote vectors.

Das Regelungssystem führt nun vier aufeinander folgenden Berechnungen durch:

1. 1) Die Sensordaten werden zu einem skalaren Wert zusammengefasst, um die Resonanzfrequenz des mechanischen Systems abzuschätzen. Zu diesem Zweck werden die Sensordaten (hier als Beispiel durchgeführt für die gemessene Auslenkung q) durch multiplikative Gewichtungsfaktoren w gewichtet und zusammenaddiert. Jedem Freiheitsgrad i wird hierbei ein skalarer Gewichtungsfaktor w_i zugeordnet, dessen Bestimmung später behandelt wird. Es ergibt sich der skalare Sensorwert $$q_z={\displaystyle \sum _i{w}_i\cdot q_i=w^T\cdot q}.$$
   
   Mathematisch entspricht diese Operation einer linearen Koordinatentransformation von dem mehrdimensionalen Gelenkraum in einen eindimensionalen latenten Regelungsraum.
2. 2) Im zweiten Schritt werden die sensorischen Werte benutzt, um die Resonanzfrequenz des Systems herauszufinden. Das Regelungssystem regelt dann mit der Resonanzfrequenz, um das System energieoptimal anzuregen. Der skalare Sensorwert q_z kann je nach Sensorwerten entweder negativ oder positiv sein und wird mit einem positiven Schwellenwert (S) verglichen. Wenn q_z kleiner ist als der negative Wert des Schwellenwerts (q_z <-S), wird ein negatives Regelungssignal (= -θ̂_z) initiiert. Wenn q_z größer ist als der positive Wert des Schwellenwerts (q_z> S) wird ein positives Regelungssignal (= θ̂̂_z) gesetzt. Falls q_z zwischen dem negativen und positiven Wert des Schwellenwerts liegt (-S< q_z<S), wird das Regelungssignal auf null (= 0) gesetzt: $${\theta }_z\left(t\right)=\{\begin{array}{ccc}+{\widehat{\theta }}_z& wenn& q_z>S\\ 0& wenn& S>q_z>-S\\ -{\widehat{\theta }}_z& wenn& q_z<-S\end{array}$$
   
3. 3) Um die berechneten Signale auf die Antriebsvorrichtungen zu übertragen, muss das skalare Regelungssignal auf die Freiheitsgrade des medizinischen Systems abgebildet werden. Um aus dem skalaren Regelungssignal (θ_z) entsprechende Signale für die einzelnen Antriebsvorrichtungen der verschiedenen Freiheitsgrade zu generieren (θ_i), wird es entgegengesetzt zu 1) aus dem eindimensionalen Regelungsraum in den Gelenkraum transformiert. Hier bestimmt es die neuen Positionen der Antriebsvorrichtungen $$\theta =w\cdot {\theta }_z,$$
   
   d.h. die Antriebsvorrichtung, welche einen Freiheitsgrad i aktuiert, verändert ihre Position auf $${\theta }_i=w_i\cdot {\theta }_z.$$
   
4. 4) Um den Regler an sich verändernde Bedingungen anzupassen, werden die multiplikative Gewichtungsfaktoren w während einer Bewegung laufend an sensorische Informationen über die Bewegung angepasst. Dabei sollen die Gewichtungsfaktoren der Eigenmode (im Fall von linearen mechanischen Systemen) bzw. der Eigenmode des linearisierten Systems oder der nichtlinearen Normalmode (nichtlineare mechanische Systeme) entsprechen. Für die Adaption werden die sensorischen Signale über die Positionen q der Gelenke genutzt. Um die Gewichtungsfaktoren zu bestimmen, wird eine Hauptkomponentenanalyse („principal component analysis“, PCA) auf die Gelenkpositionen angewandt, die Gewichtungsfaktoren w werden mit der dominanten Haupteigenmode gleichgesetzt, und normiert, d.h. $$\left|w\right|={\displaystyle \sum _i\sqrt{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="w\; i"\; filenames="DE102020120161A1\_0007.png"\; state="\{\{state\}\}">w</figure-callout>}}_i^{}}=konstant.}$$
   
   Bei der Bestimmung der PCA sollen neuere Sensorwerte q(t) eine höhere Gewichtung haben als ältere, damit sich die Gewichtungsfaktoren ständig an neue Bedingungen anpassen können. Zur Ermittlung der Haupteigenmode können verschiedene mögliche Verfahren angewendet werden: Um die dominante Hauptkomponente zu ermitteln kann eine vorteilhafte Ausgestaltung iterative Verfahren anwenden, die in jedem Zeitpunkt einen neuen Sensorwert q(t) erhält und die Gewichte entsprechend anpasst. Ein Beispiel ist gegeben durch die sogenannte Oja'sche Lernregel, $$\dot{w}=\gamma \left(w^{T}q\right)\left[q-\left(w^{T}q\right)w\right].$$
   
   Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Gewichtungsfaktoren nur an sensorische Daten von bestimmten Zeitpunkten anzupassen, insbesondere solche, die zeitlich nah an dem Schalten des Regelungssystems liegen. Dies begründet sich folgendermaßen: Die Gewichtungsfaktoren stellen ein simples (linearisiertes) mechanisches Modell des gesamten mechanischen Systems (bestehend aus Mensch, Laufmaschine und Umgebung) dar. Da das Regelungssystem mit dem System nur interagiert, wenn es schaltet, ist es insofern besonders sinnvoll, das System nahe des Schaltvorgangs zu modellieren.

The control system now performs four consecutive calculations:

1. 1) The sensor data is combined into a scalar value to estimate the resonant frequency of the mechanical system. For this purpose, the sensor data (carried out here as an example for the measured deflection q) are weighted by multiplicative weighting factors w and added together. Each degree of freedom i is assigned a scalar weighting factor w _i , the determination of which will be dealt with later. The result is the scalar sensor value $$q_{\mathrm{e.g}}={\displaystyle \sum _i{w}_i\cdot q_i=w^T\cdot q}.$$
   
   Mathematically, this operation corresponds to a linear coordinate transformation from the multi-dimensional joint space to a one-dimensional latent control space.
2. 2) In the second step, the sensory readings are used to find out the resonant frequency of the system. The control system then controls with the resonance frequency in order to excite the system in an energy-optimal manner. The scalar sensor value q _z can be either negative or positive depending on the sensor values and is compared to a positive threshold (S). If q _z is smaller than the negative value of the threshold value (q _z <-S), a negative control signal (= -θ̂ _z ) is initiated. If q _z is greater than the positive value of the threshold value (q _z > S), a positive control signal (= θ̂̂ _z ) is set. If q _z is between the negative and positive values of the threshold (-S< q _z <S), the control signal is set to zero (= 0): $${\theta }_{\mathrm{e.g}}\left(t\right)=\{\begin{array}{ccc}+{\widehat{\theta }}_{\mathrm{e.g}}& wenn& q_{\mathrm{e.g}}>S\\ 0& wenn& S>q_{\mathrm{e.g}}>-S\\ -{\widehat{\theta }}_{\mathrm{e.g}}& wenn& q_{\mathrm{e.g}}<-S\end{array}$$
   
3. 3) In order to transmit the calculated signals to the driving devices, the scalar control signal must be mapped to the degrees of freedom of the medical system. In order to generate corresponding signals for the individual drive devices of the different degrees of freedom (θ _i ) from the scalar control signal (θ _z ), it is transformed from the one-dimensional control space into the joint space, in contrast to 1). Here it determines the new positions of the driving devices $$\theta =w\cdot {\theta }_{\mathrm{e.g}},$$
   
   ie the drive device, which actuates a degree of freedom i, changes its position $${\theta }_i=w_i\cdot {\theta }_{\mathrm{e.g}}.$$
   
4. 4) In order to adapt the controller to changing conditions, the multiplicative weighting factors w are continuously adapted to sensory information about the movement during a movement. The weighting factors should correspond to the eigenmode (in the case of linear mechanical systems) or the eigenmode of the linearized system or the nonlinear normal mode (nonlinear mechanical systems). The sensory signals about the positions q of the joints are used for the adaptation. To determine the weighting factors, a principal component analysis (PCA) is applied to the joint positions, the weighting factors w are equated to the dominant main eigenmode, and normalized, ie $$\left|w\right|={\displaystyle \sum _i\sqrt{w_i^2}=kOnstant.}$$
   
   When determining the PCA, newer sensor values q(t) should have a higher weighting than older ones so that the weighting factors can constantly adapt to new conditions. Various possible methods can be used to determine the main eigenmode: In order to determine the dominant main component, an advantageous embodiment can use iterative methods that receive a new sensor value q(t) at each point in time and adjust the weights accordingly. An example is given by the so-called Oja learning rule, $$\dot{w}=g\left(w^{T}q\right)\left[q-\left(w^{T}q\right)w\right].$$
   
   A further advantageous embodiment consists in adapting the weighting factors only to sensory data from specific points in time, in particular those that are close in time to the switching of the control system. The reason for this is as follows: The weighting factors represent a simple (linearized) mechanical model of the entire mechanical system (consisting of human, running machine and environment). Since the control system only interacts with the system when it switches, it makes particular sense to to model the system close to the switching process.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutertThe invention is explained in more detail below with reference to the single figure

Die Figur zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes medizinisches System 1 zur Laufunterstützung. Das medizinische System 1 weist eine Beinprothese 3 mit einem ersten Gelenk 5, das einem Kniegelenk entspricht, und einem zweiten Gelenk 7, das einem Fußgelenk entspricht, auf. Die Gelenke 5,7 weisen jeweils einen rotatorischen Freiheitsgrad auf und sind voneinander beabstandet angeordnet. Das erste Gelenk 5 weist für seinen rotatorischen Freiheitsgrad eine erste Antriebvorrichtung 5a auf. Ferner ist eine erste Sensoreinrichtung 5b an dem ersten Gelenk 5 angeordnet, über die eine erste Auslenkung q₁ des ersten Gelenks 5 in Bezug auf den Freiheitsgrad gemessen werden kann. Das zweite Gelenk 7 weist für seinen rotatorischen Freiheitsgrad eine zweite Antriebvorrichtung 7a auf. Ferner ist eine zweite Sensoreinrichtung 7b an dem zweite Gelenk 7 angeordnet, über die eine zweite Auslenkung q₂ des zweiten Gelenks 7 in Bezug auf den Freiheitsgrad gemessen werden kann.The figure schematically shows a medical system 1 according to the invention for assisting walking. The medical system 1 has a leg prosthesis 3 with a first joint 5, which corresponds to a knee joint, and a second joint 7, which corresponds to an ankle. The joints 5.7 each have a rotational degree of freedom and are arranged at a distance from one another. The first joint 5 has a first drive device 5a for its rotational degree of freedom. Furthermore, a first sensor device 5b is arranged on the first joint 5, via which a first deflection q ₁ of the first joint 5 with respect to the degree of freedom can be measured. The second joint 7 has a second drive device 7a for its rotational degree of freedom. Furthermore, a second sensor device 7b is arranged on the second joint 7, via which a second deflection q ₂ of the second joint 7 can be measured in relation to the degree of freedom.

Das erste und das zweite Gelenk 5,7 weisen in Bezug auf ihren rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität auf und bilden ein Schwingungssystem, wobei das Schwingungssystem auch den Boden 100 und den Benutzer der Beinprothese 3 mit umfasst.The first and the second joint 5.7 have an elasticity in relation to their rotational degree of freedom and form a vibration system, the vibration system also including the floor 100 and the user of the leg prosthesis 3 .

Ein Regelungssystem 9 regelt die Antriebvorrichtungen der Gelenke, wobei das Regelungssystem 9 von Sensoreinrichtungen 5b,7b gemessene Auslenkungen q₁, q₂ der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert q_z zusammenfasst und die Antriebvorrichtungen 5a,7a der jeweiligen Gelenke 5,7 in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert q_z durch periodische Anregung regelt.A control system 9 controls the drive devices of the joints, with the control system 9 combining deflections q ₁ , q ₂ of the respective joints measured by sensor devices 5b, 7b to form a sensor calculation value q _z and the drive devices 5a, 7a of the respective joints 5, 7 depending on the Sensor calculation value q _z regulated by periodic excitation.

Die Anregung erfolgt durch Signale θ₁, θ₂ die von dem Regelungssystem 9 an die Antriebvorrichtungen 5a,7a ausgegeben werden. Dabei ermittelt das Regelungssystem 9 aus den Sensorberechnungswert q_z zunächst ein skalares Regelungssignal θ_z, das mittels Gewichtungsfaktoren zu den Signalen θ_1, θ₂ gewandelt wird. Dadurch werden die Signale θ₁, θ₂ bzw. deren Frequenz und die Amplitude eines der Signale θ_1, θ₂ an einer der Antriebvorrichtung 5a,7a relativ zu der Amplitude des Signals θ₁, θ₂ an anderen Antriebvorrichtung 5a,7a bestimmt.The excitation occurs through signals θ ₁ , θ ₂ which are output by the control system 9 to the drive devices 5a, 7a. The control system 9 first determines a scalar control signal θ _z from the sensor calculation value q _z , which is converted to the signals θ _{1 ,} θ ₂ by means of weighting factors. This determines the signals θ ₁ , θ ₂ or their frequency and the amplitude of one of the signals θ _{1 ,} θ ₂ at one of the drive devices 5a, 7a relative to the amplitude of the signal θ ₁ , θ ₂ at the other drive device 5a, 7a.

Die Signale θ₁, θ₂ werden über Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ gewichtet.The signals θ ₁ , θ ₂ are weighted using weighting factors w ₁ , w ₂ .

Dabei kann das Regelungssystem bei der Zusammenfassung der von den Sensoreinrichtungen bestimmten Werte q₁, q₂ für die Auslenkungen zu dem Sensorberechnungswert q_z die Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ festlegen und von den Sensoreinrichtungen bestimmten Werte q₁, q₂ für die Auslenkungen mit Gewichtungsfaktoren gewichten und addieren.When combining the values q ₁ , q ₂ determined by the sensor devices for the deflections to form the sensor calculation value q _z , the control system can define the weighting factors w ₁ , w ₂ and values q ₁ , q ₂ determined by the sensor devices for the deflections with weighting factors weight and add.

Die Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ sind an die Eigenmode des Schwingungssystems angepasst.The weighting factors w ₁ , w ₂ are adapted to the natural mode of the oscillation system.

Es hat sich ferner herausgestellt, dass zu Beginn das Regelungssystem 9 als Modellwissen über das erfindungsgemäße medizinische System 1 lediglich die Anzahl ihrer Freiheitsgrade der Gelenke 5,7 benötigt. Danach baut sich das Regelungssystem 9 sukzessiv ein Modell des medizinischen Systems 1, welches während der Bewegung durchgehend adaptiert wird und damit an mechanische Veränderungen, wie beispielsweise sich ändernder Untergrund, anpasst. Hierzu sendet das Regelungssystem 9 zu Beginn an jede Antriebvorrichtung 5a,7a ein Signal θ_1, θ₂ und treibt damit das medizinische System an. Die resultierende Bewegung ist nun stark bestimmt durch die passive Dynamik der Elastizität des medizinische Systems 1. Basierend auf der resultierenden Bewegung verändert das Regelungssystem 9 die Signale θ_1, θ₂ für die Anregung der Antriebsvorrichtungen 5a,7a, z.B. deren Frequenz und die Amplitude des Signals an einer der Antriebvorrichtung 5a,7a relativ zu der Amplitude des Signals an der anderen Antriebvorrichtung 5a, n. Dies erfolgt durch Gewichtungsfaktoren _W1, _W2 so dass beispielsweise die Frequenz und die Amplitude mit entsprechenden Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ gewichtet werden. Diese Gewichtungsfaktoren w₁, w₂ können wie zuvor beschrieben durch das Regelungssystem bestimmt oder vorgegeben werden. Mit dem veränderten Signalen θ_1, θ₂ regt das Regelungssystem 9 nun Antriebsvorrichtungen 5a,7a und somit das medizinische System 1 weiter an und verändert bzw. gewichtet die Signale θ₁, θ₂ wiederum basierend auf der resultierenden Bewegung. Hierdurch kann das Regelungssystem 9 beispielsweise Stück für Stück Regelungssignale, welche eine besonders energieeffiziente Bewegung der Laufmaschine ermöglichen, also eine große Bewegungsamplitude aufweist bei kleinem Energieaufwand, erlernen.It has also been found that at the beginning the control system 9 only requires the number of degrees of freedom of the joints 5.7 as model knowledge about the medical system 1 according to the invention. Thereafter, the control system 9 successively builds a model of the medical system 1, which is continuously adapted during the movement and thus adapted to mechanical changes, such as a changing surface. For this purpose, the control system 9 sends a signal θ _{1 ,} θ ₂ to each drive device 5a, 7a at the beginning and thus drives the medical system. The resulting movement is now strongly determined by the passive dynamics of the elasticity of the medical system 1. Based on the resulting movement, the control system 9 changes the signals θ _1, θ ₂ for the excitation of the drive devices 5a, 7a, e.g. their frequency and the amplitude of the Signal at one of the drive devices 5a, 7a relative to the amplitude of the signal at the other drive device 5a, n. This is done by weighting factors _W1 , _W2 so that, for example, the frequency and the amplitude are weighted with corresponding weighting factors _w1 , _w2 . As previously described, these weighting factors w ₁ , w ₂ can be determined or specified by the control system. With the changed signals θ _{1 ,} θ ₂ , the control system 9 now further stimulates drive devices 5a, 7a and thus the medical system 1 and again changes or weights the signals θ ₁ , θ ₂ based on the resulting movement. As a result, the control system 9 can, for example, learn control signals piece by piece, which enable a particularly energy-efficient movement of the running machine, that is to say has a large movement amplitude with little energy expenditure.

BezugszeichenlisteReference List

11

medizinisches Systemmedical system

33

Beinprotheseprosthetic leg

55

erstes Gelenkfirst joint

5a5a

erste Antriebvorrichtungfirst drive device

5b5b

erste Sensoreinrichtungfirst sensor device

77

zweites Gelenksecond joint

7a7a

zweite Antriebvorrichtungsecond drive device

7b7b

zweite Sensoreinrichtungsecond sensor device

99

Regelungssystemcontrol system

100100

Bodenfloor

q1q1

erste Auslenkungfirst deflection

q2q2

gemessene Auslenkungmeasured deflection

Claims (18)

Medizinisches System zur Laufunterstützung, mit mindestens zwei Gelenken mit jeweils mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad, wobei jedes Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Antriebvorrichtung aufweist, wobei die mindestens zwei Gelenke voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei an jedem Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Auslenkung des jeweiligen Gelenks in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks angeordnet ist, wobei jedes Gelenk in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität aufweist und die Gelenke ein Schwingungssystem bilden, und mit einem Regelungssystem, das die Antriebvorrichtungen der Gelenke regelt, wobei das Regelungssystem die von allen oder mehreren Sensoreinrichtungen bestimmten Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberechnungswert zusammenfasst und die Antriebvorrichtungen der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert durch periodische Anregung regelt.Medical system for walking support, with at least two joints, each with at least one rotational degree of freedom, each joint for the at least one rotational degree of freedom having a drive device, the at least two joints being spaced apart, with each joint for the at least one rotational degree of freedom, a sensor device for determining the deflection of the respective joint in relation to the at least one rotational degree of freedom of the respective joint is arranged, each joint having an elasticity in relation to at least one rotational degree of freedom and the joints form an oscillation system, and with a control system, which controls the drive devices of the joints, the control system combining the deflections of the respective joints determined by all or more sensor devices into a sensor calculation value and controlling the drive devices of the respective joints as a function of the sensor calculation value through periodic excitation. Medizinisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem die Antriebvorrichtungen entlang einer Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems antreibt, wobei die Haupteigenmode dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.Medical system after claim 1 , characterized in that the control system drives the drive devices along a main natural mode of the vibration system formed by the joints, the main natural mode being specified for the control system or determined by the control system. Medizinisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem die Antriebvorrichtungen mit einer Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems antreibt, wobei die Resonanzfrequenz dem Regelungssystem vorgegeben ist oder von dem Regelungssystem bestimmt wird.Medical system after claim 1 or 2 , characterized in that the control system drives the drive devices with a resonance frequency of the vibration system formed by the joints, the resonance frequency being specified for the control system or determined by the control system. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder ein Teil der Sensoreinrichtungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf dem jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmen.Medical system according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that all or some of the sensor devices determine torques and/or forces that act on the respective joint in relation to the degree of freedom. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelungssystem von den Sensoreinrichtungen bestimmte Werte für die Auslenkungen oder die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente bei der Zusammenfassung zu dem Sensorberechnungswert mit Gewichtungsfaktoren gewichtet und addiert, und das Regelungssystem für die Anregung der Antriebvorrichtungen aus dem Sensorberechnungswert ein Antriebssignal erzeugt und für die einzelnen Antriebe mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet.Medical system according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the control system weights certain values for the deflections or the deflections and the forces and/or the torques from the sensor devices when they are combined into the sensor calculation value with weighting factors and adds them, and the control system for the excitation of the drive devices from the sensor calculation value Drive signal generated and weighted for the individual drives with the weighting factors. Medizinisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode angepasst sind.Medical system after claim 5 , characterized in that the weighting factors are adapted to the main eigenmode. Medizinisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gekennzeichnet durch ein Bein-Exoskelett oder eine Beinprothese, wobei die Gelenke Teil des Bein-Exoskeletts oder der Beinprothese sind.Medical system according to one of the Claims 1 until 6 characterized by a leg exoskeleton or a leg prosthesis, the joints being part of the leg exoskeleton or the leg prosthesis. Verfahren zur Regelung eines medizinischen Systems zur Laufunterstützung, wobei das medizinische System mindestens zwei Gelenken mit jeweils mindestens einem rotatorischen Freiheitsgrad aufweist, wobei jedes Gelenk für den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad mittels einer die Antriebvorrichtung antreibbar ist und jedes Gelenk in Bezug auf mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad eine Elastizität aufweist und die Gelenke ein Schwingungssystem bilden, mit folgenden Schritten: d) Bestimmen einer Auslenkungen der Gelenke in Bezug auf den mindestens einen rotatorischen Freiheitsgrad des jeweiligen Gelenks, e) Zusammenfassen der Auslenkungen der jeweiligen Gelenke zu einem Sensorberech nu ngswert, f) Regelung der Antriebvorrichtungen der jeweiligen Gelenke in Abhängigkeit von dem Sensorberechnungswert, wobei die Schritte a-c wiederholt werden und somit eine periodische Anregung der Antriebvorrichtungen erfolgt.Method for controlling a medical system for walking support, the medical system having at least two joints, each with at least one rotational degree of freedom, each joint for the at least one rotational degree of freedom being drivable by means of a drive device and each joint with respect to at least one rotational degree of freedom has elasticity and the joints form an oscillation system, with the following steps: d) determining a deflection of the joints in relation to the at least one rotational degree of freedom of the respective joint, e) Summarizing the deflections of the respective joints into a sensor calculation value, f) Control of the drive devices of the respective joints as a function of the sensor calculation value, with steps a-c being repeated and thus periodic excitation of the drive devices taking place. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteigenmode des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Antriebvorrichtungen in Schritt c entlang der Haupteigenmode angetrieben werden.procedure after claim 8 , characterized in that the main natural mode of the vibration system formed by the joints is determined and that the drive devices are driven in step c along the main natural mode. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz des durch die Gelenke gebildeten Schwingungssystems bestimmt wird und dass die Antriebvorrichtungen mit der Resonanzfrequenz angetrieben werden.procedure after claim 8 or 9 , characterized in that the resonance frequency of the vibration system formed by the joints is determined and that the drive devices are driven at the resonance frequency. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Resonanzfrequenz der Sensorberechnungswert mit einem Schwellenwert verglichen wird.procedure after claim 10 , characterized in that the sensor calculation value is compared with a threshold value for the determination of the resonant frequency. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b zusätzlich zu den Auslenkungen Drehmomente und/oder Kräfte, die in Bezug auf den Freiheitsgrad auf das jeweiligen Gelenk einwirken, bestimmt werden.Procedure according to one of Claims 8 until 11 , characterized in that in step b, in addition to the deflections, torques and/or forces that act on the respective joint in relation to the degree of freedom are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Zusammenfassen der Auslenkungen zu dem Sensorberechnungswert die bestimmten Werte für die Auslenkungen oder die bestimmten Werte für die Auslenkungen und die Kräfte und/oder die Drehmomente mit Gewichtungsfaktoren gewichtet werden, wobei der Sensorberechnungswert ein skalarer Wert ist, wobei über die Gewichtungsfaktoren die bestimmten Werte transformiert werden.Procedure according to one of Claims 8 until 12 , characterized in that when the deflections are combined to form the sensor calculation value, the specific values for the deflections or the specific values for the deflections and the forces and/or the torques are weighted with weighting factors, the sensor calculation value being a scalar value, the specific values being transformed via the weighting factors. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Sensorberechnungswert ein Antriebssignal erzeugt wird, wobei das Antriebsignal mit den Gewichtungsfaktoren gewichtet wird und das Antriebssignal gewichtet an die Antriebvorrichtung ausgegeben wird.procedure after Claim 13 , characterized in that a drive signal is generated from the sensor calculation value, the drive signal being weighted with the weighting factors and the weighted drive signal being output to the drive device. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren an die Haupteigenmode angepasst sind.Procedure according to one of Claims 13 or 14 , characterized in that the weighting factors are adapted to the main eigenmode. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wiederholung der Schritte a-c die Gewichtungsfaktoren kontinuierlich angepasst werden.Procedure according to one of Claims 13 until 15 , characterized in that the weighting factors are continuously adjusted when steps ac are repeated. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Anpassung der Gewichtungsfaktoren aus den Auslenkungen bestimmte Positionsdaten der Gelenke verwendet werden.procedure after Claim 16 , characterized in that specific position data of the joints are used for the adaptation of the weighting factors from the deflections. Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a ein Initiierungs-Antriebssignal an alle Antriebvorrichtungen ausgegeben wird.Method according to claim one of Claims 8 until 17 , characterized in that prior to step a, an initiating drive signal is issued to all drive devices.

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