-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Beeinflussen einer Relativbewegung von wenigstens zwei Körperteilen
des Lebewesens, mit einer Basis zum Anordnen an einem Körperteil
eines Lebewesens und einer Plattform zum Anordnen an einem anderen
Körperteil
des Lebewesens, wobei die Basis und die Plattform relativ zueinander
bewegbar sind.
-
Vorrichtungen dieser Art werden genutzt,
um Bewegungen von Körperteilen
eines Lebewesens zu unterstützen
und/oder diesen entgegen zu wirken. Beispielsweise kann es sich
bei einer solchen Vorrichtung um eine Orthese handeln, die zur Rehabilitation
bei Menschen nach Unfällen
oder Verletzungen infolge anderer Ereignisse genutzt wird. Derartige
Orthesen werden in diesem Zusammenhang am Körper eines Menschen angebracht,
um Bewegungen von Körperteilen
des Menschen zu beeinflussen. Die Orthese kann in diesem Fall einerseits
dazu dienen, bestimmte Bewegungen der Körperteile einzuschränken, beispielsweise
kann vorgesehen sein, daß das
Kniegelenk nach einer Verletzung nur bis zu einem bestimmten Winkel
gebeugt werden soll. Andererseits kann die Orthese Mittel aufweisen,
um eine Bewegung der Körperteile
zu unterstützen.
Dieses ist zum Beispiel dann der Fall, wenn nach einer Verletzung
die vollständige
Funktionalität
eines Gelenks wieder hergestellt werden soll. Die Orthese fördert hierbei
die Bewegung der Körperteile,
wenn die vom Menschen selbst aufgebrachte Kraft noch nicht ausreichend
ist, um das Gelenk mit seiner vollen Funktionalität wieder
zu nutzen.
-
Ein orthopädisches Gerät, welches einen Teil der oben
genannten Bewegungsbeeinflussungen zur Verfügung stellt, ist beispielsweise
in der Druckschrift
DE 692 27
882 offenbart. Die bekannte Vorrichtung ist für ein Körpergelenk
eines Patienten oder Teile des Körpers
des Patienten, die durch ein derartiges Gelenk miteinander verbunden
sind, vorgesehen. Bei der orthopädischen
Vorrichtung sind zwei Stützteile mit
Hilfe von Scharniergelenk-Elementen verbunden, die eine teilweise
Nutzung der Funktionalität
des Körpergelenks
erlauben.
-
Orthesen werden nicht nur beim Menschen zur
Rehabilitation verwendet, sondern sind in geringerem Umfang auch
im Zusammenhang mit der Rehabilitation bei Tieren bekannt.
-
Grundsätzlich besteht Bedarf für die Beeinflussung
der Bewegung von Körperteilen
bei Lebewesen, insbesondere bei Menschen jedoch nicht nur in Verbindung
mit der Rehabilitation nach Unfällen oder
anderen Verletzungen. Es sind Situationen bekannt, in denen es wünschenswert
ist, die Bewegungen von Körperteilen
des Menschen zu unterstützen, da
die vom Menschen aufgebrachte Kraft nicht ausreichend ist, um die
Bewegung der Körperteile
im gewünschten
Ausmaß oder
mit der notwendigen Präzision
auszuführen.
Ein Beispiel hierfür
ist das Ausführen
von Arbeiten in Tauchanzügen,
insbesondere bei der Verwendung von Tauchanzügen für industrielle Anwendungen.
Die Taucher müssen
in diesem Zusammenhang häufig
unter Wasser Arbeitsgeräte
bedienen, was mit einem großen
Kraftaufwand verbunden ist. Es wäre
hierbei wünschenswert,
wenn die Bewegungen des Tauchers unterstützt würden, so daß der mit einer einzelnen Bewegung
verbundene Kraftaufwand des Tauchers vermindert ist. In ähnlicher
Weise wäre
es vorteilhaft, wenn die Bewegung von Menschen in Raumfahrtanzügen mit
Hilfe einer geeigneten Vorrichtung unterstützt werden könnten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb,
eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
welche eine möglichst
große
Freiheit bei der Bewegung der Körperteile
des Lebewesens zur Verfügung
stellt und für
verschiedene Anwendungen flexibel einsetzbar ist.
-
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Basis
und die Plattform mit Hilfe mehrerer Aktuatoren miteinander verbunden
sind, so daß ein
Parallelmechanismus gebildet ist.
-
Die Erfindung umfaßt den Gedanken,
zwei starre Körper,
nämlich
die Basis und die Plattform, welche jeweils an einem Körperteil
eines Lebewesens befestigt sind, mittels mehrerer Aktuatoren so zu
verbinden, daß ein
Parallelmechanismus gebildet ist, um eine möglichst große Bewegungsfreiheit der beiden
starren Körper
und somit der beiden gelenkig verbundenen Körperteile des Lebewesens zueinander
zu gewährleisten.
Mit Hilfe des Parallelmechanismus können beliebig komplexe Bewegungen
der Körperteile
des Lebewesens relativ zueinanander beeinflußt werden. Der Parallelmechanismus
ermöglicht
eine individuelle Anpassung an die Eigenschaften der relativen Bewegungen
der Körperteile.
-
Der Begriff Parallelmechanismus in
der hier verwendeten Bedeutung umfaßt beliebige Anordnungen, bei
denen eine Basis und ein Plattform über mehrere unabhängige kinematische
Ketten so verbunden sind, daß zumindest
eine geschlossene kinematische Kette gebildet ist. Als kinematische
Kette wird eine Anzahl von Festkörpern
bezeichnet, die miteinander durch Gelenke verbunden sind. Verbindungsgrad
eines Festkörpers
in einer kinematischen Kette ist die Anzahl von anderen Festkörpern, die
mit diesem Festkörper
durch Gelenke verbunden sind. Eine geschlossene kinematische Kette
ist eine kinematische Ketten mit mindestens einem beweglichen Festkörper mit
dem Verbindungsgrad ≥ 3,
der in einer Schleife, gebildet durch die Festkörper dieser kinematischen Kette,
enthalten ist. Zur Beeinflussung der Relativbewegung von Plattform
zur Basis in dem gebildeten Parallelmechanismus weisen unabhängige kinematische
Ketten ein oder mehrere Aktuatoren auf. Ein Aktuator ist ein Gelenk,
dessen Bewegung gesteuert werden kann. Aktive Aktuatoren sind Aktuator,
durch welche die mechanische Energie der kinematischen Kette gezielt
vergrößert und/oder
verkleinert werden kann. Passive Aktuatoren sind Aktuatoren durch
welche die mechanische Energie der kinematischen Kette gezielt verkleinert
werden kann.
-
Bei der Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Beeinflussen der Bewegung von Körperteilen eines Lebewesens
werden Basis und Plattform jeweils an einem der Körperteile
befestigt, so daß die
gelenkig verbundenen Körperteile
Basis und Plattform des Parallelmechanismus bilden. Die Körperteile
können über ein
oder mehrere Gelenke bzw. Gelenkkombinationen miteinander verbunden sein.
Mit dem Parallelmechanismus können
komplexe Relativbewegungen der Körperteile
zueinander nachgebildet werden.
-
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, daß zumindest
ein Teil der mehreren Aktuatoren lineare Aktuatoren sind. Lineare
Aktuatoren sind mit Hilfe einfacher konstruktiver Mittel ausbildbar
und in verschiedensten Anwendungen flexibel nutzbar.
-
Um komplexe Relativbewegungen von
Körperteilen
nachbilden zu können,
kann bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen sein, daß zumindest ein Teil der mehreren
Aktuatoren Drehaktuatoren sind. Hierdurch kann die Vorrichtung zum
Beeinflussen einer Bewegung von Körperteilen flexibel an verschiedene
Anwendungen angepaßt
werden.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung
kann vorsehen, daß die
mehreren Aktuatoren ausgebildet sind, um einer Bewegung des einen
oder des anderen Körperteils
entgegenzuwirken. Auf die se Weise ist die Vorrichtung für Anwendungen
geeignet, bei denen die Bewegung der Körperteile gehemmt oder sogar
in einem bestimmten Umfang verhindert werden soll.
-
Um die Vorrichtung zum Beeinflussen
der Relativbewegung der Körperteile
für Anwendungen auszugestalten,
bei denen eine Bewegung der Körperteile
erleichtert werden soll, so daß das
Lebewesen Kraft nur in einem verminderten Umfang aufwenden muß, kann
bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein,
daß die
mehreren Aktuatoren ausgebildet sind, um eine Relativbewegung des
einen und des anderen Körperteils
zu unterstützten:
Um
eine exakte Betätigung
der mehreren Aktuatoren mit Hilfe möglichst einfacher Mittel realisieren
zu können,
sieht eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung vor, daß an
zumindest einem Teil der Aktuatoren elektrische Antriebsmittel vorgesehen
sind.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung kann vorgesehen sein, daß an zumindest einem Teil der
mehreren Aktuatoren hydraulische Antriebsmittel vorgesehen sind.
Derartige Antriebsmittel, die insbesondere für lineare Aktuatoren geeignet sind,
weisen ein geringes Gewicht auf und verfügen über ein sehr gutes dynamisches
Verhalten. Alternativ oder ergänzend
können
pneumatische oder chemische Aktuatoren verwendet werden. Pneumatische
Aktuatoren haben den Vorteil, daß bei ihnen Luft als Medium
verwendet wird. Mit Hilfe chemischer Aktuatoren kann eine hohe Energiedichte
erreicht werden. Grundsätzlich
können
beliebige Arten von Aktuatoren verwendet werden, die der Fachmann
in Abhängigkeit
vom Anwendungsfall auswählt.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der
Erfindung sieht vor, daß zumindest
ein Teil der mehreren Aktuatoren passive Aktuatoren sind, wodurch
mobile Vorrichtungen zur Bewegungsbeeinflussung geschaffen werden
können,
die unabhängig
von äußerer Energiezuführung arbeiten.
-
Zweckmäßig kann vorgesehen sein, daß an zumindest
einem Teil der mehreren Aktuatoren Sensormittel zum Erfassen wenigsten
eines kinematischen Parameters der Relativbewegung des einen und
des anderen Körperteils
angeordnet sind. Auf diese Weise können zur gezielten Steuerung
der Vorrichtung für
die Bewegungsbeeinflussung Informationen über die Relativbewegung der
Körperteile
gewonnen werden.
-
Um auch dynamische Parameter der
Relativbewegung der Körperteile,
wie Kräfte
und Momente, auswerten zu können,
beispielsweise für
die Diagnostik, kann bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung
vorgesehen sein, daß an
zumindest einem Teil der mehreren Aktuatoren weitere Sensormittel zum
Erfassen wenigstens eines dynamischen Parameters der Relativbewegung
des einen und des anderen Körperteils
angeordnet sind.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, daß die Sensormittel und/oder
die weiteren Sensormittel mit einer Steuereinrichtung zum Erfassen
und zum Verarbeiten der kinematischen und/oder der dynamischen Parameter verbunden
sind. Auf diese Weise ist es möglich,
die mit Hilfe der Sensormittel/weiteren Sensormittel erfaßten Parameter
automatisch auszuwerten und für eine
Steuerung der Antriebsmittel der mehreren Aktuatoren zur Verfügung zu
stellen, sofern dieses gewünscht
ist.
-
Um komplexe Bewegungsmöglichkeiten
im Rahmen von Relativbewegungen von Körperteilen nachbilden zu können, ist
bei einer Fortbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Parallelmechanismus
zur Vergrößerung eines
Bewegungsraums mit mindestens einem weiteren Gelenk seriell verbunden ist.
-
Zweckmäßig kann es sich bei dem weiteren Gelenk
um ein Drehgelenk handeln. Dieses ist beispielsweise dann von Vorteil,
wenn die Vorrichtung in Verbindung mit einem Kniegelenk genutzt
wird.
-
Eine Verwendung der Vorrichtung im
Rahmen der Rehabilitation nach Unfällen oder anderen Verletzungen
ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch
erreicht, daß eine
Rehabilitationsvorrichtung gebildet ist.
-
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung
zum Beeinflussen der Relativbewegung der Körperteile als Unterstützungsvorrichtung
zum Unterstützen
einer Relativbewegung ermöglicht
die Verwendung der Vorrichtung in einem Taucheranzug oder einem Raumfahrtanzug,
so daß die
Person in dem Taucher-/Raumfahrtanzug beim Bewegen der Körperteile
einen geringeren Kraftaufwand leisten muß und die Bewegungen mit hoher
Präzision
ausführen
kann. Diese erleichtert es der Person sich unter den Bedingungen
eines Tauchgangs oder bei einer Raumfahrt für längere Zeit zu bewegen. Ergänzend oder
alternativ kann in Verbindung mit dem Raumfahrtanzug vorgesehen
sein, daß die
Vorrichtung zum Beeinflussen der Relativbewegung der Bewegung der
Körperteile entgegenwirkt,
so daß die
Nachteile des Bewegens in Schwerelosigkeit und der hiermit verbundene
Abbau von Muskulatur beim Menschen vermindert werden.
-
Die Erfindung wird im folgenden Anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1A und 1B eine schematische Darstellung
einer Vorrichtung zum Beeinflussen einer Relativbewegung von Körperteilen
mit linearen Aktuatoren von vorn bzw. von der Seite;
-
2 eine
schematische Darstellung eines Drehaktuators;
-
3A bis 3C eine schematische Darstellung
einer Person mit einer Vorrichtung zum Beeinflussen einer Bewegung
eines Oberschenkels von vorn, von der Seite und von hinten;
-
4A und 4B eine schematische Darstellung
einer Person mit einer Vorrichtung zur Beeinflussung einer Bewegung
eines Unterschenkels von vorn und von der Seite;
-
5 eine
schematische Darstellung einer Person mit einer Vorrichtung zum
Beeinflussen einer Bewegung eines Oberkörpers;
-
6 eine
schematische Darstellung einer Person mit einer Vorrichtung zum
Beeinflussen einer Bewegung des Kopfes; und
-
7 eine
schematische Darstellung eines Aktuators mit zugehörigem Steuerungssystem.
-
1A zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die genutzt wird,
um die Bewegung von zwei oder drei Körperteilen eines Lebewesens, beispielsweise
die Relativbewegung eines Ober- und eines Unterschenkels einer Person,
zu beeinflussen. Die Vorrichtung umfaßt eine Basis 1, eine
Plattform 2, die über
mehrere lineare Aktuatoren 3 mit der Basis 1 verbunden
ist, so daß die
Plattform 2 relativ zur Basis 1 bewegt werden
kann. Die Basis 1 und die Plattform 2 können jeweils
als eine Orthese ausgebildet sein, so daß die Vorrichtung von einem
Lebewesen getragen werden kann. 1A zeigt
die Vorrichtung in Vorderansicht, wohingegen in 1B eine Seitenansicht der von einer Person
getragenen Vorrichtung dargestellt ist. Die Basis 1 ist über insgesamt
sechs lineare Aktuatoren 3, von denen in den 1A und 1B jeweils nur ein Teil gezeigt ist,
mit der Plattform 2 verbunden, so daß für die Relativbewegung der Plattform 2 zu
der Basis 1 sechs Freiheitsgrade zur Verfügung stehen.
Grunsätzlich
kann die Anzahl linearer Aktuatoren 3 jedoch in Abhängigkeit
vom Anwendungsfall gewählt
werden, so daß die
gewünschte Anzahl
von Freiheitsgraden zur Verfügung
gestellt wird. Die Basis 1 und die Plattform 2 sind
mit Hilfe der linearen Aktuatoren 3 so miteinander verbunden,
daß wenigstens
eine geschlossene kinematische Kette gebildet ist, wodurch die Basis 1,
die Plattform 2 und die linearen Aktuatoren 3 einen
Parallelmechanismus bilden.
-
Die mehreren linearen Aktuatoren 3 können von
beliebiger Art sein und entweder mit elektrischen oder hydraulischen
Antriebsmitteln versehen sein. Elektrische Antriebsmittel haben
den Vorteil, daß sie mit
geringem Aufwand exakt steuerbar sind. Hydraulische Antriebsmittel
eignen sich insbesondere für
lineare Aktuatoren, da sie ein geringes Gewicht und ein sehr gutes
dynamisches Verhalten aufweisen. Für die Ausbildung des Parallelmechanismus
kann der Fachmann in Abhängigkeit
von dem Anwendungsfall Aktuatoren mit elektrischen, hydraulischen, pneumatischen
und/oder chemischen Antriebsmitteln aussuchen.
-
Zur gleichzeitigen Beeinflussung
der Bewegung des Unterschenkels ist bei der in den 1A und 1B dargestellten
Vorrichtung die Plattform 2 über ein Drehgelenk 4 mit
einer am Unterschenkel der Person zu befestigenden weiteren Plattform 5 verbunden.
Auf diese Weise ist die Vorrichtung mit Hilfe der Basis 1 an
der Hüfte,
mit Hilfe der Plattform 2 am Oberschenkel und mittels der
weiteren Plattform 5 am Unterschenkel einer Person befestigbar.
-
2 zeigt
einen Aktuator mit Rotationsgelenk bzw. Drehaktuator 10.
In diesem Fall werden Teile 11, 12 des Drehaktuators 10 relativ
zueinander um die Achse in einem Punkt 13 gedreht. Die
Drehung wird durch den Block 14, bestehend aus einem Motor,
einem Getriebe und einem Bewegungssensor, z.B. einem optischen Inkrementalgeber,
veranlaßt. Die
Belastung des Aktuators 10 kann in dieser Realisierung
mit einem Momentensensor 15 gemessen werden. Zur Integration
des Drehaktuators 10, in einen Parallelmechanismus werden
Endabschnitte 16, 17 jeweils mit einer Basis bzw.
einer Plattform verbunden. Geeignete Dreaktuatoren stehen dem Fachmann
zur Auswahl für
die jeweilige Anwendung in verschiedenen Typen zur Verfügung. Die
Art und Weise der Realisierung jedes einzelnen Aktuators berührt den
Gegenstand der Erfindung nicht und wird durch die Anforderungen
der jeweiligen Anwendung bestimmt.
-
In Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsfall
können
zum Ausbilden des Parallelmechanismus auch lineare Aktuatoren und
Drehaktuatoren kombiniert werden. Auf diese Weise können beliebige
Bewegungsmöglichkeiten
von Körperteilen
nachgebildet werden. Die linearen Aktuatoren können ihre Länge ändern, um Freiheitsgrade der
Bewegung zu gewährleisten.
Befestigungspunkte für
die linearen Aktuatoren werden in den verschiedenen Anwendungsfällen unter
Berücksichtigung
der folgenden Anforderungen bestimmt: es muß ein ausreichender Bewegungsraum
der Körperteile
zur Verfügung
gestellt werden, welche den Arbeits raum des mit Hilfe der Aktuatoren
gebildeten Parallelmechanismus darstellt. Es sollten singuläre Konfigurationen
im Arbeitsraum des Parallelmechanismus vermieden werden. Darüber hinaus
sind Anforderungen zu beachten, die sich aus der Praxis ergeben,
wie zum Beispiel die Möglichkeit
zum Hinsetzen für
die Person.
-
Die 3A bis 3C zeigen schematische Darstellungen
einer Person mit einer Vorrichtung zum Beeinflussen einer Relativbewegung
eines Oberschenkels 30 und eine Hüfte 31 von vorn, von
der Seite bzw. von hinten. Zwei Orthesen 32, 33,
welche die Basis bzw, die Plattform der Vorrichtung bilden, sind
an der Hüfte 31 bzw.
dem Oberschenkel 30 der Person angeordnet. Die beiden Orthesen 32, 33 sind über mehrere
lineare Aktuatoren 34 so miteinander verbunden, daß ein Parallelmechanismus
gebildet ist. Wenn eine beliebige Relativbewegung der Hüfte 31 zu
dem Oberschenkel 30 gewünscht
ist, sind insgesamt so viele lineare Aktuatoren vorgesehen, daß sechs
Freiheitsgrade für
die Relativbewegung gewährleistet
werden. Die mehreren linearen Aktuatoren 34 können so
gebildet sein, daß sie
die Relativbewegung des Oberschenkels 30 zur Hüfte 31 unterstützen, d.
h. die mehreren linearen Aktuatoren 34 werden mit Hilfe
der jeweiligen Antriebsmittel (nicht dargestellt) so betätigt, daß die von
der Person gewünschte
Bewegung gefördert
wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die mehreren linearen Aktuatoren 34 die
von der Person gewünschte
Relativbewegung des Oberschenkels 30 zur Hüfte 31 hemmen,
d. h. die mehreren linearen Aktuatoren 34 werden mit Hilfe
der jeweiligen Antriebsmittel so betätigt, daß der von der Person gewünschten
Bewegung eine Kraft entgegengesetzt wird. Es kann auch vorgesehen
sein, daß die
mehreren linearen Aktuatoren 34 bestimmte Bewegungen unterstützen und
andere Bewegungen hemmen.
-
Die 4A und 4B zeigen eine schematische
Darstellung einer Person mit einer Vorrichtung zum Beeinflussen
einer Bewegung eines Kniegelenks 40. Die Vorrichtung umfaßt als Basis
eine Orthese 41, die an einem Oberschenkel 42 befestigt
ist. Die Orthese 41 ist zur Bildung eines Parallelmechanismus 43 mit
einem Ring 44 verbunden, wobei der Parallelmechanismus 43 mehrere
lineare Aktuatoren 45 umfaßt. Zwischen der Orthese 41 und
dem Ring 44 ist ein Raum 55 gebildet, der kleinere
Bewegungen des Rings 44 relativ zur Orthese 41 erlaubt.
Der Ring 44 ist seinerseits über eine Halterung 46 mit
einem Rotationsgelenk 47 verbunden. Mit Hilfe des Rotationsgelenks 47 wird
einem Unterschenkel 48 ein großer Bewegungsraum zur Verfügung gestellt.
Darüber
hinaus wird auf diese Weise eine Bewegung des Rings 44 zur
Anpassung der Vorrichtung an eine Verschiebung von Drehachsen des
Kniegelenks 40 gewährleistet,
die bei einer Beugung des Knies 40 auftritt. Das Rotationsgelenk 47 ist über eine
weitere Halterung 49 mit einer unteren Orthese 50 verbunden.
Die untere Orthese 50 ist an dem Unterschenkel 48 befestigt.
Mit Hilfe der seriellen Integration des Rotationsgelenks 47 ist
der Arbeitsraum des Parallelmechanismus 43 vergrößert.
-
5 zeigt
eine schematische Darstellung einer Person mit einer Vorrichtung,
welche eine obere und eine untere Orthese 60, 61 umfaßt, welche
die Basis und die Plattform bilden. Die obere und die untere Orthese 60, 61 sind
zum Bilden eines Parallelmechanismus mit Hilfe mehrerer linearer
Aktuatoren 62 verbunden. Die obere Orthese 60 ist
am Oberkörper 63 der
Person befestigt, wohingegen die untere Orthese 61 im Bereich
der Hüfte 64 der
Person befestigt ist.
-
6 zeigt
eine Vorrichtung mit einer oberen und einer unteren Orthese 70, 71 zum
Beeinflussen einer Bewegung des Kopfes 72 der Person relativ zum
Oberkörper 73.
Wiederum sind die obere und die untere Orthese 70, 71 über mehrere
lineare Aktuatoren 74 miteinander verbunden, so daß ein Parallelmechanismus
gebildet ist.
-
Bei allen in den 1 bis 6 gezeigten
Ausführungsformen
kann in den linearen Aktuatoren bzw. den Drehaktuatoren ein Kraftmeßensor vorgesehen
sein, der die Kraftbelastung des jeweiligen Aktuators mißt. Auf
diese Weise können
Parameter der Relativbewegung der Körperteile gemessen werden. Aus
sechs Kraftmessungen läßt sich
die gesamte Belastung des Körperteils,
berechnen, d. h. drei Kräfte und
drei Momente. Weiterhin kann jeder lineare Aktuator mit einem Positionsgeber
versehen sein. Dieses erlaubt die Bestimmung der Position und der
Geschwindigkeit der Relativbewegung. Auf diese Weise lassen sich
mit Hilfe einfacher Messungen die kinematischen und/oder die dynamischen
Parameter der Relativbewe gung der Körperteile bestimmen. Die auf diese
Weise gewonnenen Parameter können
von den Sensoren an den Aktuatoren an eine zentrale Steuereinrichtung übermittelt
oder von dieser überhaupt
berechnet werden. Die Parameter können verwendet werden, wenn
die Vorrichtungen mit dem Parallelmechanismus beispielsweise im
Bereich der Rehabilitation oder Diagnostik verwendet werden.
-
Wenn die in den 1 bis 6 dargestellten Vorrichtungen
für eine
Bewegungsunterstützung
im täglichen
Leben verwendet werden, so wird vorzugsweise ein passive Unterstützung genutzt.
Bei der aktiven Unterstützung
wird die von den Aktuatoren erzeugte Energie für die Unterstützung der
Bewegung verwendet. Im Falle der passiven Bewegungsunterstützung leisten
die Aktuatoren nur einen Widerstand bezüglich der von dem Lebewesen
initiierten Bewegung. Die Energie für die Bewegung wird hier vom Lebewesen
aufgebracht, wohingegen in der Vorrichtung zur Bewegungsunterstützung nur
geringfügig Energie
für die
Steuerung aufgebracht werden muß. In
diesem Fall wird eine stationäre
Energieversorgung nicht benötigt,
so daß der
Bau leichter tragbarer Vorrichtungen ermöglicht wird. Alternativ kann
auch eine mobile Energieversorgung vorgesehen sein, beispielsweise
mit Hilfe von Batterien.
-
7 zeigt
beispielhaft den prinzipiellen Aufbau eines einzelnen Aktuators 80 und
eines zugehörigen
Steuerungssystems. Der Aktuator 80 umfaßt zwei Teilen 81, 82 die
relativ zueinander bewegt werden können. Diese Bewegung wird entweder
mittels Leistungszufuhr von dem Steuerungssystem oder vom Menschen
verursacht. Im Beispiel nach 7 werden
die Teile 81, 82 des Aktuators 80 linear
zueinander bewegt. Die Teile 81, 82 sind mit Halterungen 83 bzw. 84 zur
Befestigung des Aktuators 80 an Orthesen fest verbunden.
Die Halterungen 83, 84 erlauben eine Drehung der
Teile 81, 82 relativ zu den Orthesen (nicht dargestellt)
und unterbinden eine Verschiebung. Die Halterungen 83, 84 umfassen übliche Rotations- und/oder Kugelgelenke.
Im einfachsten Fall weisen die Halterungen 83, 84 einfache
Kugelgelenke auf, die eine Rotation der Teils 81 bzw. 82 relativ
zu den mit den Halterungen 83, 84 verbundenen Orthesen
um drei sich in einem Punkt schneidenden Achsen erlauben. Die relative
Bewegung der Teile 81, 82 des Aktuators 80 wird
mit einem Positionsmesssensor 85 de tektiert. Darüber hinaus
wird die Belastung des Aktuators 80 in einer Richtung mit
einem Kraftensor 86 gemessen. Der Positionsmesssensor 85 und
der Kraftensor 86 sind an eine jeweilige Signalverarbeitungsvorrichtung 87 bzw. 88 gekoppelt,
um die mit Hilfe der Sensoren erfaßten Meßsignale zu verarbeiten. Eine
Steuerungseinrichtung 89 berechnet Steuersignale für den Aktuator 80 ausgehend
von den Vorgaben für
die gewünschte
Bewegung und/oder Belastung sowie aus den über die Signalverarbeitungsvorrichtungen 87, 88 erhaltenen, gemessenen
Daten über
momentane Bewegung und Belastung des Systems. Die berechneten Signale werden
von einem Leistungsverstärker 90 in
Leistungssignale umgewandelt, welche dann die gewünschte Bewegung
des Aktuators 80 erzwingen.
-
Die beschriebenen Vorrichtungen sind
als Basiselemente für
Exoskelette geeignet. Mit Hilfe der wahlweisen Kombination der Vorrichtungen
in einer der offenbarten Ausführungsformen
können
die Bewegungen von mehreren Körperteilen
eines Lebewesens beeinflußt
werden, wobei sowohl die Unterstützung
als auch die Hemmung der von dem Lebewesen initiierten Bewegungen
vorgesehen sein kann. Ausführungsformen
der beschriebenen Vorrichtung zum Beeinflussen der Relativbewegung
von Körperteilen
können
einzeln oder in Kombination für
Taucher- oder Raumfahrtanzüge
verwendet werden. In ähnlicher
Weise können
Vorrichtungen mit nur einer Basis und einer Plattform, die über einen
Parallelmechanismus verbunden sind, oder Kombinationen hiervon in
Verbindung mit Orthesen für
Rehabilitationsgeräte
genutzt werden, wobei zur Unterstützung der Rehabilitation dynamische
und/oder kinematische Parameter der Bewegungen erfaßt werden
können,
beispielsweise zum Zweck der Diagnostik oder zur rückgekoppelten
Steuerung der Aktuatoren des Parallelmechanismus mit Hilfe einer
zentralen Steuereinrichtung.
-
Die in der vorstehenden Beschreibung,
den Ansprüchen
und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausführungsformen von
Bedeutung sein.