DE4408351A1

DE4408351A1 - Exoskeletales System

Info

Publication number: DE4408351A1
Application number: DE4408351A
Authority: DE
Inventors: Yigal Moscovitz; Sorin Faibish; Gideon Ishai; Arkady Gotshtein
Original assignee: State of Israel
Current assignee: State of Israel
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1994-03-12
Publication date: 1994-09-15
Also published as: IL105034A0; FR2716826A1; GB2278041A; IL105034A; GB9404822D0; FR2702698A1; JPH07112035A; FR2716777A1

Description

Die Erfindung betrifft ein exoskeletales System nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Ver stärkung der Fähigkeit eines Menschen, zu gehen, zu springen, Kraft auszuüben, Lasten zu tragen und dgl., und betrifft insbesondere exoskeletale Systeme, die mit einem menschlichen Benutzer an einer begrenzten Anzahl von Punkten verbunden sind, die aber die Füße des Benut zers umfassen, und die dazu dienen, die Fähigkeit des Benutzers zu vergrößern, sich selbst und jede beliebige Last zu transportieren, inklusive der Vorrichtung selbst, die ein Benutzer tragen zu wünschen mag.

Verschiedene Technologien sind in den vergangenen Jahren entwickelt worden, um schnell und effizient einen Men schen von einem Platz zu einem anderen zu bringen. Gleicherweise sind bereits beträchtliche Technologien bekannt, um verschiedene schwierige Aufgaben zu lösen, wie z. B. das Anheben und Transportieren von großen La sten.

Jedoch sind die bestehenden Technologien in bestimmten Anwendungen unzulänglich, wenn bestimmte Umstände es verhindern, daß eine Maschine eingesetzt wird, die sonst dazu fähig wäre, einen Menschen transportieren und/oder die entsprechende Aufgabe zu erfüllen. Um nur ein Bei spiel zu nennen, ist es allgemein anerkannt, daß ein gut ausgestatteter Retter (z. B. Feuerwehrmann), ein Sportler oder ein Bergsteiger oder dgl. eine unverzichtbare Rolle spielt durch seine Fähigkeit, Gelände zu passieren, das anders unmöglich zu passieren ist, und er daher Aufgaben lösen kann, die jenseits der Fähigkeiten einer Maschine liegen.

Es ist daher seit langem gewünscht worden, eine Techno logie zu entwickeln, die die Fähigkeit eines Menschen zu gehen und verschiedene Aufgaben auszuführen, wie z. B. das Anheben und das Tragen verschiedener Lasten, während er auf seinen Füßen steht, vergrößern kann.

Verschiedene Versuche sind in den vergangenen Jahrzehn ten gemacht worden. Ein derartiges System, das von Har diman entworfen wurde, wurde vor mehreren Jahrzehnten von General Electric entwickelt und betrifft einen ro botterähnlichen Anzug, den ein Benutzer über seinem ge samten Körper trägt, während er über eine Anzahl von Be tätigungsmitteln und Servosteuerungen diesen kontrol liert. Der Anzug ist aber sperrig, technisch komplex und unflexibel. Nur die Arme des Anzugs haben bitalerale Fä higkeiten, wobei die Beine der Maschine als einfache Ab stützeinheiten auf einer Master-Slave-System-Basis be nutzt sind.

Neueren Datums ist ein von Pitman entworfenes System, von der U.S. Advanced Weapons Technology Group im Los Alamos National Laboratory vorgeschlagen worden. Das Pitman-System enthält, wie sein Hardiman-Vorgänger, ei nen Anzug, der vom Benutzer getragen wird. Anders als der Hardiman-Anzug ist der Pitman-Anzug flexibler und enthält mehrere verschiedene Untersysteme, die Schutz gegen panzerbrechende Munition, chemische und biologi sche Waffen und Laser- und Nukleareinwirkungen bieten. Der Pitman-Vorschlag erläutert jedoch nicht, wie die Be wegung des Anzugs gesteuert werden soll.

Weitere Entwicklungen sind in der Entwicklung einer an thropomorphischen Struktur gemacht worden, die die Fä higkeiten eines Menschen vergrößern wird, aber nicht sperrige und unflexible Anzüge betrifft, sondern statt dessen Glieder enthält, die etwas von dem Benutzer ent fernt angeordnet sind und so dem Benutzer erlauben, sich bequem zu dehnen, zu laufen und verschiedene andere Kör perbewegungen relativ unbeeinträchtigt vom System aus zu führen.

Anstrengungen zur Entwicklung solcher exoskeletaler Sy steme sind bisher im wesentlichen auf die Entwicklung von mechanisierten Armen beschränkt. Beispielhaft für diese Anstrengungen ist die Arbeit von Steven Jacobsen an der Universität von Utah, die einen hydraulisch ange triebenen, anthropomorphischen Arm mit zehn Freiheits graden umfaßt. Der Arm ist ein ferngesteuerter ′Slave′ und entspricht Eins-zu-Eins seinem Master. Der Last wie dergebende Master entspricht dem Arm des Benutzers. Wenn der ′Slave′ ein Objekt greift, bringt der exoskeletale Master Last auf den Arm des Benutzers und auf die Finger auf, die direkt proportional zur Last sind, die auf das Objekt ausgeübt wird. Ein Nachteil dieses Systems, das bei allen Master/Slave-Systemen besteht, ist seine große Komplexität, die zwei Sätze von Betätigungselementen, Sensoren und Elektronik benötigt.

In jüngerer Zeit hat H. Kazerooni, ursprünglich am Mas sachusetts Institute of Technology und später an der Universität von California, Berkely, einen mechanisier ten Arm entwickelt, der Systeme nutzt, die auf direkter Anregung des ′Slave′ beruhen. Die angetriebenen "Exten der" unterstützen die natürliche Stärke des Arms des Be nutzers. Physischer Kontakt an der Schnittstelle zwi schen dem Extender und dem Benutzer ermöglicht die Über tragung mechanischer Kraft und Informationssignale. Da durch wird die Kontrolle des Extenders ohne jegliche Art von Joystick, Keyboard oder Master/Slave-System ermög licht.

In Kazeroonis System bringt der Benutzer seinen Arm in einen Gummizylinder, der innerhalb des Verstärkers an geordnet ist, ein. Piezoelektrische Lastzellen, die zwi schen dem Zylinder und der äußeren Schale des Extenders angeordnet sind, erfassen die interaktiven Lasten zwi schen dem Arm des Benutzers und der Maschine. Ein zwei ter Satz von Lastzensoren bestimmt das Gewicht und die Beschleunigung der Last, die zu bewegen ist. Parallel prozessoren bestimmten die Dynamik der Bewegung des Be nutzers und passen die Maschinenwiderstände denen des Benutzers an. Da Lastspiegelung natürlicherweise auf tritt, fühlt der menschliche Arm eine maßstabverringerte Last der tatsächlichen Last, die auf dem Extender ruht.

Während das Laststeuerungssystem von Kazerooni beträcht lich weniger kompliziert ist als vorhergehende Systeme, kann ein derartiges System nicht auf die Verstärkung der Fähigkeiten der Beine eines Benutzers angewandt werden, da sie ein feineres System benötigen, um die inhärenten Stabilitätsprobleme, die bei einem solchen System auf treten, zu erfassen und ihnen entsprechend Rechnung zu tragen.

In vielen Anwendungen ist die Verstärkung der Funktionen der Beine eines Benutzers, wie z. B. die Fähigkeit, schnell und über lange Zeiten zu wandern, von höchster Wichtigkeit. Solches Systeme erlauben es dem Benutzer, den Schwerpunkt der Mensch-Maschinen-Anordnung zu fühlen und dynamisch den Benutzer mit der Maschine zu verbin den.

Wenigstens ein solches System ist entwickelt worden, um die Fähigkeiten der Beine eines Benutzers zu verstärken. Dieses System, das als Spring Walker bekannt ist, ist im U.S.-Patent Nr. 5 016 869 offenbart. Der Spring Walker besitzt Beinverlängerungen, die mit einem Federsatz ver bunden sind und mit Seilzügen, die alternativ Energie speichern und Energie abgeben, um effizientere Fortbewe gung zu schaffen. Der Spring Walker, der ein Paar von nach hinten gerichteten Knieverbindungen aufweist, macht durch die Benutzung der Energie speichernden Federn trampolinähnliche Sprünge und große Schritte möglich, wobei der Benutzer von der Maschine unterstützt ist. Steuerung der Vorrichtung wird durch direkte mechanische Verbindung zwischen dem Benutzer und der Maschine er reicht. Während die Vorrichtung in bestimmtem Zusammen hang sinnvoll ist, leidet der Spring Walker jedoch an einem Stabilitätsproblem, wenn man steht. Die Vorrich tung ist inhärent instabil, wenn sie nicht in Bewegung ist. Zusätzlich ist die Verbindung des Benutzers und der Maschine so, daß die Bewegungsfreiheit eines Benutzers sehr eingeschränkt ist.

Es ist daher allgemein anerkannt, daß es eine Notwendig keit gibt und daß es sehr vorteilhaft wäre, ein lastge steuertes, exoskeletales System zu haben, das die Fähig keiten des Benutzers zu gehen, zu laufen, zu springen und dgl. verstärkt, das mechanische Lastverstärkung mit z. B. der Fähigkeit zum Tragen von Nutzlasten inklusive der Last des Systems selbst und wenigstens eines Teils des Gewichts des Benutzers aufweist, das Balance und Stabilität zeigt, und das dem Benutzer leichtes und schnelles Anlegen und Ablegen erlaubt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine exoske letale Vorrichtung zu schaffen, die einem Benutzer hilft, eine Nutzlast zu tragen, während er sich über den Boden bewegt, mit:

(a) einem rechten Beinglied, das an dem rechten Fuß des Benutzers angebracht ist, um so La sten im rechten Beinglied direkt auf den Boden zu über tragen,
(b) einem linken Beinglied, das an dem linken Fuß des Benutzers angebracht ist, um Lasten in dem lin ken Beinglied direkt auf den Boden zu übertragen, und
(c) einer Nutzlast/Benutzer-Verbindung, die mit der Nutzlast verbunden ist und weiter mit dem rechten Bein glied und mit dem linken Beinglied verbunden ist, wobei die Nutzlast/Benutzer-Verbindung so angeordnet ist, daß Kräfte, die von dem Benutzer auf die Nutzlast/Benutzer- Verbindung ausgeübt werden, dazu dienen, die Bewegung der Vorrichtung zu führen.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen nach der vorliegen den Erfindung sind die Beinglieder mit Fußgliedern ver bunden, die an die Füße des Benutzers angebracht sind.

Weiter enthält die exoskeletale Vorrichtung, die einem Benutzer hilft, eine Nutzlast zu tragen, während er sich über den Boden bewegt, erfindungsgemäß

(1) ein Paar Sen soren zur Erfassung der Last zwischen jedem Fußglied und dem entsprechenden Fuß des Benutzers,
(2) ein Paar Sen soren zum Erfassen der Last zwischen jedem der Fußglie der und dem Boden,
(3) einen Sensor zum Erfassen der Last zwischen dem Benutzer und der Nutzlast/Benutzer- Verbindung,
(4) eine Betätigungsvorrichtung für das rechte Beinglied,
(5) eine Betätigungsvorrichtung für das linke Beinglied,
(6) ein Steuerungssystem, das mit den Sensoren und den Betätigungselementen zur Steuerung der Bewegung der Vorrichtung verbunden ist.

Nach weiteren Merkmalen der beschriebenen, bevorzugten Ausführungen enthalten das rechte Beinglied und das lin ke Beinglied einen Fußhalt, der im wesentlichen zwischen dem Fuß des Benutzers und dem Boden angeordnet ist, und wenigstens zwei Segmente, wobei die Segmente miteinander durch eine Verbindung verbunden sind, und ein Nutzlast tragendes Glied, das eine Einrichtung zum wenigstens teilweisen Unterstützen des Gewichts des Benutzers um faßt.

Die vorliegende Erfindung löst die Nachteile der bisher bekannten Anordnungen, indem ein relativ flexibles und leicht einzusetzendes, lastgesteuertes, exoskeletales System geschaffen wird, das dazu in der Lage ist, die Fähigkeiten des Benutzers beim Gehen, Laufen, Springen, Nutzlasttragen und der Kraftausübung zu verstärken, und das geeignete Balance und Stabilität besitzt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung bevorzugter Ausführungs beispiele, in denen beispielhaft bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung und die Anhänge die Erfindung er läutert wird. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung, wie sie aussehen kann, wenn der Be nutzer sich in stehender Position befindet,

Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn der Benutzer geht,

Fig. 3 eine Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn der Benutzer geht oder rennt,

Fig. 4 die Darstellung der Fig. 3, aber unter Hinzu fügung einer Einrichtung, um einen Teil des Gewichts des Benutzers zu unterstützen,

Fig. 5 eine Darstellung wie Fig. 3, aber mit Hinzufü gung zweiter maschinengetriebener Polsterla gen, die unterhalb der Füße des Benutzers an geordnet sind,

Fig. 6 eine schematische Seitendarstellung einer Vor richtung nach der Erfindung, die die Schnitt stellen zwischen dem Benutzer und der Vorrich tung und zwischen der Vorrichtung und dem Bo den oder der Nutzlast zeigt,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Elemente, die die Vorrichtung nach der vorliegenden Er findung ausmachen,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einiger der Schlüsselkomponenten der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 das Gesamtkonzept eines Master/Slave-Systems,

Fig. 10 das Gesamtkonzept eines Systems nach der vor liegenden Erfindung, in der ein Mensch direkt einen ′Slave′ kontrolliert,

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Nachfolgens mit Laststeuerung,

Fig. 12 ein System der Fig. 11 in einer idealisierten Bedingung,

Fig. 13 eine Querschnittsdarstellung in Draufsicht ei ner passiven Nutzlast tragenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 14 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 16,

Fig. 15 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, wie sie in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist, die mehr Konstruktionsdetails darstellt,

Fig. 16 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 15,

Fig. 16A eine Darstellung einer Hüftanordnung der Vor richtung der Fig. 15 und 16,

Fig. 16B eine andere Darstellung einer Hüftanordnung der Fig. 16A,

Fig. 16C eine Darstellung eines Schuhabschnitts der Vorrichtung der Fig. 15 und 16,

Fig. 16D eine andere Ansicht eines Schuhabschnitts der Fig. 16C,

Fig. 17 eine Seitendarstellung eines Schuhs mit einer Energie speichernden Einrichtung, die an die Sohle angebracht ist,

Fig. 18 eine Bodenansicht eines Schuhs der Fig. 17,

Fig. 19 eine Seitenansicht mit Darstellung des elasti schen Elements 74 der Fig. 6, das zwischen der Schnittstelle 48 der Fig. 6 und dem Boden ein gearbeitet ist,

Fig. 20 eine Darstellung der Nutzlast 40, eines Nutz laststabilisierers 68, eines elastischen Ele ments 90 und eines Rahmens 14 der Fig. 6,

Fig. 21 eine detaillierte Darstellung von der Seite, die den Zusammenhang zwischen Nutzlastrahmen 14 und Gürtel 56 der Fig. 6 zeigt,

Fig. 22 eine Darstellung einer exoskeletalen Vorrich tung, konstruiert und betrieben als alternati ve Ausführung der vorliegenden Erfindung, die zur Ermöglichung einer Pedalbewegung durch ei nen menschlichen Nutzer geeignet ist,

Fig. 23 eine Darstellung der Verbindung 25 in Fig. 6,

Fig. 24 eine schematische Vektordarstellung des grund legenden Aufbaus eines Steuerungssystems, das beim Betrieb der vorliegenden Erfindung be nutzt wird,

Fig. 25 eine idealisierte schematische Darstellung des Systems, das in Fig. 24 dargestellt ist,

Fig. 26 eine schematische Darstellung des Betriebs der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wäh rend sie an ein Fitneßfahrrad angebracht ist,

Fig. 27 eine schematische Darstellung eines Steue rungssystems, das beim Betrieb der Vorrichtung nützlich ist, während sie an einem Fitneßfahr rad angebracht ist, und

Fig. 28 eine schematische Darstellung der Servoge schwindigkeitsschleife, die auf der CTT- Methode basiert.

Anhang A die Simulationssoftware einer exoskeletalen Vorrichtung, die zur Ermöglichung stationärer Pedalbewegung nützlich ist.

Die vorliegende Erfindung einer exoskeletalen, lastge steuerten robotischen Vorrichtung kann zur Verstärkung der Fähigkeiten eines Benutzers, zu gehen und Lasten zu tragen, benutzt werden.

Die Prinzipien der lastgesteuerten, exoskeletalen, das Gehen verstärkenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung können besser unter Bezug auf die Zeichnungen und die beigefügte Beschreibung verstanden werden.

Bezugnehmend nun auf die Zeichnungen, zeigt Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung nach der vor liegenden Erfindung, in der der Benutzer in einer ste henden Position ist. Die Vorrichtung enthält ein rechtes Beinglied 10, das vorzugsweise an seinem unteren Ende in geeigneter Weise mit einem rechten Fußglied 18 verbunden ist, das wiederum in geeigneter Weise an dem rechten Fuß des Benutzers angebracht ist. Die Plazierung des rechten Beingliedes 10 und des rechten Fußgliedes 18 erfolgt derart, daß Lasten im rechten Beinglied 10 direkt auf den Boden übertragen werden, immer, wenn das rechte Fuß glied 18 in Kontakt mit dem Boden ist, ohne durch einen Teil des Körpers des Benutzers zu gehen.

In der gesamten Beschreibung und in den Ansprüchen wird das Wort "Boden" benutzt, um den Abschnitt der Umgebung des Benutzers zu kennzeichnen, der mit den Fußgliedern der Vorrichtung in Verbindung tritt. In den meisten Fäl len wird dies die Erdoberfläche sein. Jedoch kann in be stimmten anderen Fällen "Boden" das Pedal eines Fahrra des, die Sprosse einer Leiter und dgl. bedeuten. Die Be nutzung des Wortes "Boden" wird daher nur aus Gründen der Einfachheit gemacht und nicht, um den Schutzbereich der Erfindung einzuengen.

Die Vorrichtung enthält außerdem ein linkes Beinglied 12, das an ein linkes Fußglied 20 angebracht werden kann, die ähnlich zum rechten Beinglied 10 und rechten Fußglied 18 sind, und die vorzugsweise mit diesen in je der Hinsicht identisch sind.

Wie am besten in Fig. 6 zu erkennen ist, wird jedes Beinglied 10 und 12 direkt oder indirekt in der Nähe seines oberen Endes durch ein geeignetes Verbindungs stück 25, das aktiv oder passiv sein kann und weitere Komponenten enthalten kann, an einen Nutzlastrahmen 14 angesetzt, der wiederum mit dem Benutzer durch eine Rahmen/Benutzer-Schnittstelle 42 verbunden ist und mit einer Nutzlast 40 durch eine Rahmen/Nutzlast-Schnitt stelle 16. Die Verbindungen sind derart, daß wenigstens ein Teil der Last, die durch die Nutzlast ausgeübt wird, auf das rechte Beinglied 10 und/oder das linke Beinglied 12 übertragen wird, wenn direkter oder indirekter Kon takt zwischen einem oder beiden der Beinglieder und dem Boden gemacht wird. Auf diese Art wird wenigstens ein Teil der Gesamtlast direkt auf den Boden übertragen, oh ne irgendeinen Abschnitt des Körpers des Nutzers dazu zu benötigen, die Last zu tragen.

Die Rahmen/Benutzer-Schnittstelle 42 wird vorzugsweise mit dem Benutzer z. B. durch Verbindung mit dem Rücken des Benutzers verbunden, so daß Lasten, die Kräfte und Impulse umfassen, die von dem Benutzer auf die Rahmen/Benutzer-Schnittstelle 42 ausgeübt werden, als Führung der Bewegung der Vorrichtung dienen. In Fig. 1 bis 6 wird die Rahmen/Benutzer-Schnittstelle 42 als auf dem Rücken des Benutzers angebracht dargestellt. Andere Anordnungen sind auch möglich, wie im folgenden be schrieben.

Jedes der Beinglieder 10 und 12 enthält vorzugsweise we nigstens zwei Segmente 22. Jedes Paar benachbarter Seg mente 22 eines einzelnen Beinelements 10 oder 12 wird zu jedem anderen durch eine Verbindung 24 verbunden, die passiv oder aktiv, fest oder flexibel sein kann, und die ein oder mehr zusätzliche Komponenten enthalten kann, wie in größerer Ausführlichkeit im folgenden beschrieben werden wird. Segmente 22 können von teleskopischer Art sein, wobei ein Segment innerhalb oder relativ zu einem anderen gleitet. In diesem Fall bezeichnet die Verbin dung 24 den Punkt der Wirkverbindung der teleskopischen Segmente 22. Die beschriebene Konfiguration erlaubt dem Benutzer, einfach zu knien und auf einem oder beiden Knien auf dem Boden zu ruhen.

Jedes der Beinglieder 10 oder 12 wird vorzugsweise in der Nähe seines unteren Endes an Fußglieder 18 und 20 angeordnet, die vorzugsweise im wesentlichen zwischen dem Fuß des Benutzers und dem Boden angeordnet sind oder wenigstens mit dem Fuß des Benutzers eine Kontaktfläche mit dem Boden gemeinsam haben, um die Übertragung der Last auf den Boden zu erlauben.

Fig. 1 bis 4 zeigen eine Vorrichtung nach der vorliegen den Erfindung, wie sie aussehen mag, wenn sie durch ei nen Benutzer in verschiedenen Positionen benutzt wird. Der Benutzer, der in Fig. 1 dargestellt ist, ist in ste hender Position. Hier ist es wünschenswert, daß die Vor richtung die Stabilität des Benutzers und der Vorrich tung sichert und zu diesem Zweck Informationen über die Anordnung des Schwerpunkts der Mensch/Maschinen- Anordnung übermittelt, um dem Benutzer zu ermöglichen, zur Stabilisierung der Anordnung zu handeln. Die Stabi lisierung kann durch jedes geeignete Inertial-Stabili sierungs-System, insbesondere durch solche Systeme mit Gyroskopen, erreicht werden, aber nicht nur durch sol che.

In der Fig. 2 ist eine typische Gehposition dargestellt, bei der zusätzlich zur Stabilisierung der Anordnung die Vorrichtung auch Wechselwirkung zwischen dem Benutzer und dem Boden ermöglichen muß.

Dargestellt in den Fig. 3, 4, und 5 ist eine typische Geh- oder Laufposition. Hier muß die Vorrichtung die richtige Entgegennahme der Last, die durch das Gewicht des Benutzers der Vorrichtung und der Nutzlast erzeugt wird, sicherstellen. Zusätzlich wird die Vorrichtung tä tig, um die Nutzlast relativ zum Benutzer zu stabilisie ren.

In Fig. 4 weist die Vorrichtung eine Unterstützungsein richtung 30 auf, die typischerweise in Form eines Sat tels gebildet ist, um wenigstens einen Teil des Gewichts des Benutzers zu unterstützen, was weiter die Fähigkeit des Benutzers, sich mit vergrößerter Geschwindigkeit für längere Zeiten fortzubewegen, steigert.

In Fig. 5 wird die Vorrichtung der Fig. 3 mit zusätzli chen Verbindungen dargestellt, die dazu dienen, die Füße des Benutzers, die auf einem oberen Abschnitt 32 auf ei nem Fußhalt ruhen, vom Boden zu trennen, der in Kontakt mit einem unteren Abschnitt 34 des Fußhalts kommt, der von dem oberen Abschnitt 32 beabstandet ist. Eine solche Anordnung verlängert effektiv die Beine des Benutzers und macht es möglich, mit größeren Geschwindigkeiten sich fortzubewegen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 6 abgebil det ist und teilweise obig beschrieben ist, wird die Rahmen/Nutzlast-Schnittstelle 16 in der Nähe des Rückens des Benutzers angeordnet und unterstützt eine Nutzlast 40. Die Rahmen/Nutzlast-Schnittstelle 16 ist wiederum durch den Nutzlastrahmen 14 unterstützt, der durch eine Rahmen/Benutzer-Schnittstelle 42 auf dem Rücken des Be nutzers angeordnet ist.

Jedes Fußglied 18 und 20 enthält vorzugsweise ein Struk turelement 44, das mit dem entsprechenden Beinglied 10 oder 12 und einem Paar von Schnittstellen - einer Benutzer/Strukturelement-Schnittstelle 44 und einer Strukturelement/Boden-Schnittstelle 48 - verbunden ist. Jede dieser Schnittstellen kann verschiedene passive und/oder aktive Komponenten enthalten und enthält vor zugsweise eine oder mehrere Lastzellen, um eine oder mehrere Kräfte zu messen und/oder einen oder mehrere Im pulse. Vorzugsweise messen Lastzellen drei Kräfte und drei Drehmomente.

Die Anordnung, die in der Fig. 6 dargestellt ist, ermög licht es dem System, die Last, die durch die Nutzlast 40 und die Vorrichtung und den Benutzer ausgeübt wird, zu erfassen, und ermöglicht die Durchführung entsprechender Korrekturen, so daß die Last, die durch die Nutzlast 40 erzeugt wird, sich nicht nachteilig auf den Benutzer auswirkt.

Vorzugsweise werden die Korrekturen durch eine Serie von Betätigungselementen (nicht dargestellt) erreicht, die an jedem geeigneten Ort angeordnet sind, insbesondere, aber nicht nur, an Verbindungen 24 zwischen benachbarten Segmenten 22. Die Signale von den verschiedenen Lastsen soren werden von einem Steuerungssystem aufgenommen und analysiert, das im folgenden im Detail beschrieben wer den wird, und das Kommandos an verschiedene Betätiger gibt, um zu gewährleisten, daß die Vorrichtung ordnungs gemäß arbeitet.

Das Gesamtsystem ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Das Gesamtsystem enthält einen Benutzer, eine Maschine, eine Nutzlast und eine Anzahl von Schnittstellen zwi schen Maschine und Benutzer, zwischen Maschine und Nutz last und zwischen Maschine und dem Boden. Lasten werden in jeder Schnittstelle in beiden Richtungen übertragen. Vorzugsweise enthält das System auch eine Energieversor gung, um die Muskelkraft des Benutzers zu unterstützen.

Abgebildet in Fig. 8 sind einige der Komponenten der Ma schine. Sensordaten werden an eine CPU-Einheit weiterge geben, die die gewünschten Bewegungsbahnen der verschie denen Verbindungen errechnet, wobei die Verbindungen fest oder flexibel sein können. Die Information wird ge nutzt, um eine Servosteuerungseinheit anzutreiben, die geeignete Kommandos an die verschiedenen Betätigungsele mente sendet, die verschiedene hydraulische und/oder pneumatische Kolben enthalten können. Rückkopplungssen soren schließen die Rückkopplungsschleife, wobei sie die Arbeit der Betätigungselemente beobachten und Informa tionen an die Servosteuerungseinheit senden. Die Betäti gungselemente erzeugen Kräfte, die die verschiedenen Me chanismen antreiben, die wiederum bewirken, daß die ver schiedenen Verbindungen sich in der gewünschten Weise bewegen.

Das System der vorliegenden Erfindung bedarf anders als ein Master/Slave-System der Bewegungen des Benutzers, um die Maschine direkt anzutreiben. Ein typisches Master/Slave-System wird schematisch in Fig. 9 darge stellt. In einem solchen System steuern Kommandos des Benutzers den Master. Der Master wiederum steuert den ′Slave′, der mit der Umgebung wechselwirkt.

Im Gegensatz dazu wird in dem System nach der vorliegen den Erfindung, das schematisch in Fig. 10 dargestellt ist, eine direkte dynamische Wechselwirkung zwischen dem Benutzer und dem ′Slave′ vorliegen. Das System wird durch Lastkontrolle gesteuert, entweder passiv oder an getrieben. Der Vorteil eines solchen Systems liegt in seiner Einfachheit, die durch das Weglassen eines Ma sters ermöglicht wird, der normalerweise die Angelegen heit wesentlich kompliziert, indem ein zweiter Satz von Sensoren, Betätigungselementen und entsprechender Ein richtungen benötigt wird.

Ein mögliches Lastkontrollschema wird schematisch in Fig. 11 dargestellt. Der Benutzer erzeugt bestimmte Kräfte, die durch Lastsensoren erfaßt werden. Die Signa le der Lastsensoren werden dann analysiert, und das Im pedanzkontrolluntersystem erzeugt Geschwindigkeitskom mandos an eine Servoschleife, die mit der Umgebung wech selwirkt. Die Geschwindigkeiten, die durch die Servosch leife zurück an den Benutzer geleitet werden, geben dem Benutzer eine Echtzeiterfahrung des Status der Mensch/Maschinen-Anordnung. Ein ideales System, das ide ale Sensoren besitzt, eine unmittelbar arbeitende Ser voschleife und ein perfekt genaues Impedanzmodell, würde wie in Fig. 12 dargestellt erscheinen.

In einem Satz von Ausführungsbeispielen des Systems nach der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung passiv in dem Sinne, daß sie keine Betätigungselemente oder Ener gieversorgung enthält. Ein Beispiel eines solchen Aus führungsbeispiels ist in Fig. 13 bis 16 dargestellt. Fig. 13 und 14 sind jeweils vereinfachte Drauf- und Sei tenansichten einer Vorrichtung, die beim Tragen von Nutzlasten nützlich ist. Die Vorrichtung enthält ein Paar von Beingliedern 110 und 112, wobei jedes an seinem unteren Ende mit einem Fußglied 118 und 120 verbunden ist, die wiederum in einer geeigneten Weise mit den Fü ßen des Benutzers derart verbunden sind, daß Lasten in einem Beinglied 110 oder 112 oder beiden direkt auf den Boden übertragen werden, immer, wenn der Fuß des Benut zers, der an dem Beinglied angebracht ist, mit dem Boden Kontakt aufnimmt.

Die oberen Enden der Beinglieder 110 und 112, sind in geeigneter Weise mit einem Traggeschirr 150 oder Rahmen verbunden, der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel den Benutzer um seinen Mittelabschnitt herum umgibt und vorzugsweise in einer geeigneten Weise mit dem Benutzer verbunden ist. Das Traggeschirr 150 kann eine Nutzlast (nicht dargestellt) beherbergen, z. B. durch Angurten der Nutzlast an, durch Aufbringen der Nutzlast auf das Traggeschirr 150.

Das Arbeitsprinzip einer solchen Nutzlast tragenden Vor richtung besteht darin, daß zu allen Zeiten, wenn der Benutzer geht, wenigstens einer seiner Füße in Kontakt mit dem Boden ist. Da das Fußglied in geeigneter Weise mit den Füßen des Benutzers verbunden ist, berührt es immer dann, wenn einer der Füße des Benutzers den Boden kontaktiert, auch den Boden und wird dadurch dazu in der Lage sein, jede Last, die durch das entsprechende Bein glied unterstützt wird, zu übertragen. Die Beinglieder werden miteinander durch ein gemeinsames Traggeschirr zusammengefügt, das wiederum die Nutzlast, die transpor tiert werden soll, unterstützt. Entsprechend gewählte Formgebung des Systems, die im folgenden im einzelnen beschrieben werden wird, ermöglicht das Verlagern des Gewichts des Systems mit der Nutzlast, während die Füße des Benutzers alternierend Kontakt mit dem Boden aufneh men und sich vom Boden abheben. Die Lastverschiebung wird auf eine Weise erzeugt, die analog zur Funktions weise der menschlichen Hüftverbindung ist, wie im fol genden detailliert beschrieben werden wird.

Eine detailliertere Version einer passiven nutzlasttra genden Vorrichtung, die im allgemeinen obig bereits be schrieben wurde, wird in Draufsicht und in Seitenansicht jeweils in den Fig. 15 und 16 dargestellt und in den Großdarstellungen einzelner Abschnitte der Vorrichtung, die in den Fig. 16A bis 16B dargestellt sind.

Die Vorrichtung enthält einen lasttragenden Rahmen 400, auf dem verschiedene Lasten (nicht dargestellt) ange bracht werden können oder in geeigneter Weise aufgesetzt werden können. Fest an dem lasttragenden Rahmen 400 ist eine hüftstabilisierende Anordnung 402 vorgesehen, die im Detail im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 16A und 16B beschrieben ist. Die hüftstabilisierende Anordnung 402 ist durch eine Hüftverbindung 404 mit einer Spann stange 406 verbunden, die wiederum mit einer Knieverbin dung 408 verbunden ist. Die Knieverbindung 408 verbindet die Spannstange 406 mit einer Unterschenkelstange 410, die wiederum mit einer Fußgelenkverbindung 412 verbunden ist. Die Fußgelenkverbindung 412 ist fest mit dem Schuh 444 des Benutzers verbunden, vorzugsweise mit der Hacke des Schuhs 444.

Der lasttragende Rahmen 400 (der aus Gründen der Klar heit der Darstellung nicht in der Fig. 16 dargestellt ist) ist vorzugsweise starr. Die Schnittstelle zwischen Benutzer und lasttragendem Rahmen 400 ist vorzugsweise im Mittelabschnitt des Benutzes inklusive seines Rücken bereiches angeordnet. Die Schnittstelle wird vorzugswei se durch eine Reihe von geeignet angeordneten Körperkon taktplatten 414 gebildet. Die Kontaktplatten 414 werden so angeordnet, daß sie dem Benutzer erlauben, auf den lasttragenden Rahmen 400 Horizontalkräfte auszuüben, die dazu benötigt werden, die Vorrichtung zu führen.

Die Kontaktplatten 414 sind so angeordnet, daß sie eine relativ freie vertikale Relativbewegung zwischen dem Be nutzer und den Kontaktplatten 414 erlauben, so daß prak tisch keine vertikale Last auf den Benutzer übertragen wird, dadurch daß eine Nutzlast getragen wird.

Wie einfach nachvollzogen werden kann, besteht immer dann, wenn der Benutzer eines seiner Beine vom Boden an hebt, eine starke Tendenz dazu, daß der Abschnitt der Vorrichtung auf der Seite des Beines, das angehoben ist, nach unten zusammenfällt unter der kombinierten Last so wohl der Nutzlast als auch des Gewichtes der Vorrichtung selber. Um dieser Tendenz vorzubeugen, wird die hüftsta bilisierende Anordnung 402 benutzt, die im Detail in den Fig. 16A und 16B dargestellt ist. Die hüftstabilisieren de Anordnung 402 enthält ein oberes Element 420, einen Abschnitt, der starr mit dem lasttragenden Rahmen 400 verbunden ist, wie z. B. durch ein Paar von Bolzen 422, die einen Abschnitt des lasttragenden Rahmens 400 in ei nem Schlitz 424 greifen, der in dem oberen Abschnitt des oberen Elementes 420 vorgesehen ist.

Der untere Abschnitt des oberen Elementes 420 ist schwenkbar um ein Querschwenkscharnier 426 am oberen Arm 428 verbunden, der von der Hüftverbindung 404 hervor steht. Es ist zu bemerken, daß die Achse der Schwenkung der Querschwenkverbindung 426 rechtwinklig zu der der Hüftverbindung 404 ist. Die Kombination der zwei Schwenkverbindungen ermöglicht eine kreisförmige Bewe gung mit zwei Freiheitsgraden zwischen dem lasttragenden Rahmen 400 und der Oberschenkelstange 406.

Um der Tendenz der Vorrichtung entgegenzuwirken, auf ei ner Seite zusammenzusacken, wenn der Benutzer sein Bein anhebt, wird die folgende Anordnung geschaffen. Ange bolzt an den oberen Arm 428 wird ein Einsatz 430 vorge schlagen, der sich quer zu diesem erstreckt, so daß er im wesentlichen parallel zu und unterhalb eines Vor sprunges des oberen Elementes 420 verläuft. Die Verlän gerung des oberen Elementes 420 wird mit einer Scheibe 434 über eine Verbindung 432 verbunden, die z. B. eine justierbare Schraube sein kann, die sich durch einen Einsatz 430 hindurch erstreckt. Zwischen der Scheibe 434 und dem Einsatz 430 und zwischen dem Einsatz 430 und der Verlängerung des oberen Elementes 420 sind geeignete lastdämpfende Materialien z. B. verschiedene Gummi, Fe dern oder dergleichen, vorgesehen.

Die hüftstabilisierende Anordnung 402 arbeitet wie folgt. Wenn der Benutzer ein Bein vom Boden abhebt, ten diert der Abschnitt der Vorrichtung auf der Seite dieses Beines, das angehoben wurde, dazu herab zu fallen oder um den anderen Fuß in Richtung auf den Körper des Benut zers zu schwenken. Die Abwärtsbewegung verursacht eine Schwenkbewegung um den Schwenkpunkt 426. Jedoch wird diese Schwenkbewegung abgedämpft, und im wesentlichen durch den Widerstand der dämpfenden Materialien elimi niert, die dann anfangen zu wirken, wenn der Einsatz 430 dazu veranlaßt wird, sich der Verlängerung des oberen Elementes 420 anzunähern. Auf diese Weise wird die Hüfte stabilisiert und an wesentlichem Absenken gehindert, während das Bein nicht in Kontakt mit dem Boden ist.

Auch wird, wenn der Benutzer sein Bein anhebt und sein Knie beugt, um sich vorwärtszubewegen, die Knieverbin dung 408 gebeugt. Es ist wichtig, daß die Knieverbindung 408 wieder begradigt wird, bevor der Fuß zurück auf den Boden gesetzt wird. Um dies zu erreichen, ist die Vor richtung (siehe Fig. 15 und 16) mit einem Paar von Ober schenkelführungen 436 versehen, die mit den Oberschen kelstangen 406 derart verbunden sind, daß eine Vorwärts bewegung des Oberschenkels des Benutzers eine Oberschen kelführung 436 drückt und daher auch die Oberschenkel stange 406 nach vorn bewegt.

Das Beugen der Knieverbindung 408 bringt ein Strecken eines elastischen Elementes 438 mit sich, das ein ela stisches Band sein kann, z. B. ein Bungee-Band, das an die Oberschenkelstange 406 und die Unterschenkelstange 410 angesetzt ist. Das elastische Element 438 wird vor zugsweise durch ein Führungsrad 440 geführt, das auf z. B. der Oberschenkelstange 406 befestigt ist. Während sich das elastische Element 438 streckt, speichert es Energie, die anschließend dazu benutzt wird, die Ober schenkelstange 406 und die Unterschenkelstange 410 an einander ausgerichtet in ihre voll ausgefahrenen Stel lung zu bringen, bevor der Fuß auf den Boden gesetzt wird.

Eine Knöchelverbindung 412 wird im Detail in Fig. 16C und 16D dargestellt und enthält eine gerollte Feder 442, die zwischen Unterschenkelstange 410 und einem Hacken verbinder 444 eine Verbindung herstellt, der an einem Schuh des Benutzers, vorzugsweise an die Hacke, ange setzt ist. Die Knöchelverbindung 412 ist dazu vorgese hen, die axialen Schockbelastungen zu dämpfen und eine bestimmte Flexibilität zu schaffen, ohne die Freiheit der Bewegung des Knöchels des Benutzers einzuschränken.

Die Effizienz des erfindungsgemäßen Systems kann weiter dadurch vergrößert werden, daß eine Anzahl von geeigne ten energiespeichernden Einrichtungen vorgesehen wird, wie federelastischen Elementen oder geeigneten hydrauli schen oder pneumatischen Systemen und dergleichen, die dazu in der Lage sind, wenigstens einen Teil der Ener gie, die zur Verfügung steht, wenn der Fuß eines Benut zers auf den Boden gesetzt wird, zu speichern und die wenigstens einen Teil der gespeicherten Energie in das System wieder zurückführen können, um so den Energieauf wand des Benutzers und/oder des Systems zu verringern. Zwei Beispiele solcher Einrichtungen, die in Verbindung mit den Schuhen des Benutzers genutzt werden können, sind in den Fig. 17, 18 und Fig. 19 dargestellt.

Dargestellt in Fig. 17 und 18 ist eine Federanordnung, die mit dem Sohlenabschnitt es Schuhes eines Benutzers verbunden ist. Drei Federanordnungen 200 sind in Fig. 18 dargestellt. Aus Gründen der Klarheit ist nur eine die ser in Seitenansicht dargestellt (Fig. 17). Wie am be sten in Fig. 18 zu sehen ist, enthält die Federanordnung 200 vorzugsweise eine erste Feder 202 und eine zweite Feder 204 mit unterschiedlichen Durchmessern, die geeig net auf einer entsprechend geformten Spule 206 befestigt sind, die mit der Sohle des Schuhes in Verbindung steht. Die Elastizitäten der Federn und ihrer Länge ist so be messen, wenn sich der Schuh dem Boden nähert, nur eine der Federn zusammengepreßt wird. Weitere Annäherung des Schuhes an den Boden bewirkt die Kompression beider Fe dern mit höherer Gesamtelastizität. Auf diese Weise kön nen die stoß-absorbierenden Eigenschaften der Anordnung vergrößert werden, während die Anordnung gleichzeitig dazu dient, Energie zu speichern, die dann abgegeben wird, wenn der Schuh beginnt, sich vom Boden abzuheben.

Ein weiteres energiespeicherndes System ist in der Fig. 19 beschrieben. Die Hacke des Schuhes enthält eine geeignete Feder 300, von der nur die oberen und unteren Windungen im Querschnitt dargestellt sind, wobei die Windungen jeweils mit dem Schuh und einer auslenkbaren Hacke 302 in Verbindung stehen. Die auslenkbare Hacke 302 ist mit einer Schwenkstange 304 verbunden, die schwenkbar um einen Schwenkpunkt 306 ist, der fest mit dem Schuh in der Nähe seines vorderen Endes verbunden ist.

Während des normalen Gehens wird der Benutzer zuerst seine Hacke auf den Boden setzen und dann seinen Fuß vorwärts abrollen, während sich das Gewicht des Benut zers nach vorn vorschiebt, um den Fuß flach auf den Bo den zu setzen und dann den Boden nur noch mit der vorde ren Spitze des Fußes kurz vor Verlassen des Bodens mit dem Fuß zu berühren.

Der Mechanismus der Fig. 19 nutzt diesen Geh-Ablauf, um das Gehen zu ermöglichen. Insbesondere drängt eine Feder 300 die auslenkbare Hacke 302 nach unten. Wenn die Hacke 302 zuerst den Boden berührt, drückt die Kraft zwischen dem Schuh und dem Boden die Feder zusammen, wodurch die Hacke 302 zum Schuh hin ausgelenkt wird (dargestellt in gestrichelter Linie). Während der Schuh nach vorn rollt, lenkt die Feder 300 die Hacke 302 nach unten aus, was die Schwenkstange 304 verschwenkt, wobei Teile dieser dieser immer noch in Kontakt mit dem Boden verbleiben, so daß ein sicheres Abheben des Schuhes vom Boden be wirkt wird, wodurch einiges der gespeicherten Energie an den Nutzer zurückgegeben wird und sein Gehen erleichtert wird.

Im folgenden wird nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der ein Blockdiagramm einer bevorzugten Art der Steuerung der Vorrichtung der Fig. 6 dargestellt ist. Die Vorrich tung der Fig. 8 hält eine CPU 50, wie z. B. einen Intel 80486, der mit einer Vielzahl von Kräften und Drehmo mentsensoren versehen ist, die hier auch als "Lastsenso ren" bezeichnet werden und einer Vielzahl von Servosy stemen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Vielzahl der Lastsensoren die folgenden:

a) einen Lastsensor 52, der mit einer Schnitt stelle 16, zwischen der Nutzlast 40 und dem Rahmen 14 angeordnet ist, und dazu betrieben wird, Kräfte und Drehmomente des Zusammenwir kens zwischen dem Rahmen 14 und der Nutzlast 40 zu überwachen;
b) einen Lastsensor 54, der der Schnittstelle 42 zwischen Rahmen 14 und rahmentragendem Glied zugeordnet zu einem Körper ist, wie z. B. ein Gürtel 56, (siehe Fig. 6). Der Lastsensor 54 wird betrieben, um Kräfte des Zusammenwirkens und Drehmomente zwischen dem menschlichen Kör per und dem Nutzlastrahmen 14 zu erfassen.
c) einen Lastsensor 58, der an der Schnittstelle 46 zwischen dem Strukturglied 44 und dem Be nutzer angeordnet ist, der dazu betrieben wird, die Kräfte und Drehmomente des Zusammen wirkens zwischen dem Fuß des Menschens und dem Strukturglied 44 zu messen,
d) einen Lastsensor 60, der an der Schnittstelle 48 zwischen dem Strukturelement 44 und dem Bo den angeordnet ist. Lastsensor 60 wird zur Messung der Kräfte und Drehmomente des Zusam menwirkens zwischen dem Boden und dem Struktu relement 44 betrieben.
e) ein inertial-lage-erfassendes System 62, das mit der Nutzlast 40 verbunden ist.

Lastsensoren 52, 54, 58 und 60 können jeweils eine Last zelle, wie z. B. einen JR3-Viel-Achsen-Kraft/Dreh momentsensor enthalten, der kommerziell von JR3 Inc., 22 Harter Ave., Woodland, CA 95695, USA erhältlich ist.

Das inertial-lage-erfassende System 62 kann drei Be schleunigungsmesser enthalten, die die zur Messung der Beschleunigung entlang jeder der X, Y und Z Achsen an geordnet sind. Jeder Beschleunigungsmesser kann z. B. ein Modell 3110 Beschleunigungsmesser sein, der kommer ziell erhältlich ist von EuroSensor, ICSensors, 20-24 Kirby St., London EC1N 8TS, Großbritannien.

Die Vielzahl der Servosysteme kann das folgende enthal ten:

a) eine Vielzahl von Servosystemen 64 inklusive eines Servosystems 64 für jeden der Punkte 24, 27 und 29; und
b) ein Servosystem 66, das mit ein nutzlaststabi lisierendem Element 68 zusammengefügt ist, wie dies im Detail in Fig. 23 dargestellt ist.

Jedes Servosystem 64 kann einen Servobetätiger 80 (Fig. 6), der durch einen Servoverstärker gesteuert ist, enthalten, der Feedback von dem Servobetätiger über Po sition und Geschwindigkeitssensoren 82 (Fig. 6) erhält. Der Servobetätiger kann, z. B., ein Modell BMB-045 Servomotor sein, der kommerziell von Bental Motors, Ben tal Development Ltd., Kibbutz Merom Golan, 12905, Isra el, erhältlich ist. Der servoverstärker kann ein Mosfet PWM Servoverstärker sein, der kommerziell erhältlich von Elmo Motion Control Ltd., POB 463, Petah Tikva 49103, Israel, erhältlich ist. Ein geeigneter Positionssensor ist ein H27-HR-27 (Serie H - Taille 11) Potentiometer, kommerziell erhältlich von MCB, 48 Avenue Kleber, Courlis I, 97200, Colmbes, Frankreich, erhältlich ist. Ein geeigneter Geschwindigkeitssensor ist ein Tachome ter, kommerziell erhältlich von Inland Motor Division, Kollmorgent Corporation, Radford, VA, USA.

Zwei Methoden werden nun beschrieben, die dazu einge setzt werden können, durch die CPU 50 um die Servobetä tiger zu kontrollieren, wobei Input Daten , die von den Sensoren stammen, benutzt werden.

Methode 1 enthält die folgenden Schritte:

a) Nehme die Eingabe von den Sensoren, die die folgenden Eingangsgrößen messen:
- 1. FGS = Boden-Strukturelement Lastvektor (Sensor 60).
- 2. FUL = Rahmen-Gurt Lastvektor (Sensor 54).
- 3. FUS = Benutzer-Strukturelement Lastvektor (Sensor 58).
Jeder Lastvektor enthält drei lineare Kraftwerte und drei Drehmomentwerte oder Momente.
b) Benutze eine konventionelle Laststeuerungsme thode für jeden Fuß, um einen Vektor V als Funktion der obigen Eingangskräfte und Drehmo mente zu errechnen, wobei:
V = gewünschter Geschwindigkeitsvektor des Struk turelementes 44 auf einem einzelnen Fuß relativ zum Rahmen 14 ist. Der V Vektor enthält drei lineare Ge schwindigkeitswerte und drei Winkelgeschwindigkeits werte, die jeweils zu den X, Y und Z Achsen zugeord net sind.
Zum Beispiel wird zur Steuerung eines schwingenden Beins während des Gehens oder Laufens ein Wert an V zugewiesen, der FUS so nah wie möglich an Null bringt. Um ein Bein während relativ langsamer Bewe gung zu kontrollieren, wird ein Wert an V überwiesen, FUL so nah wie möglich an Null bringt.
Konventionelle Laststeuerungsmethoden werden in der Telerobitik bereits benutzt und werden in den folgen den Referenzen unter anderem beschrieben:
- 1. Sheridan, T. B., Telerobotic, automation, and human supervisory control, MIT Press, Cambridge, Mas sachusetts, USA, 1992.
- 2. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part I - theory", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 1-7, March 1985.
- 3. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part II - implementation", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 8 -16, March 1985;
- 4. Hogan, N., "Impedance control: an approach to manipulation: part III - applications", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 107, pp. 17 -24, March 1985.
- 5. Kazerooni, H. and Mahoney, S. L. "Force aug mentation in human-robot interaction", Proceedings of the 1990 American Control Conference, Vol. 3, pp. 2821-2826, San-Diego, CA, USA, 1990.
- 6. Strassberg, Y. "A control method for bilateral teleoperating systems", Ph.D. dissertation, Dept. of Mechanical Engineering, University of Toronto, Cana da, 1992.
c) Nehme Input entsprechend den Positionen und Geschwindigkeiten jeder Verbindung 24 auf. Benutze konventionelle Umkehrkinematik und umkehrdynamische Techniken, um als Funktion des oben beschriebenen Ge schwindigkeitsvektors V endgültige Ausgaben zu er rechnen, die ermöglichen, den gewünschen V zu erhal ten. Diese endgültigen Ausgaben enthalten die ge wünschte Winkelgeschwindigkeit jedes Segmentes oder Verbindungsgliedes 22 relativ zu jedem Segment 22 be nachbart dazu, daß die Geschwindigkeit des Servobetä tigers 80 der mit jeder Verbindung 24 verbunden ist, betrieben wird. Konventionelle inverse Kinematik und inverse Dynamiktechniken werden in einer Vielzahl von Robotikanwendungen benutzt und sind in den folgenden Referenzen unter anderem beschrieben:
- 1. Chae, H. A. et al, "Model based control of a robot manipulator", MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1988;
- 2. Desoer, C. A. and Vidyasagar, M. "Feedback sy stems: input-output properties", Academic Press, 1975;
- 3. Leigh, J. R. "Functional analysis and linear control theory", Academic Press, 1980;
- 4. Spong, M. W., and Vidyasagar, M., "Robot dyna mics and control", John Wiley and Sons, 1989;
- 5. Spong, M. W. and Vidyasaagar, M. "Robust line ar compensator design for nonlinear robotic control", IEEE Journal of robotics and automation, Vol. RA-3, No. 4, pp. 345-351, 1987; and
- 6. Vidyasagar, M., "Nonlinear systems analysis", Prentice-Hall, 1978.

Methode 2 kann die folgenden Schritte enthalten:

a) Nehme Eingaben von den Sensoren auf, die die folgen den Eingangsgrößen messen.
- 1. Sensor 52 - Rahmen/Nutzlastkräfte und Drehmo mente des Zusammenwirkens, und
- 2. Sensor 62 - inertiale Beschleunigungen und Geschwindigkeiten,
b) Unter Benutzung der Ausgabe des Schrittes a, errechne die Relativgeschwindigkeit der Nutzlast 40 relativ zum Rahmen 14, so daß
- 1) in Richtung der Bewegung des menschlichen Be nutzers der Schwerpunkt der Nutzlast 40 soweit wie möglich stationär relativ zum menschlichen Benutzers gehalten wird,
- 2) in Horizontalrichtung senkrecht zur Richtung der Bewegung des menschlichen Benutzers der Schwerpunkt der Nutzlast 40 soweit wie möglich stationär gehalten wird.
c) Zu der Benutzung der Ausgabe des Schrittes b) erzeuge Kommandos an das Servosystem 66, die den Nutzlaststa bilisator 68 kontrollieren.

Bezug wird nun zurück auf Fig. 6 genommen. Ein besonde res Merkmal eines Fuß-Boden Interface-Elementes 48 der Fig. 6 besteht darin, daß es ein elastisches Element enthält, das eine Kontaktfläche mit dem Boden entlang einer Längsachse, die durch den Fuß definiert ist, er zeugt, so daß ein Null-Moment Punkt zwischen dem elasti schen Element und dem Boden in Übereinstimmung mit der Bewegung des menschlichen Nutzers sich verschiebt. Ins besondere ist die Schnittstelle 48 antreibbar, um Ener gie zu speichern, wenn die Hacke des menschlichen Nut zers den Boden berührt und die gespeicherte Energie ab zugeben, wenn Zehen des menschlichen Nutzers sich vom Boden abstoßen.

Das elastische Element wird vorzugsweise dazu ausgelegt, variierende Steifigkeit zu haben, so daß seine Steifig keit relativ klein ist, während Hackenkontakt gemacht wird und relativ ist groß, während des Abstoßens.

Das Fuß-Boden Schnittstellenglied kann z. B. ein fuß kontaktierendes Glied, ein boden-kontaktierendes Glied in schwenkbarer Beziehung mit dem fuß-kontaktierenden Glied und ein elastisches Glied wie z. B. eine Feder sein, die an ein Ende eines fuß-kontaktierenden Gliedes und am anderen Ende mit dem boden-kontaktierenden Glied verbunden ist.

Vorzugsweise enthält die Vorrichtung der Fig. 6 eine Vielzahl von elastischen Elementen, die die folgenden elastischen Elemente enthalten können:

a) Ein elastisches Element 70 (Fig. 21), das mit der Schnittstelle 42 verbunden ist, und dazu betrieben wird, Kräfte zu absorbieren, die auf den menschlichen Körper wirken. Das bewegliche Element 70 wird vor zugsweise dahingehend ausgelegt, mit einem relativ kleinen Abschnitt des menschlichen Rückens zu korre spondieren, so daß ein relativ großer Abschnitt des menschlichen Rückens und insbesondere der Schulterab schnitt ungehindert ist und frei zur Bewegung ver bleibt. Die Elastizität kann durch Federn und/oder durch ein elastisches Material, wie z. B. einen ela stischen Schaum, geschaffen werden.
Das elastische Element 70 ist vorzugsweise fest einem Gurt 56 zugeordnet. Gurt 56 und elastisches Element 70 sind vorzugsweise lösbar an dem menschlichen Kör per befestigt.
b) Ein elastisches Element 72 ist einer Schnittstelle 46 zugeordnet. Das elastische Element 72 kann im wesent lichen dem elastischen Element 70 entsprechen. Die Elastizität kann durch Federn und/oder durch ein ela stisches Material, wie einen elastischen Schaum, ge schaffen.
c) Ein elastisches Element 74 der Schnittstelle 48 zu geordnet. Das elastische Element 74 ist in Fig. 19 dargestellt.
d) Ein elastisches Element 90 ist mit der Schnittstelle 16 zwischen dem Rahmen 14 und der Nutzlast 40 zu geordnet, und wird betrieben, um die Kräfte des Zu sammenwirkens zwischen dem Rahmen und der Nutzlast zu absorbieren. Das elastische Element 90 ist in Fig. 20 dargestellt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das elasti sche Element 74 jedoch passiv und es wird darauf hinge wiesen, daß das elastische Element 74 alternativ aktiv sein kann, z. B. kann es letztendlich durch die CPU 50 der Fig. 8 gesteuert werden.

Die Segmente 22 sind vorzugsweise so ausgeführt, daß sie sowohl leicht, als auch strukturell stark sind und kön nen z. B. hohle Metallstangen sein.

Das nutzlaststabilisierende Element 68, das im Detail in Fig. 20 dargestellt ist, wird betrieben, um die Nutzlast 40 relativ zu einem menschlichen Benutzer zu stabilisie ren, um so zu verhindern, daß die Nutzlast 40 und ihr Inhalt schädliche Last auf den menschlichen Nutzer aus üben, sogar dann, wenn der Benutzer seitliche Bewegungen oder beugende und streckende Bewegungen ausführt.

Typischerweise ist ein Elektronikgehäuse 84 mit der Nutzlast 40 zusammen angeordnet, der die elektronischen Komponenten des Apparates, wie CPU 50, inertial Lage Sensorsystem 62, Servoverstärker der Servosysteme 64 und 66, und eine Kraftquelle 86 (Fig. 8) enthält.

Fig. 20 ist eine Darstellung der Nutzlast 40, des Nutz laststabilisators 68, eines elastischen Elementes 90 und des Rahmens 14. Wie dargestellt, enthält die Nutzlast 40 einen Behälter, in den Gegenstände oder Lasten einge bracht werden können, die der menschliche Benutzer von einem Ort zum anderen zu tragen wünscht. Die Nutzlast 40 wird auf dem Nutzlaststabilisator 68 mit zwei Freiheits graden befestigt, wie durch die Pfeile 92 und 94 ange deutet.

Der Nutzlaststabilisator 68 ist fest auf dem horizonta len Abschnitt des Rahmens 14 befestigt. Der Stabilisator 68 enthält zwei hochstehende Abschnitte 95. Diesen schwenkbar zugeordnet, vorzugsweise durch einen Motor 96 angetrieben ist ein Rahmen 97 vorgesehen. Die Nutzlast 40 wird schwenkbar im Rahmen 97 über zwei Schwenkverbin dungen 98 zugeordnet, wobei die Schwenkbewegung vorzugs weise durch einen Motor 99 angetrieben ist. Die Motoren 96 und 99 können jeweils z. B. ein Direktantrieb DC Drehmomentmotor, erhältlich von Inland Motor, Kollmor gent Corporation, Radford, VA, 24141 sein.

Der Sensor 52 ist auf dem Rahmen 14 befestigt. Zwischen Sensor 52 und Nutzlast 40 befindet sich ein elastisches Element 90, das eine Feder enthalten kann.

Fig. 21 ist eine detaillierte Seitenansicht der Zuord nung zwischen Nutzlastrahmen 14 und Gurt 56 der Fig. 6.

Fig. 21 ist eine bildliche Darstellung einer exoskeleta len Vorrichtung, die nach einem anderen Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut und betrieben ist. Die Vorrichtung der Fig. 22 ist zum Erleichtern der Pedalbewegung durch einen menschlichen Nutzer geeignet. Die Vorrichtung der Fig. 22 kann im wesentlichen gleich mit der Vorrichtung der Fig. 6 sein. Zum Beispiel können die Element 510, 522, 524 und 525 der Fig. 22 jeweils gleich zu den Elementen 10, 22, 24 und 25 der Fig. 6 sein. Jedoch kann, anders als die Verbindung 25 der Fig. 6, die Verbindung 525 der Fig. 22 nur einen Frei heitsgrad besitzen, nämlich den in der Ebene der Rotati on des Pedals 530.

Obwohl die Nutzlast 40 und die Elemente, die dieser zu geordnet sind, in Fig. 22 fortgelassen wurden, wird dar auf hingewiesen, daß alternativ auch eine Nutzlast 40 und die zugeordneten Elemente in Verbindung mit einer Vorrichtung der Fig. 22, die das Radfahren erleichtert, vorgesehen werden können.

Fig. 23 ist eine Darstellung der Verbindung 25. Wie dar gestellt, enthält die Verbindung 25 eine erste Hüftver bindung 27 und eine zweite Hüftverbindung 29. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat jede Hüftverbin dung einen passiven Freiheitsgrad, wie durch Pfeil 31 angedeutet ist, und zwei aktive Schwenkfreiheitsgrade, wie durch die Pfeile 33 und 35 angedeutet ist. Die Bewe gung in der Richtung, die durch Pfeil 33 angedeutet ist, wird durch Motor 37 betätigt. Die Bewegung in Richtung die durch Pfeil 35 angedeutet ist, wird durch Motor 39 betätigt. Position und Geschwindigkeitsinformationen in allen drei Richtungen, die durch die Pfeile 31, 33 und 35 angedeutet sind, wird vorzugsweise in Schritt c der oben beschriebenen Methode 1 genutzt.

Die Kontrollvorrichtung für eine exoskeletale Einrich tung, die dazu geeignet ist, das Pedaltreten zu erleich tern, wird nun in Bezug auf die Fig. 24-28 beschrie ben.

Die exoskeletale Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist durch die Bewegung eines menschlichen Nutzers be stimmt und wird dazu betrieben, äußere Lasten zu tragen, die von dem Benutzer transportiert werden. Alternativ kann die Vorrichtung einen Teil des Gewichtes des Benut zers selber tragen.

Im Betrieb ist der menschliche Benutzer verantwortlich für die Stabilität der Vorrichtung und beginnt die ge wünschten Bewegungsrichtungen. Die Vorrichtung erlaubt dem Benutzer jeden räumlichen Freiheitsgrad, der zur Be diensteuerung der Vorrichtung benötigt ist und schreitet nur ein, wenn das System kritische Bedingungen erreicht, die eine Gefahr für die Stabilität des Systems bedeuten.

Die Bedingungen, unter denen die Vorrichtung betrieben wird, können in drei Kategorien aufgeteilt werden, wobei die ersten zwei den Betriff "kritisch" definieren:

1) eine Region globaler Instabilität,
2) eine Region, in der die Vorrichtung verantwortlich zur Beibehaltung ih rer globalen Stabilität ist,
3) eine Region, in der der Benutzer verantwortlich für die Beibehaltung der globa len Stabilität des Systems ist.

Das Kontrollsystem der vorliegenden erfüllt vorzugsweise die folgenden Aufgaben:

a) Kontrollieren des Zusammenwirkens zwischen dem Benutzer und der Vorrichtung und zwischen der Vorrichtung und der Umgebung;
b) es dem Benutzer zu gestatten, die Vorrichtung anzutreiben, zu kontrollieren und zu stabili sieren,
c) Sicherstellen globaler Stabilität inklusive der wesentlichen Statusvariablen, über die der Benutzer keine Kontrolle besitzt;
d) Überprüfen der Tätigkeitsausführung bei unsi cheren Bedingungen.

Bezugnehmend nun auf die vektorielle schematische Dar stellung der Fig. 24 wird bemerkt, daß das Steuerungssy stem der vorliegenden Erfindung das Prinzip der Last- (impedance) Kontrolle einsetzt. Dieses Prinzip wurde zu erst bei Hogan N. in "Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part III - Applications", Journal of Dyna mic Systems, Measurement and Control, Vol. 107, March 1985, pp. 17-24, beschrieben.

Der Benutzer läßt eine Kraft Fh auf die Vorrichtung wir ken. Diese Kraft Fh wird durch einen Kraftsensor 500 ge messen, der ein Kraftsignal Fh′ ausgibt, das dann durch das gewünschte Impedance Modell 502 in ein erwünschtes Geschwindigkeitssignal V_c umgewandelt wird. V_c ist die Geschwindigkeit an dem Punkt, an dem die Kraft angreift. Die Jacobi-Determinante (J) des Systems, die ein ange näherter idealer Algorithmus ist, wandelt das gewünschte Geschwindigkeitssignal in ein generalisiertes Geschwin digkeitssignal q_c um, das die Geschwindigkeit in einem gemeinsamen Koordinatensystem repräsentiert. Das genera tisierte Geschwindigkeitssignal q_c wird an die Servoge schwindigkeitsschleife 504 übertragen, die die wirkli chen Verbindungsgeschwindigkeiten q ausgibt. Durch Mul tiplizieren von q durch die inverse Jacobi-Determinante wird die wirkliche Geschwindigkeit am Punkt des Benut zer/Vorrichtungszusammenwirkens berechnet.

Um den Betrieb des Systems zu vereinfachen, läßt man al le Elemente der schematischen Darstellung ideale Werte annehmen, wobei

Fh = fh′
q = q_c und
J = J′.

Fig. 25 zeigt diese ideale Situation. Theoretisch ist das System der Fig. 25 dazu in der Lage, die Last zu steuern oder das Zusammenwirken zwischen Nutzer und Vor richtung und die gewünschten Leistungswerte zu errei chen. Je höher der gewünschte Last-(impedance)Wert ist, umso höher kann der Geschwindigkeitswert sein, der von der Vorrichtung erreicht wird, wobei kleinere Kräfte Fh benutzt werden. Dadurch kann das Steuerungssystem dem Benutzer erlauben, Kontrolle über die Geschwindigkeit V der Vorrichtung zu haben, indem er Kräfte Fh anwendet, wobei das gewünschte Last-Modell benutzt wird.

In einer Idealsituation ist, je höher der gewünschte Lastwert ist, das existierende Nutzer-Vorrichtungs- Zusammenwirken geringer und während Kräfte und Drehmo mente zwischen Nutzer und Vorrichtung sich entwickeln, wird die Geschwindigkeit V anwachsen und bestrebt sein, die Kräfte des Zusammenwirkens Fh zu minimieren. Dadurch wird eine Vorrichtung erzeugt, die von ihrem Benutzer "dominiert" wird. Im praktischen Sinn ist es nicht mög lich, ein ideales System zu schaffen und Kräfte des Zu sammenwirkens werden entstehen, größtenteils aufgrund des dynamischen Zusammenwirkens zwischen der Vorrichtung und dem Gelände. Das Steuerungssystem wird darauf ausge legt, diese Kräfte auf ein Minimum zu reduzieren.

Bezugnehmend nun auf Fig. 26 wird der Betrieb des Steue rungssystems in seiner Komponenten nun untersucht. Fig. 26 zeigt den Betrieb der Vorrichtung während sie an ein Fitness-Fahrrad statt an eine Person angebracht ist. Der globale Stabilitätseffekt wird hierdurch eliminiert, weil die Vorrichtung durch einen stationären Aufbau un terstützt wird und dadurch die Untersuchung der Kompo nenten ermöglichte. Der menschliche Benutzer behält die Kontrolle und das Lastaufbringen auf die der Vorrichtung wird bewirkt, indem der Lastaufbring-Mechanismus des Fahrrades benutzt wird. Die Arbeitsweise der Vorrichtung während sie an ein Fitness-Fahrrad angeschlossen ist, wird nun im folgenden im Detail beschrieben.

Das mechanische System besitzt drei Freiheitsgrade, in klusive zweier aktiver Freiheitsgrade, die durch Servo betätigungsmittel, die mit geschlossener Schleife ge steuert sind, angetrieben sind, und besitzt einen passi ven Freiheitsgrad. Die Anordnung dieser Freiheitsgrade ist wie in Fig. 26 dargestellt und gibt die folgenden Überlegungen wieder:

1. Kinematische Ähnlichkeit zur biomechanischen Struktur des menschlichen Beins. Nimmt man die Kinematik al lein als Anhaltspunkt, würde ein Freiheitsgrad zum Antrieb der Fahrradpedale ausreichen. Jedoch muß, um die Ähnlichkeit des Fahrradaufbaus an den Aufbau des menschlichen Beins anzunähern, bei dem man davon aus gehen kann, daß es drei Hauptfreiheitsgrade hat, z. B. Oberschenkels Knie und Knöchel, ein Aufbau mit diesen drei Freiheitsgraden auch für das Experiment gewählt werden.
2. Eignung für Gehexperimente: Ein drei Freiheitsgrade aufweisender Aufbau, kinematisch an das menschliche Bein angepaßt, wird auch für die Gehexperimente ge eignet sein, wo ein vierter Freiheitsgrad, der die Querstabilität zum Gehen repräsentiert, nicht notwen dig ist.

Der mechanische Rahmen des Fahrrades wird durch Bezugs zeichen 598 angedeutet. Zwei Kraftmeßelemente 600 und 602 werden auf jeder Seite des Arms 604 angeordnet, die den passiven Freiheitsgrad wiedergeben. Element 600 mißt die Kraft, die durch das Benutzer-Vorrichtungs- Zusammenwirken erzeugt wird, und Element 602 mißt die Kraft, die durch die Vorrichtung und das Fahrradpedal 606 erzeugt ist.

Die Beherrschung der Vorrichtung durch den Benutzer wird als Ergebnis der Ausgabe dieser beiden Meßelemente mög lich, deren Signale die externen Kräfte, die auf die Vorrichtung wirken, repräsentieren. Das Fahrradpedal 606 ist mittels eines mechanischen Arms 608 an die Pedalach se 610 angebracht. An diesem Punkt wird das Lastmoment, dessen Richtung immer der Richtung des Rotationsvektors (dargestellt durch Pfeil 612) entgegengerichtet ist, ge messen.

Das Steuerungssystem enthält zwei Hauptschleifen. Eine interne Geschwindigkeitsschleife basiert auf der Technik des errechneten Drehmoments, und eine externe Kraft schleife basiert auf der Lastkontrollmethode. Dieser Aufbau ermöglicht die Beherrschung der Vorrichtung auch dann, wenn diese kritischen Bedingungen ausgesetzt ist.

Die Elemente des Fahrradexperimentes werden schematisch in Fig. 27 dargestellt. Der menschliche Benutzer, der durch Block 700 repräsentiert ist, wendet Kraft auf die Fußunterstützungen der Vorrichtung auf, wenn er das Fahrrad fährt. Fh_R ist ein Kraftvektor, der durch den Benutzer auf die rechte Fußunterstützung 702 ausgeübt wird, und Fh_L ist ein Kraftvektor, der von dem Benutzer auf den linken Fußhalt 704 ausgeübt wird. Fh_R und Fh_L werden mittels zweier Krafterfassungselemente gemessen, deren Ausgaben Fh_R′ und Fh_L′ entsprechend sind. Die Kräfte, die von einem menschlichen Benutzer ausgeübt werden, werden auch auf die Servobetätigungsmittel der Vorrichtung ausgeübt. Als solche werden die Kräfte Fh_R und Fh_L durch die Jacobi-Determinanten J^TR und J^TL zu Lastmomenten ThR und ThL umgewandelt, die auf den Ver bindungselementen der Vorrichtung wirken. Gleichzeitig werden die Kräfte Fp_R und Fp_L zwischen Pedal und Fußun terstützung jeweils auf der rechten und linken Seite ge messen. Die Ausgabesignale der Erfassungselemente 706 und 708 werden jeweils mit Kraftverstärkungskoeffizien ten 710 und 712 multipliziert, und die Ergebnisse der Multiplikation werden benutzt, um die totalen Kräfte ΣF_R und ΣF_L zu errechnen, die auf die rechten und linken Fußstützen jeweils ausgeübt werden.

ΣF_R und ΣF_L werden unter Benutzung des gewünschten Last modells 714 in die erwünschten Fußunterstützungsge schwindigkeiten V_RC und V_LC umgewandelt. Diese Umwandlung berücksichtigt die Statusmessungen der Fahrradpedalen ebenfalls, um so nicht ineffektive Geschwindigkeitskom ponenten, wie z. B. Komponenten in Richtungen, die nicht zur tatsächlichen Geschwindigkeit beitragen, einzu schließen.

Die gewünschten Geschwindigkeiten V_RC und V_LC werden durch die Jacobi-Modelle J′_R und J′_L in die gewünschten Geschwindigkeitswerte q_RC und q_LC in den Verbindungsach sen umgewandelt. Diese Werte werden an die Servoschlei fen 716 und 718 jeweils ausgegeben, die jeweils die ech ten Verbindungsgeschwindigkeiten q_R und q_L erzeugen. Die letzte Schleife des Steuerungssystems, das in Fig. 27 dargestellt ist, wird schließlich durch den menschlichen Benutzer geschlossen.

Die Geschwindigkeitsschleifen werden nun bezugnehmend auf Fig. 28 beschrieben. Die Geschwindigkeitsschleifen haben drei Hauptaufgaben:

1. Geschwindigkeitskontrolle (Überprüfen der gewünschten Geschwindigkeitsausgaben durch eine Laststeuerung),
2. Sicherstellen einer Robustheit angesichts der Unge wißheiten der Parameter des Systems,
3. Entkopplungssteuerung.

Die Kontrolle der Geschwindigkeitsschleifen basiert auf einem modellbasierenden Steuerungsalgorithmus, dessen bekanntester von Chae et al. in "Model Based Control of a Robot Manipulator", MIT Press, 1988, beschrieben ist. Im Fall eines Fahrradexperiments wird eine CIT- (Errechnete-Drehmoment-Technik, englisch: Computed Tor que Technique) Kontrollmethode am geeignetsten sein. Aufgrund der Kenntnis des realen Modells des gesteuerten Systems werden alle linearen und nicht linearen Koppel elemente des Modells in einem ersten Schritt eliminiert. Dann wird die Geschwindigkeitsschleife geschlossen auf grund der Annahme, daß keine Kopplungselemente in dem System existieren. Tatsächlich ist es nicht möglich, al le Kopplungselemente aus dem Modell zu eliminieren, da das echte Modell unbekannt ist.

Bezugnehmend auf die schematische Darstellung der Fig. 28 werden die folgenden Parameter definiert:

n = Anzahl der Freiheitsgrade
F_ex = externe Kraft
q ε Rⁿ = generalisierte Koordinaten
M(q) ε R^n×n = Inertialmatrix
h ε Rⁿ = Coriolis-, Zentripetal- und Schwerkraft
U ε Rⁿ = Steuerung in den Dimensionen der generalisierten Kräfte
F_ex ε Rⁿ = externe Kraftvektoren
j ε Rⁿ = Jacobi-Matrix der Vorrichtung
Ud ε Rⁿ = Interferenzen und
N < = repräsentiert die kartesischen Raumkoordinaten
N < =6
wobei

M(q)q′′ + h(q,q′) = U + J^TF_ex + Ud

eine Gleichung ist, die als Modell für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dienen kann und die Bewegung eines Körper mit n Freiheitsgraden und zusammenwirkend mit einer externen Kraft F_ex repräsentieren kann.

Anhang A ist ein Computerprogramm-Listing in der Sprache Fortran einer Software-Implementation eines Teils der Vorrichtung der Fig. 22. Anhang A ist eine Software- Simulation eines Exoskeletons, das zur Ermöglichung der stationären Pedalbewegung nützlich ist.

Biomechanische Überlegungen, die in der Konstruktion ei ner exoskeletalen Vorrichtung zur Erleichterung der Tä tigkeiten des Gehens, Rennens und Tragens einer Nutzlast nützlich sind, werden nun beschrieben.

Im allgemeinen werden Gangarten eines Mensch-Maschine- Systems in die drei folgenden Phasen aufgeteilt: Doppe lunterstützung, wenn beide Beine in Kontakt mit dem Bo den sind, Einzelunterstützung, wenn ein Bein unter stützt, aber das andere dies nicht tut, und Flug, wenn kein Kontakt mit dem Boden besteht.

Phasenerfassung kann aufgrund der Ausgaben der Kraftsen soren, die in den Maschine-Boden-Schnittstellen 22 in stalliert sind, durchgeführt werden.

Während der Doppelunterstützung ist die Steuerung ver antwortlich für die Verminderung der Fehler zwischen der Referenz (angestrebt) und gemessenen dynamischen Kräften an den Schnittstellen der Maschine mit dem Menschen, dem Boden und der Nutzlast. Dynamische Anweisbarkeit der Ma schine vom menschlichen Benutzer kann erhalten bleiben, um somit ein Geschwindigkeitskommando an die Betätiger der Maschine in einer Weise umzusetzen, die die Fehler zwischen der Referenz und den gemessenen dynamischen Kräften an die Schnittstellen der Maschine vermindert.

Während Einzelunterstützung und Flug wird die Steuerung in ähnlicher Weise wie während der Doppelunterstützung arbeiten. Ausgenommen ist jedoch die Neufestsetzung von Referenzniveaus für die erwünschten dynamischen Kraft werte der Schnittstellen. Diese Phasen (nämlich Einzel unterstützung und Flug) unterscheiden sich von der Dop pelunterstützung, indem sie ein oder zwei Beine nicht in Kontakt mit dem Boden haben. Die Kraft, die aufgebracht wird und daher auch gemessen wird, wird an einer Schnittstelle 22 eines schwingenden Beins (Schwingen = nicht in Kontakt mit dem Boden) Null sein oder sehr nahe von Null. Um die gewünschte Abhängigkeit zwischen den Kinematiken eines schwingenden Beins des Benutzers und der Maschine zu erhalten, wird der Referenzkraftwert (erwünscht) an Schnittstelle 182 eines schwingenden Beins auf Null gesetzt.

Im Fall von Einzelunterstützung wird daher das Setzen des Referenzniveaus an der Schnittstelle 22 und 182 ei nes schwingenden Beins auf Null gesetzt und die Refe renzniveaus an den Schnittstellen 22, 182 des unterstüt zenden Beins wie auch die Referenzen an den Schnittstel len 181 und 20 auf den Wert der erwünschten dynamischen Kräfte gesetzt werden, der in der oben beschriebenen Art berechnet wurde.

Während der Flugphase der verschiedenen Gangarten werden alle Referenzniveaus auf Null gesetzt, da während des Fluges jede der Komponenten des Systems als freier Kör per sich im Raum bewegt. Wenn der menschliche Benutzer seine Körperteile relativ zueinander bewegt, wird die Maschine seiner Bewegung folgen, indem die Betätigungs elemente derart betätigt werden, daß alle Schnittstel lenkräfte auf Nullreferenzwerte gebracht werden.

Die Kontrollogik, die obig beschrieben ist, übermittelt nicht Sequenzieren der Gangarten weiter, da es nur auf die Gangarterfassung, z. B. Erfassen, ob ein Bein in Kontakt mit dem Boden ist oder nicht, und nicht auf das Sequenzieren, z. B. die Reihenfolge des Auftretens der Phasen, ankommt. Dies wird als Vorteil aufgefaßt, da es der Steuerung ermöglicht, das System erfolgreich in Si tuationen zu kontrollieren, die nicht als "normale Gan gart" zu klassifizieren sind. Zum Beispiel arbeitet das gleiche Kontrollschema mit der Aufgabe der Veränderung vom Stehen zum Knien und umgekehrt vom Knien zum Stehen. Wenn der Benutzer beginnt, seine Knie zu beugen und sei ne Knöchel ebenso, um vertikal seinen Körper abzusenken, werden die Kräfte an der Mensch-Maschine-Schnittstelle, in der Rumpf-Becken-Region (Schnittstelle 181), über ih re Referenzwerte ansteigen, und der Unterschied zwischen den Kräften, die an der Schnittstelle 22 und an der Schnittstelle 182 gemessen werden, wird auch über sein Referenzniveau ansteigen. Die Kontrollogik wird unmit telbar Geschwindigkeitskommandos an die Betätigungsele mente der Maschine aussenden, um so deren Fehler zu mi nimieren, was in einer knienden Bewegung der Maschine endet, die völlig der knienden Bewegung des menschlichen Benutzers folgt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Merkmale, die hier in Zusammenhang mit getrennten Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben wurden, in jeder geeigneten Kombination zusammengebracht werden können, und daß da her jedes Ausführungsbeispiel, das hierin dargestellt und beschrieben wurde, eine Vielzahl von Merkmalen ent hält, die einzeln oder in Zusammenfügung mit einem oder nur mit einigen der vielen Merkmale realisiert werden können.

Es wird darauf hingewiesen, daß für Fachleute die vor liegende Erfindung nicht auf das unmittelbar obig Darge stellte und Beschriebene beschränkt ist, sondern daß der Schutz der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Ansprüche beschrieben ist.

Claims

1. Fuß-Boden-Schnittstellen-Vorrichtung, gekennzeich net durch ein elastisches Element (18; 46, 48, 58, 72, 74; 202, 204, 206; 300, 302, 304, 306), das eine Kon taktfläche mit dem Boden entlang einer Längsachse, die durch den Fuß vorgegeben ist, darstellt, so daß sich ein Null-Drehmoment-Punkt zwischen dem elastischen Element und dem Boden mit der Bewegung des menschlichen Benut zers verschiebt.

2. Fuß-Boden-Schnittstellen-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Einspeicherung von Energie vorgesehen ist, wenn die Ferse eines mensch lichen Benutzers den Boden berührt, und zur Abgabe der Energie vorgesehen ist, wenn die Zehen eines menschli chen Benutzers sich vom Boden abstoßen.

3. Verfahren zur Steuerung eines Exoskeletons, gekenn zeichnet durch die Schritte:

- Aufnehmen wenigstens einer Lasteingangsgröße,
- Anwenden einer Laststeuerung zur Errechnung der ge wünschten Geschwindigkeit für wenigstens einen Ab schnitt des Exoskeletons, und
- Errechnen der Winkelgeschwindigkeit eines jeden ei ner Vielzahl von Segmenten des Exoskeletons relativ zu einem anderen hierzu benachbarten Segment.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Errechnens einen Schritt des Anwen dens der Technik inverser Kinematik umfaßt, um die Viel zahl der Winkelgeschwindigkeiten zu errechnen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Errechnens einen Schritt des Anwen dens der Technik inverser Dynamik umfaßt, um die Viel zahl von Winkelgeschwindigkeiten zu errechnen.

6. Fuß-Boden-Schnittstellen-Vorrichtung, gekennzeich net durch ein elastisches Element, das mit variierender Steifigkeit versehen ist, so daß die Steifigkeit relativ gering während eines Hackenkontakts und relativ groß während des Abstoßens ist.

7. Fuß-Boden-Schnittstellen-Vorrichtung, gekennzeich net durch

- ein fuß-kontaktierendes Element,
- ein boden-kontaktierendes Element, das in schwenk barer Beziehung zum fuß-kontaktierenden Element an gelenkt ist, und
- ein elastisches Element, das mit einem Ende an das fuß-kontaktierende Element und mit einem anderen Ende an das boden-kontaktierende Element angesetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß das elastische Element eine Feder ist.

9. Verfahren zum Stabilisieren einer Nutzlast, gekenn zeichnet durch die Schritte:

- Aufnehmen wenigstens einer Lasteingabe und einer Inertialeingabe,
- Errechnen der Relativgeschwindigkeit der Nutzlast, die den Schwerpunkt der Nutzlast im wesentlichen stationär relativ zu dem Träger der Nutzlast be läßt, und
- Erzeugen eines Nutzlast-stabilisierenden Steuerbe fehls aufgrund des Ergebnisses des Berechnungs schrittes.

10. Exoskeletale Vorrichtung zur Unterstützung eines Benutzers beim Tragen einer Nutzlast, während er sich über den Boden fortbewegt, gekennzeichnet durch:

- ein rechtes Beinglied, das an den rechten Fuß des Benutzers angebracht ist, um so Lasten in dem rechten Beinglied direkt auf den Boden zu übertragen,
- ein linkes Beinglied, das an den linken Fuß des Be nutzers angebracht ist, um so Lasten in dem linken Beinglied direkt auf den Boden zu übertragen,
- ein rechtes Fußglied, das mit dem rechten Beinglied verbunden ist,
- ein linkes Fußglied, das mit dem linken Beinglied verbunden ist,
- eine Vorrichtung zum Speichern und Nutzen der Ener gie, die mit dem rechten Fußglied verbunden ist,
- eine Vorrichtung zum Speichern und Nutzen von Ener gie, die mit den linken Fußglied verbunden ist, und
- einer Nutzlast/Benutzer-Verbindung, die mit der Nutzlast verbunden ist und weiter mit dem rechten Beinglied und mit dem linken Beinglied, wobei die Nutzlast/Benutzer-Verbindung so angeordnet ist, daß Lasten, die durch den Benutzer auf die Nutzlast/ Benutzer-Verbindung ausgeübt werden, zur Führung der Bewegung der Vorrichtung dienen.

11. Exoskeletale Vorrichtung zur Unterstützung eines Benutzers beim Tragen einer Nutzlast, während er sich über den Boden fortbewegt, gekennzeichnet durch:

- ein rechtes Beinglied, das mit dem rechten Fuß des Benutzers verbunden ist, um so Lasten in dem rech ten Beinglied direkt auf den Boden zu übertragen, wobei das rechte Beinglied eine Hüftanordnung um faßt,
- ein linkes Beinglied, das mit dem linken Fuß des Benutzers in Verbindung steht, um so Lasten in dem linken Beinglied direkt auf den Boden zu übermit teln, wobei das linke Beinglied eine Hüftanordnung enthält,
- ein rechtes Fußglied, das mit dem rechten Beinglied verbunden ist,
- ein linkes Fußglied, das mit dem linken Beinglied verbunden ist, und
- eine Nutzlast/Benutzer-Verbindung, die mit der Nutzlast und weiter mit dem rechten Beinglied und mit dem linken Beinglied verbunden ist, wobei die Nutzlast/Benutzer-Verbindung so angeordnet ist, daß Lasten, die durch den Benutzer auf die Nutzlast/ Benutzer-Verbindung ausgeübt werden, zur Führung der Bewegung der Vorrichtung dienen.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast/ Benutzer-Verbindung in der Nähe des Rückens des Benut zers angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast/ Benutzer-Verbindung im wesentlichen ringförmig ist und den Benutzer im wesentlichen in seinem Mittelabschnitt umgibt.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das rechte Bein glied und das linke Beinglied jeweils wenigstens zwei Segmente enthalten, wobei die Segmente miteinander durch eine Verbindung verbunden sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast/ Benutzer-Verbindung eine Vorrichtung umfaßt zur wenig stens teilweisen Unterstützung des Gewichtes des Benut zers.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch die weiteren Bestandtei le:

- einen Sensor zum Erfassen der Last zwischen jedem der Fußglieder und dem entsprechenden Fuß des Be nutzers,
- einen Sensor zum Erfassen der Last zwischen jedem der Fußglieder und dem Boden,
- einen Sensor zum Erfassen der Last zwischen dem Be nutzer und der Nutzlast/Benutzer-Verbindung,
- einem Betätigungselement für das rechte Beinglied,
- einem Betätigungselement für das linke Beinglied, und
- einem Steuerungssystem, verbunden mit den Sensoren und den Betätigungselementen zum Steuern der Bewe gung der Vorrichtung.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß das Steuerungssystem ein Lastkontrollsystem ist.

18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine weiter vorhandene Energie speichernde Einrichtung zur alternativen Spei cherung von Energie von dem Benutzer und/oder der Vor richtung und/oder der Nutzlast und Abgabe wenigstens ei nes Teils dieser Energie an den Benutzer und/oder die Vorrichtung und/oder die Nutzlast.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Energiespeichereinrichtung mit den Fußglie dern verbunden ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Energiespeichereinrichtung einen Federme chanismus umfaßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Energiespeichereinrichtung einen Hydraulik mechanismus umfaßt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Energiespeichereinrichtung einen Druckluft mechanismus umfaßt.

23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüftanordnung eine Einrichtung zur Stabilisierung der Vorrichtung um faßt, wenn nur einer der Füße des Benutzers in Berührung mit dem Boden steht.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Stabili sieren der Vorrichtung ein Inertial-Lagestabilisierungs system enthält.

25. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 24, gekennzeichnet durch eine Knöchelverbindung.