DE4408351A1 - Exoskeletal system - Google Patents

Abstract

A foot-ground interface member 48 includes a resilient element defining an area of contact with the ground along the longitudinal axis defined by the foot Also described is an exoskeletal apparatus to help a user carry a payload while moving across the ground, including a right leg member attached to the right foot of the user so as to transmit loads in said right leg member directly to the ground, a left leg member attached to the left foot of the user so as to transmit loads in said left leg member directly to the ground, a right foot member connected to said right leg member, a left foot member connected to said left leg member, apparatus for storing and recovering energy connected to said right foot member, apparatus for storing and recovering energy connected to said left foot member and a payload/user link connected to the payload and further connected to said right leg member and to said left leg member, said payload/user link located so that loads exerted by the user on said payload/user link act to guide the movement of the apparatus. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein exoskeletales System nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an exoskeletal system according to the Preamble of claim 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. The present invention relates to a system for ver strengthening a person's ability to walk jumping, exercising strength, carrying loads and the like, and particularly affects exoskeletal systems associated with a limited number of human users are connected by points, but which are the feet of the user zers, and which serve to enhance the ability of User to enlarge themselves and any Transport the load, including the device itself that a user may wish to wear.  

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.Different technologies have been used in recent years has been developed to quickly and efficiently a menu to move people from one place to another. Likewise, there are already substantial technologies known to solve various difficult tasks such as B. lifting and transporting large La most.

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.However, the existing technologies are specific Applications inadequate when certain circumstances make it prevent the use of a machine that would otherwise would be able to transport a person and / or to accomplish the corresponding task. To only a case To call game, it is generally accepted that a good equipped rescuer (e.g. fireman), an athlete or a climber or the like. an indispensable role plays through its ability to cross terrain is impossible to happen otherwise, and therefore tasks can solve that beyond the capabilities of a machine lie.

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.It has therefore long been desired to have a techno develop logic that is a person's ability to go and perform various tasks such as B. lifting and carrying various loads while he stands on his feet, can enlarge.

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.Various attempts have been made in the past decade been made. Such a system, developed by Har diman was designed several decades ago developed by General Electric and concerns a ro bot-like suit that a user wears over his ge whole body while carrying over a number of loading means of operation and servo controls this control liert. The suit is bulky, technically complex and  inflexible. Only the arms of the suit have bitalerals abilities, using the legs of the machine as a simple ab support units on a master-slave system basis uses are.

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.More recent is a system designed by Pitman from the U.S. Advanced Weapons Technology Group in the lot Alamos National Laboratory has been proposed. The Pitman system, like its Hardiman predecessor, contains a suit worn by the user. Different to the hardiman suit is the pitman suit more flexible and contains several different subsystems that provide protection against armor-piercing ammunition, chemical and biological weapons and laser and nuclear effects. However, the Pitman proposal does not explain how the Be movement of the suit should be controlled.

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.Further developments are under development thropomorphic structure has been made, which the Fä skills, but not bulky and inflexible suits, but instead takes place whose limbs contain something ent from the user are arranged remotely and thus allow the user to comfortable to stretch, run and various other bodies movement relatively unaffected by the system to lead.

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.Efforts to develop such exoskeletal sy Steme have so far been largely on development confined by mechanized arms. Exemplary for this effort is the work of Steven Jacobsen at the University of Utah, which hydraulically powered one driven, anthropomorphic arm with ten freedom degrees includes. The arm is a remote controlled slave and corresponds one-to-one to his master. The load like  the resulting master corresponds to the arm of the user. If the 'slave' grabs an object, the exoskeletal brings Master load on the user's arm and fingers on that are directly proportional to the load on that Object is exercised. A disadvantage of this system that exists in all master / slave systems is its big one Complexity, the two sets of actuators, Sensors and electronics needed.

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.More recently, H. Kazerooni, originally on Mas Massachusetts Institute of Technology and later at the University of California, Berkely, a mechanized developed arm that uses systems that are more direct Excitation of the 'slave' based. The powered "Exten the "support the natural strength of the arm of the Be user. Physical contact at the interface between The extender and the user enable the over carrying mechanical force and information signals. There through the control of the extender without any kind from joystick, keyboard or master / slave system light.

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. In Kazerooni's system, the user puts his arm in a rubber cylinder attached inside the amplifier is ordered, a. Piezoelectric load cells, the two between the cylinder and the outer shell of the extender are arranged, capture the interactive loads between arm of the user and the machine. A two The set of load sensors determines the weight and the Acceleration of the load to be moved. In parallel processors determined the dynamics of the movement of the Be user and the machine resistances match those of the User. Because load mirroring naturally occurs occurs, the human arm feels a reduced scale Load of the actual load that rests on the extender.  

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.While the Kazerooni load control system is considerable is less complicated than previous systems, such a system cannot rely on the amplification of the Skills of a user's legs are applied because they need a finer system to keep the inherent Stability problems that arise with such a system kick, record and bill them accordingly wear.

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.In many applications, the enhancement of functions a user's legs, such as B. the ability to hike quickly and over long periods of the highest Importance. Such systems allow the user to to feel the focus of the human-machine arrangement and dynamically connect the user to the machine the.

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.At least one such system has been developed to to strengthen the capabilities of a user's legs. This system, known as the Spring Walker, is in the U.S. Patent No. 5,016,869. The Spring Walker has leg extensions that are ver tied and with cables that alternatively use energy save and release energy to be more efficient to create. The Spring Walker, which is a pair of has rearward knee connections, makes through the use of energy-storing springs trampoline-like jumps and big steps possible, the user being supported by the machine. Control of the device is by direct mechanical Connection between the user and the machine enough. While the device in certain together the Spring Walker suffers a stability problem when you stand. The Vorrich  tung is inherently unstable when not in motion is. In addition, the connection between the user and the Machine so that the freedom of movement of a user is very limited.

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.It is therefore generally accepted that there is a need speed and that it would be very beneficial to have a lastge controlled, exoskeletal system that has the ability abilities of the user to walk, run, jump and the like. Reinforced with mechanical load reinforcement e.g. B. Including the ability to carry payloads the load of the system itself and at least part of it of the user's weight, balance and Stability shows, and that easy and for the user quick to put on and take off allowed.

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:The object of the present invention is an exosque lethal device to create a user helps carry a payload while moving over the Moving floor with:

• (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,(a) a right leg link attached to is attached to the right foot of the user, so La in the right leg link directly to the floor carry,
• (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(b) a left leg link attached to the left The user's foot is attached to loads in the lin ken leg link directly to the ground, and
• (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.(c) a payload / user connection associated with the Payload is connected and continues with the right leg link and connected to the left leg link, whereby the payload / user connection is arranged so that Forces exerted by the user on the payload / user Connection exercised, serve the movement to guide the device.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen nach der vorliegen­ den Erfindung sind die Beinglieder mit Fußgliedern ver­ bunden, die an die Füße des Benutzers angebracht sind.In preferred embodiments according to the present the invention are the leg links with foot links ver bound, which are attached to the user's feet.

Weiter enthält die exoskeletale Vorrichtung, die einem Benutzer hilft, eine Nutzlast zu tragen, während er sich über den Boden bewegt, erfindungsgemäßFurthermore, the exoskeletal device contains one User helps to carry a payload while he is out moved over the floor, according to the invention

• (1) ein Paar Sen­ soren zur Erfassung der Last zwischen jedem Fußglied und dem entsprechenden Fuß des Benutzers,(1) a pair of sen sensors for detecting the load between each foot and the corresponding foot of the user,
• (2) ein Paar Sen­ soren zum Erfassen der Last zwischen jedem der Fußglie­ der und dem Boden,(2) a pair of sen sensors for detecting the load between each of the foot joints the and the ground
• (3) einen Sensor zum Erfassen der Last zwischen dem Benutzer und der Nutzlast/Benutzer- Verbindung,(3) a sensor for detecting the Load between the user and the payload / user Connection,
• (4) eine Betätigungsvorrichtung für das rechte Beinglied,(4) an actuator for the right leg link,
• (5) eine Betätigungsvorrichtung für das linke Beinglied,(5) an actuator for the left leg link,
• (6) ein Steuerungssystem, das mit den Sensoren und den Betätigungselementen zur Steuerung der Bewegung der Vorrichtung verbunden ist.(6) a control system that works with the sensors and the actuators for control the movement of the device is connected.

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.According to further features of the described, preferred Versions include the right leg link and the lin ke leg link a foot hold that is essentially between the foot of the user and the floor is arranged, and at least two segments, the segments being together connected by a link, and a payload load-bearing member, which is a device for at least partially support the weight of the user sums up.

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. The present invention solves the disadvantages of the previous known arrangements by using a relatively flexible and easy-to-use, load-controlled, exoskeletal System is created that is able to Skills of the user when walking, running, jumping, Payload carrying and strengthening, and that has the appropriate balance and stability.  

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:Further features and advantages of the invention result from the following description of preferred embodiment examples in which exemplary referring to the attached drawing and the appendices he invention is refined. It shows:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung, wie sie aussehen kann, wenn der Be­ nutzer sich in stehender Position befindet, Fig. 1 is a side view of a device according to the invention as it might look when the user Be is in a standing position,

Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn der Benutzer geht, Fig. 2 is a view of the apparatus of Fig. 1, when the user is walking,

Fig. 3 eine Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1, wenn der Benutzer geht oder rennt, Fig. 3 is an illustration of the apparatus of Fig. 1, when the user walks or runs,

Fig. 4 die Darstellung der Fig. 3, aber unter Hinzu­ fügung einer Einrichtung, um einen Teil des Gewichts des Benutzers zu unterstützen, Fig. 4 shows the view of FIG. 3, but with the addition of a device to a portion of the weight to support the user,

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. 5 is a view like Fig. 3 but with Hinzufü second machine-driven supply Polsterla gen that are below the feet of the user ordered to,

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, Figure 6 is a processing. A schematic side view Before direction according to the invention that provide the interface between the user and the Vorrich and between the device and the Bo denotes or payload,

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Elemente, die die Vorrichtung nach der vorliegenden Er­ findung ausmachen, Fig. 7 is a schematic representation of the elements that constitute it, the apparatus of the present invention as claimed,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einiger der Schlüsselkomponenten der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 8 is a schematic representation of some of the key components of the apparatus of the present invention,

Fig. 9 das Gesamtkonzept eines Master/Slave-Systems, Fig. 9 shows the overall concept of a master / slave system,

Fig. 10 das Gesamtkonzept eines Systems nach der vor­ liegenden Erfindung, in der ein Mensch direkt einen ′Slave′ kontrolliert, Fig. 10 shows the overall concept of a system according to the prior lying invention, in which a person directly controls a 'slave'

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Nachfolgens mit Laststeuerung, Fig. 11 is a schematic representation of following load control,

Fig. 12 ein System der Fig. 11 in einer idealisierten Bedingung, Fig. 12 shows a system of Fig. 11, in an idealized condition

Fig. 13 eine Querschnittsdarstellung in Draufsicht ei­ ner passiven Nutzlast tragenden Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, Fig. 13 is a cross sectional plan view ei ner passive load supporting device according to the present invention,

Fig. 14 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 16, Fig. 14 is a side view of the device of Fig. 16,

Fig. 15 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung, wie sie in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist, die mehr Konstruktionsdetails darstellt,Illustrating Fig. 15 is a plan view of a device as shown in Figs. 13 and 14 more details of construction,

Fig. 16 eine Seitenansicht der Vorrichtung der Fig. 15, Fig. 16 is a side view of the device of Fig. 15,

Fig. 16A eine Darstellung einer Hüftanordnung der Vor­ richtung der Fig. 15 und 16, FIG. 16A is a representation of a pre Hüftanordnung direction of FIGS. 15 and 16,

Fig. 16B eine andere Darstellung einer Hüftanordnung der Fig. 16A, FIG. 16B is a different view of a Hüftanordnung of FIG. 16A,

Fig. 16C eine Darstellung eines Schuhabschnitts der Vorrichtung der Fig. 15 und 16, FIG. 16C is a representation of a shoe portion of the apparatus of FIGS. 15 and 16,

Fig. 16D eine andere Ansicht eines Schuhabschnitts der Fig. 16C, Fig. 16D is another view of a shoe portion of FIG. 16C,

Fig. 17 eine Seitendarstellung eines Schuhs mit einer Energie speichernden Einrichtung, die an die Sohle angebracht ist, Fig. 17 is a side view of a shoe having an energy-storing device which is attached to the sole;

Fig. 18 eine Bodenansicht eines Schuhs der Fig. 17, Fig. 18 is a bottom view of a shoe of 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. 19 is a side view showing the elasti rule element 74 of Fig. 6, which is a worked between the interface 48 of FIG. 6 and the ground,

Fig. 20 eine Darstellung der Nutzlast 40, eines Nutz­ laststabilisierers 68, eines elastischen Ele­ ments 90 und eines Rahmens 14 der Fig. 6, Fig. 20 is a representation of the payload 40, a useful laststabilisierers 68, an elastic ele ments 90 and a frame 14 of FIG. 6,

Fig. 21 eine detaillierte Darstellung von der Seite, die den Zusammenhang zwischen Nutzlastrahmen 14 und Gürtel 56 der Fig. 6 zeigt, Fig. 21 is a detailed view from the side, showing the relation between payload frames 14 and belt 56 of Fig. 6,

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,22 shows processing. An illustration of a exoskeletalen Vorrich, constructed and operated as alternatively ve embodiment of the present invention, which is suitable to enable a pedal movement by ei NEN human user,

Fig. 23 eine Darstellung der Verbindung 25 in Fig. 6, Fig. 23 is an illustration of the connection 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. 24 is a schematic representation of the vector-fundamental structure of a control system be the operation of the present invention is utilized,

Fig. 25 eine idealisierte schematische Darstellung des Systems, das in Fig. 24 dargestellt ist, Fig. 25 is an idealized schematic representation of the system that is shown in Fig. 24,

Fig. 26 eine schematische Darstellung des Betriebs der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, wäh­ rend sie an ein Fitneßfahrrad angebracht ist, Fig. 26 is a schematic representation of the operation of the apparatus of the present invention currency, rend it is attached to an exercise bicycle,

Fig. 27 eine schematische Darstellung eines Steue­ rungssystems, das beim Betrieb der Vorrichtung nützlich ist, während sie an einem Fitneßfahr­ rad angebracht ist, und Figure 27 is a schematic representation of insurance system. Steue a useful during operation of the apparatus while it is attached to a wheel driving fitness, and

Fig. 28 eine schematische Darstellung der Servoge­ schwindigkeitsschleife, die auf der CTT- Methode basiert. Fig. 28 is a schematic representation of the servo speed loop, which is based on the CTT method.

Anhang A die Simulationssoftware einer exoskeletalen Vorrichtung, die zur Ermöglichung stationärer Pedalbewegung nützlich ist.Appendix A the simulation software of an exoskeletal Device to enable stationary Pedal movement is useful.

Die vorliegende Erfindung einer exoskeletalen, lastge­ steuerten robotischen Vorrichtung kann zur Verstärkung der Fähigkeiten eines Benutzers, zu gehen und Lasten zu tragen, benutzt werden.The present invention of an exoskeletal, lastge Controlled robotic device can be used for amplification a user's skills to walk and load wear, be used.

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.The principles of load-controlled, exoskeletal, the Go reinforcing device according to the present  Invention can do better with reference to the drawings and the attached description can be understood.

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.Referring now to the drawings, Fig. 1 shows a possible embodiment of a device according to the prior invention, in which the user is in a standing position. The device includes a right leg member 10 which is preferably suitably connected at its lower end to a right foot member 18 which in turn is suitably attached to the user's right foot. The placement of the right leg member 10 and the right foot member 18 is such that loads in the right leg member 10 are transmitted directly to the floor whenever the right foot member 18 is in contact with the floor without being through part of the user's body to go.

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.Throughout the description and in the claims the word "floor" used to represent the section of the area to identify the user with the foot limbs the device connects. In most cases len this will be the surface of the earth. However, in be other cases "floor" voted the pedal of a bicycle of the rung of a ladder and the like. The Be Use of the word "floor" is therefore only for reasons made of simplicity and not to the protection area restrict the invention.

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. The device also includes a left leg member 12 which can be attached to a left foot member 20 , which are similar to the right leg member 10 and right foot member 18 , and which are preferably identical in each respect.

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.As best seen in Fig. 6, each leg member is set 10 and 12 directly or indirectly in the vicinity of its upper end by an appropriate connection piece 25 which can be active or passive and may contain further components, to a payload frame 14 , which in turn is connected to the user through a frame / user interface 42 and with a payload 40 through a frame / payload interface 16 . The connections are such that at least a portion of the load exerted by the payload is transferred to the right leg link 10 and / or the left leg link 12 when direct or indirect contact is made between one or both of the leg links and the floor becomes. In this way, at least part of the total load is transferred directly to the floor without requiring any portion of the user's body to carry the load.

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.The frame / user interface 42 is preferably connected to the user e.g. B. connected by connection to the back of the user so that loads comprising forces and impulses exerted by the user on the frame / user interface 42 serve as a guide for the movement of the device. 1-6 , the frame / user interface 42 is shown attached to the user's back. Other arrangements are also possible, as described below.

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.Each of the leg members 10 and 12 preferably includes at least two segments 22 . Each pair of adjacent segments 22 of a single leg member 10 or 12 is connected to each other by a connection 24 , which may be passive or active, firm or flexible, and which may include one or more additional components, as described in greater detail below will be. Segments 22 can be telescopic, with one segment sliding within or relative to another. In this case, the connec tion 24 denotes the point of operative connection of the telescopic segments 22 . The configuration described allows the user to simply kneel and rest on one or both knees on the floor.

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.Each of the leg links 10 or 12 is preferably arranged near its lower end on foot links 18 and 20 , which are preferably arranged substantially between the user's foot and the floor or at least have a contact surface with the floor in common with the user's foot, to allow the load to be transferred to the floor.

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. Figs. 1 to 4 show a device according to the present the invention as it may look like when it is used by ei NEN users in different positions. The user, who is shown in Fig. 1, is in standing position. Here it is desirable that the device ensures the stability of the user and the device and for this purpose transmits information about the arrangement of the center of gravity of the man / machine arrangement in order to enable the user to act to stabilize the arrangement. Stabilization can be achieved by any suitable inertial stabilization system, in particular by such systems with gyroscopes, but not only by such.

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.In FIG. 2, a typical walking position is illustrated, in addition, the device must also allow interaction between the user and the ground in order to stabilize the assembly.

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.Shown in Figs. 3, 4, and 5 is a typical walking or running position. Here, the device must ensure the proper acceptance of the load generated by the weight of the device user and the payload. In addition, the device operates to stabilize the payload relative to the user.

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. 4, the device comprises a support device 30 , which is typically formed in the form of a saddle to support at least part of the weight of the user, further increasing the user's ability to travel at increased speed for long periods of time. increases.

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 Fig. 5, the device of Fig. 3 is shown with additional connections which serve to separate the user's feet, which rest on an upper section 32 on a foot support, from the ground which is in contact with a lower section 34 of the foot support comes, which is spaced from the upper portion 32 . Such an arrangement effectively lengthens the user's legs and makes it possible to move at higher speeds.

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.In a preferred embodiment of the device of the present invention, depicted in FIG. 6 and partially described above, the frame / payload interface 16 is positioned near the user's back and supports a payload 40 . The frame / payload interface 16 is in turn supported by the payload frame 14 , which is arranged by a frame / user interface 42 on the back of the user.

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.Each foot member 18 and 20 preferably includes a structural member 44 connected to the corresponding leg member 10 or 12 and a pair of interfaces - a user / structural member interface 44 and a structural member / floor interface 48 . Each of these interfaces can contain different passive and / or active components and preferably contains one or more load cells in order to measure one or more forces and / or one or more pulses. Load cells preferably measure three forces and three torques.

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.The arrangement shown in FIG. 6 enables the system to sense the load exerted by the payload 40 and the device and the user and enables appropriate corrections to be made so that the load, generated by the payload 40 does not adversely affect the user.

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. The corrections are preferably achieved by a series of actuating elements (not shown) which are arranged at any suitable location, in particular, but not only, at connections 24 between adjacent segments 22 . The signals from the various load sensors are recorded and analyzed by a control system, which will be described in detail below, and which gives commands to various actuators to ensure that the device operates properly.

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.The overall system is shown schematically in FIG. 7. The overall system includes a user, a machine, a payload and a number of interfaces between the machine and the user, between the machine and the payload and between the machine and the ground. Loads are transferred in both directions in each interface. Preferably, the system also includes an energy supply to support the user's muscular strength.

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.Shown in Fig. 8 are some of the components of the machine. Sensor data are passed on to a CPU unit, which calculates the desired trajectory of the various connections, whereby the connections can be fixed or flexible. The information is used to drive a servo control unit, which sends suitable commands to the various actuating elements, which can contain various hydraulic and / or pneumatic pistons. Feedback sensors close the feedback loop, monitoring the operation of the actuators and sending information to the servo control unit. The actuating elements generate forces which drive the various mechanisms, which in turn cause the various compounds to move in the desired manner.

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. The system of the present invention, unlike a master / slave system, requires the user's movements to drive the machine directly. A typical master / slave system is shown schematically in FIG. 9. In such a system, commands from the user control the master. The master in turn controls the 'slave', which interacts with the environment.

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.In contrast, in the system of the present invention, which is shown schematically in Fig. 10, there will be a direct dynamic interaction between the user and the 'slave'. The system is controlled by load control, either passively or driven. The advantage of such a system lies in its simplicity, which is made possible by the omission of a master which normally complicates matters considerably by requiring a second set of sensors, actuators and corresponding devices.

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.A possible load control scheme is shown schematically in Fig. 11. The user generates certain forces that are detected by load sensors. The signals from the load sensors are then analyzed and the pedance control subsystem generates speed commands to a servo loop that interacts with the environment. The speeds passed back to the user by the servo loop give the user a real-time experience of the status of the man / machine arrangement. An ideal system that has ideal sensors, an immediately operating servo loop and a perfectly accurate impedance model would appear as shown in FIG .

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.In a set of embodiments of the system according to the present invention, the device is passive in the sense that it contains no actuators or energy supply. An example of such an exemplary embodiment is shown in FIGS. 13 to 16. FIGS. 13 and 14 are respectively simplified plan view and side views Be a device which is useful when carrying payloads. The device includes a pair of leg members 110 and 112 , each having a lower end connected to a foot member 118 and 120 , which in turn are suitably connected to the user's feet such that loads in a leg member 110 or 112 or both can be transmitted directly to the ground whenever the user's foot attached to the leg link contacts the ground.

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.The upper ends of the leg members 110 and 112 are suitably connected to a harness 150 or frame which, in a preferred embodiment, surrounds the user around its central portion and is preferably suitably connected to the user. The lifting tackle 150 can accommodate a payload (not shown), e.g. B. by belting the payload, by applying the payload to the harness 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.The working principle of such a payload bearing direction is that at all times when the User goes into contact with at least one of his feet with the floor. Because the foot link in a suitable way connected to the user's feet, touches it whenever any of the user's feet hit the ground contacted, also the floor and is thereby in the Be able to handle any load caused by the corresponding leg member is supported to transfer. The limbs are joined together by a common harness put together, which in turn the payload, the transpor should be supported. Chosen accordingly Shaping of the system, the following in detail will be described, enables the relocation of the System weight with the payload while the feet of the user alternately contact the ground and stand out from the ground. The load shift  is generated in a way that is analogous to the functional of the human hip connection is, as in fol will be described in detail.

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.A more detailed version of a passive payload carrying device, which has generally been described above, is shown in top and side views in FIGS. 15 and 16, respectively, and in the large representations of individual sections of the device shown in FIGS. 16A to 16B are shown.

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.The device includes a load-bearing frame 400 on which various loads (not shown) can be attached or can be placed in a suitable manner. Fixed to the load-bearing frame 400 is a hip stabilizing arrangement 402 , which is described in detail below with reference to FIGS. 16A and 16B. The hip stabilizing arrangement 402 is connected by a hip connection 404 to a tie rod 406 , which in turn is connected to a knee joint 408 . The knee connection 408 connects the tension rod 406 to a lower leg rod 410 , which in turn is connected to an ankle connection 412 . The ankle joint 412 is fixed to the user's shoe 444 , preferably to the heel of the shoe 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.The load-bearing frame 400 (which is not shown in FIG. 16 for the sake of clarity of the illustration) is preferably rigid. The interface between the user and the load-bearing frame 400 is preferably arranged in the middle section of the user including his back area. The interface is preferably formed by a series of suitably arranged body contact plates 414 . The contact plates 414 are arranged to allow the user to exert 400 horizontal forces on the load-bearing frame that are required to guide the device.

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.The contact plates 414 are arranged so that they allow a relatively free vertical relative movement between the user and the contact plates 414 , so that practically no vertical load is transmitted to the user by carrying a payload.

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.As can be easily understood, whenever the user lifts one of his legs from the ground, there is a strong tendency for the portion of the device on the side of the leg that is raised to collapse downward so well under the combined load the payload as well as the weight of the device itself. To prevent this tendency, the hip stabilizing assembly 402 is used, which is shown in detail in FIGS . 16A and 16B. The hip stabilizing assembly 402 includes an upper member 420 , a portion that is rigidly connected to the load-bearing frame 400 , such as. B. by a pair of bolts 422 which engage a portion of the load-bearing frame 400 in a slot 424 provided in the upper portion of the upper member 420 .

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. The lower portion of the upper member 420 is pivotally connected about a cross pivot hinge 426 on the upper arm 428 which projects from the hip joint 404 . It should be noted that the axis of pivoting the cross pivot link 426 is perpendicular to that of the hip link 404 . The combination of the two pivot connections enables a circular movement with two degrees of freedom between the load-bearing frame 400 and the thigh bar 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.To counter the tendency of the device to collapse on one side when the user lifts his leg, the following arrangement is provided. Bolted to the upper arm 428 , an insert 430 is provided which extends transversely to it so that it extends substantially parallel to and below a jump of the upper element 420 . The extension of the upper element 420 is connected to a disc 434 via a connection 432 , the z. B. may be an adjustable screw that extends through an insert 430 . Between the disc 434 and the insert 430 and between the insert 430 and the extension of the upper element 420 , suitable load-damping materials are, for. B. various rubber, Fe or the like, provided.

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.The hip stabilizing assembly 402 operates as follows. When the user lifts one leg off the floor, the portion of the device on the side of that leg that has been raised tends to drop or pivot the other foot toward the user's body. The downward movement pivots about pivot point 426 . However, this pivotal movement is dampened and essentially eliminated by the resistance of the damping materials which begin to act when the insert 430 is caused to approach the extension of the upper member 420 . In this way, the hip is stabilized and prevented from lowering significantly while the leg is not in contact with the ground.

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.Also, when the user lifts his leg and bends his knee to move forward, the knee joint 408 is flexed. It is important that the knee joint 408 is straightened again before the foot is put back on the floor. To achieve this, the on device (see FIGS. 15 and 16) is provided with a pair of thigh guides 436 which are connected to the thigh rods 406 such that forward movement of the thigh of the user presses a thigh guide 436 and hence the thigh bar 406 moved forward.

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.Bending the knee joint 408 involves stretching an elastic member 438 , which may be an elastic band, e.g. B. a bungee band, which is attached to the thigh bar 406 and the lower leg bar 410 . The elastic element 438 is preferably guided by a guide wheel 440 , which on z. B. the thigh bar 406 is attached. As the elastic member 438 stretches, it stores energy that is then used to bring the upper leg bar 406 and lower leg bar 410 aligned with each other into their fully extended positions before the foot is placed on the floor.

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.An ankle joint 412 is shown in detail in FIGS. 16C and 16D and includes a rolled spring 442 which connects the lower leg bar 410 and a heel connector 444 which is attached to a user's shoe, preferably the heel. The ankle joint 412 is provided to dampen the axial shock loads and to provide a certain flexibility without restricting the freedom of movement of the user's ankle.

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.The efficiency of the system according to the invention can be further increased by providing a number of suitable energy-storing devices, such as spring-elastic elements or suitable hydraulic or pneumatic systems and the like, which are capable of generating at least part of the energy which is available when the foot of a user is placed on the floor to store and can return at least part of the stored energy back into the system so as to reduce the energy expenditure of the user and / or the system. Two examples of such devices that can be used in conjunction with the shoes of the user are illustrated in FIGS. 17, 18 and FIGS. 19th

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.Shown in Figs. 17 and 18 is a spring assembly connected to the sole portion of a user's shoe. Three spring assemblies 200 are shown in FIG. 18. For the sake of clarity, only one of these is shown in a side view ( FIG. 17). As best seen in Fig. 18, the spring assembly 200 preferably includes a first spring 202 and a second spring 204 of different diameters which are suitably secured to a correspondingly shaped spool 206 which communicates with the sole of the shoe stands. The elasticity of the springs and their length is so be measured when the shoe approaches the ground, only one of the springs is compressed. Further compression of the shoe to the ground causes the compression of both springs with a higher total elasticity. In this way, the shock absorbing properties of the assembly can be increased while at the same time serving to store energy that is released when the shoe begins to lift off the ground.

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.Another energy storage system is described in FIG. 19. The heel of the shoe contains a suitable spring 300 , of which only the upper and lower turns are shown in cross section, the turns each being connected to the shoe and a deflectable heel 302 . The deflectable heel 302 is connected to a pivot rod 304 which is pivotable about a pivot point 306 which is fixedly connected to the shoe near its front end.

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.During normal walking, the user is first put his hoe on the ground and then his foot roll forward while the weight of the user zers forward to the foot flat on the Bo to put that and then the floor only with the front the tip of the foot just before leaving the floor touching the foot.

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.The mechanism of Fig. 19 uses this walking sequence to enable walking. In particular, a spring 300 urges the deflectable hoe 302 downward. When the heel 302 first contacts the ground, the force between the shoe and the ground compresses the spring, causing the heel 302 to deflect toward the shoe (shown in phantom). As the shoe rolls forward, the spring 300 deflects the heel 302 downward, which pivots the pivot rod 304 , parts of which still remain in contact with the ground, so that the shoe is safely lifted off the ground. which returns some of the stored energy to the user and makes walking easier.

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:Referring now to Figure 8, there is shown a block diagram of a preferred way of controlling the device of Figure 6. The Vorrich processing of FIG. 8 50 holds a CPU such. B. an Intel 80486, which is provided with a variety of forces and torque sensors, which are also referred to here as "Lastsenso ren" and a variety of Servosy stemen. In the illustrated embodiment, the plurality of load sensors include the following:

• 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;a) a load sensor 52 , which is arranged with an interface 16 , between the payload 40 and the frame 14 , and is operated to monitor forces and torques of interaction between the frame 14 and the payload 40 ;
• 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.b) a load sensor 54 , which is assigned to the interface 42 between frame 14 and frame-bearing member to form a body, such as, for. B. a belt 56 (see Fig. 6). The load sensor 54 is operated to detect interaction forces and torques between the human body and the payload frame 14 .
• 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,c) a load sensor 58 , which is arranged at the interface 46 between the structural member 44 and the user and is operated to measure the forces and torques of the interaction between the human foot and the structural member 44 ,
• 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. d) a load sensor 60 which is arranged at the interface 48 between the structural element 44 and the bottom. Load sensor 60 is operated to measure the forces and torques of the interaction between the floor and the structural element 44 .
• e) ein inertial-lage-erfassendes System 62, das mit der Nutzlast 40 verbunden ist.e) an inertial position sensing system 62 connected to the payload 40 .

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.Load sensors 52 , 54 , 58 and 60 can each have a load cell, such as. B. Include a JR3 multi-axis force / torque sensor, which is commercially available from JR3 Inc., 22 Harter Ave., Woodland, CA 95695, USA.

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.The inertial position sensing system 62 may include three accelerometers that are arranged to measure acceleration along each of the X, Y, and Z axes. Each accelerometer can e.g. For example, a Model 3110 accelerometer that is commercially available from EuroSensor, ICSensors, 20-24 Kirby St., London EC1N 8TS, UK.

Die Vielzahl der Servosysteme kann das folgende enthal­ ten:The variety of servo systems can include the following ten:

• a) eine Vielzahl von Servosystemen 64 inklusive eines Servosystems 64 für jeden der Punkte 24, 27 und 29; unda) a multiplicity of servo systems 64 including a servo system 64 for each of the points 24 , 27 and 29 ; and
• b) ein Servosystem 66, das mit ein nutzlaststabi­ lisierendem Element 68 zusammengefügt ist, wie dies im Detail in Fig. 23 dargestellt ist.b) a servo system 66 , which is assembled with a payload stabilizing element 68 , as shown in detail in FIG. 23.

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.Each servo system 64 may include a servo actuator 80 ( FIG. 6) controlled by a servo amplifier that receives feedback from the servo actuator via position and speed sensors 82 ( FIG. 6). The servo actuator can e.g. B., a model BMB-045 servo motor, which is commercially available from Bental Motors, Ben tal Development Ltd., Kibbutz Merom Golan, 12905, Israel. The servo amplifier can be a Mosfet PWM servo amplifier which is commercially available from Elmo Motion Control Ltd., POB 463, Petah Tikva 49103, Israel. A suitable position sensor is an H27-HR-27 (Series H - Waist 11) potentiometer, commercially available from MCB, 48 Avenue Kleber, Courlis I, 97200, Colmbes, France. A suitable speed sensor is a tachometer, commercially available from 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.Two methods will now be described which can be used to be controlled by the CPU 50 to control the servo actuators using input data coming from the sensors.

Methode 1 enthält die folgenden Schritte:Method 1 includes the following steps:

• 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).
  a) Take the input from the sensors that measure the following input variables:
  • 1. FGS = floor structural element load vector (sensor 60 ).
  • 2. FUL = frame strap load vector (sensor 54 ).
  • 3. FUS = user structure element load vector (sensor 58 ).
• Jeder Lastvektor enthält drei lineare Kraftwerte und drei Drehmomentwerte oder Momente.Each load vector contains three linear force values and three torque values or moments.
• 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.
  b) Use a conventional load control method for each foot to calculate a vector V as a function of the input forces and torques above, where:
  V = desired speed vector of the structural element 44 on a single foot relative to the frame 14 . The V vector contains three linear velocity values and three angular velocity values, which are assigned to the X, Y and Z axes, respectively.
  For example, to control a swinging leg while walking or running, a value is assigned to V that brings FUS as close to zero as possible. To control a leg during relatively slow movement, a value is transferred to V, bringing FUL as close to zero as possible.
  Conventional load control methods are already used in telerobitics and are described in the following references, among others:
  • 1. Sheridan, TB, Telerobotic, automation, and human supervisory control, MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 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, SL "Force augmentation 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.
  c) Record input according to the positions and speeds of each link 24 . Use conventional reverse kinematics and reverse dynamic techniques to calculate final outputs as a function of the speed vector V described above, which allow the desired V to be obtained. These final outputs include the desired angular velocity of each segment or link 22 relative to each segment 22 be adjacent that the speed of the Servobetä tigers 80 connected to each link 24 is operated. Conventional inverse kinematics and inverse dynamics techniques are used in a variety of robotics applications and are described in the following references, among others:
  • 1. Chae, HA et al, "Model based control of a robot manipulator", MIT Press, Cambridge, MA, USA, 1988;
  • 2. Desoer, CA and Vidyasagar, M. "Feedback systems: input-output properties", Academic Press, 1975;
  • 3. Leigh, JR "Functional analysis and linear control theory", Academic Press, 1980;
  • 4. Spong, MW, and Vidyasagar, M., "Robot dynamics and control," John Wiley and Sons, 1989;
  • 5. Spong, MW 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:Method 2 can include the following steps:

• 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,
  a) Record inputs from the sensors, which measure the following input variables.
  • 1. Sensor 52 - frame / payload forces and torques of interaction, and
  • 2. Sensor 62 - inertial accelerations and speeds,
• 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.
  b) Using the output of step a, calculate the relative speed of the payload 40 relative to the frame 14 so that
  • 1) the center of gravity of the payload 40 is kept as stationary as possible relative to the human user in the direction of the movement of the human user,
  • 2) in the horizontal direction perpendicular to the direction of movement of the human user, the center of gravity of the payload 40 is kept stationary as much as possible.
• c) Zu der Benutzung der Ausgabe des Schrittes b) erzeuge Kommandos an das Servosystem 66, die den Nutzlaststa­ bilisator 68 kontrollieren.c) To use the output of step b) generate commands to the servo system 66 that control the payload stabilizer 68 .

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.Reference is now made back to FIG. 6. A particular feature of a foot-to-floor interface element 48 of FIG. 6 is that it includes an elastic member that creates a contact surface with the floor along a longitudinal axis defined by the foot so that a zero -The moment point between the elastic element and the floor moves in accordance with the movement of the human user. In particular, the interface 48 is drivable to store energy when the hoe of the human user touches the ground and release the stored energy when toes of the human user push off the ground.

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.The elastic element is preferably designed to to have varying stiffness, so its stiff speed is relatively small while hack contact is made becomes and is relatively large during repelling.

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.The foot-floor interface member can e.g. B. a foot contacting link, a ground contacting link  in a pivotable relationship with the foot-contacting Link and an elastic link such as B. a spring be at one end of a foot-contacting limb and at the other end with the ground contacting member connected is.

Vorzugsweise enthält die Vorrichtung der Fig. 6 eine Vielzahl von elastischen Elementen, die die folgenden elastischen Elemente enthalten können:The device of FIG. 6 preferably contains a multiplicity of elastic elements which can contain the following elastic elements:

• 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.a) An elastic element 70 ( FIG. 21), which is connected to the interface 42 and is operated to absorb forces which act on the human body. The movable element 70 is preferably designed to correspond with a relatively small section of the human back, so that a relatively large section of the human back and in particular the shoulder section is unobstructed and remains free to move. The elasticity can by springs and / or by an elastic material, such as. B. an ela-elastic foam.
  The elastic element 70 is preferably permanently assigned to a belt 56 . Belt 56 and elastic member 70 are preferably releasably attached to the human body by.
• 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. b) An elastic element 72 is assigned to an interface 46 . The elastic element 72 may correspond to the elastic element 70 in the union. The elasticity can be created by springs and / or by an elastic material, such as an elastic foam.
• c) Ein elastisches Element 74 der Schnittstelle 48 zu­ geordnet. Das elastische Element 74 ist in Fig. 19 dargestellt.c) An elastic element 74 is assigned to the interface 48 . The elastic element 74 is shown in FIG. 19.
• 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.d) An elastic member 90 is associated with the interface 16 between the frame 14 and the payload 40 , and is operated to absorb the forces of interaction between the frame and the payload. The elastic element 90 is shown in FIG. 20.

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.In the illustrated embodiment, however, the elasti cal element 74 is passive and it is subsequently executed reported that the resilient member 74 may alternatively be active, z. For example, it can ultimately be controlled by the CPU 50 of FIG. 8.

Die Segmente 22 sind vorzugsweise so ausgeführt, daß sie sowohl leicht, als auch strukturell stark sind und kön­ nen z. B. hohle Metallstangen sein.The segments 22 are preferably designed so that they are both light and structurally strong and can be z. B. be hollow metal bars.

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.The payload stabilizing element 68 , shown in detail in FIG. 20, is operated to stabilize the payload 40 relative to a human user so as to prevent the payload 40 and its contents from imposing a harmful load on the human user practice even when the user is making lateral movements or bending and stretching movements.

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. Typically, an electronics housing 84 is arranged together with the payload 40 , which contains the electronic components of the apparatus, such as CPU 50 , inertial position sensor system 62 , servo amplifier of servo systems 64 and 66 , and a power source 86 ( FIG. 8).

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. Fig. 20 is an illustration of the payload 40 , the payload stabilizer 68 , an elastic member 90 and the frame 14th As shown, the payload 40 includes a container in which objects or loads can be placed that the human user wishes to carry from one place to another. The payload 40 is attached to the payload stabilizer 68 with two degrees of freedom, as indicated by the arrows 92 and 94 .

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.The payload stabilizer 68 is fixedly attached to the horizontal portion of the frame 14 . Stabilizer 68 includes two upstanding portions 95 . A frame 97 is provided pivotably associated therewith, preferably driven by a motor 96 . The payload 40 is pivotally associated in the frame 97 via two pivot connections 98 , the pivoting movement preferably being driven by a motor 99 . Motors 96 and 99 can each e.g. B. A direct drive DC torque motor available from Inland Motor, Kollmor Gent Corporation, Radford, VA, 24141.

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.The sensor 52 is attached to the frame 14 . An elastic element 90 , which can contain a spring, is located between the sensor 52 and the payload 40 .

Fig. 21 ist eine detaillierte Seitenansicht der Zuord­ nung zwischen Nutzlastrahmen 14 und Gurt 56 der Fig. 6. FIG. 21 is a detailed side view of the assignment between payload frame 14 and belt 56 of 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. Fig. 21 is a pictorial representation of a exoskeleta len device according to another Ausführungsbei game of the present invention constructed and operated. The device of FIG. 22 is suitable for facilitating pedal movement by a human user. The device of FIG. 22 may be substantially the same as the device of FIG. 6. For example, elements 510 , 522 , 524 and 525 of FIG. 22 may be the same as elements 10 , 22 , 24 and 25 of FIG. 6, respectively. However, unlike connection 25 of FIG. 6, connection 525 of FIG. 22 can only have one degree of freedom, namely that in the plane of rotation of pedal 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.Although the payload 40 and the elements associated therewith have been omitted in FIG. 22, it is pointed out that alternatively a payload 40 and the associated elements in connection with a device of FIG. 22 which facilitates cycling , can be provided.

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. Fig. 23 is an illustration of compound 25. As shown, the connection 25 contains a first hip joint 27 and a second hip joint 29 . In the illustrated embodiment, each hip joint has a passive degree of freedom, as indicated by arrow 31 , and two active degrees of freedom, as indicated by arrows 33 and 35 . The movement in the direction indicated by arrow 33 is actuated by motor 37 . The movement in the direction indicated by arrow 35 is actuated by motor 39 . Position and speed information in all three directions, which are indicated by the arrows 31 , 33 and 35 , is preferably used in step c of the method 1 described above.

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. The control device for an exoskeletal device, which is suitable to facilitate pedaling, will now be described with reference to FIGS . 24-28.

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.The exoskeletal device of the present invention is caused by the movement of a human user agrees and is operated to bear external loads, that are transported by the user. Alternatively the device can take part of the weight of the user wear it yourself.

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.The human user is responsible for operation for the stability of the device and begins the ge wanted directions of movement. The device allows the user every spatial degree of freedom that is necessary for loading Service control of the device is required and progresses only when the system reaches critical conditions that pose a threat to the stability of the system.

Die Bedingungen, unter denen die Vorrichtung betrieben wird, können in drei Kategorien aufgeteilt werden, wobei die ersten zwei den Betriff "kritisch" definieren:The conditions under which the device operated can be divided into three categories, whereby the first two define the term "critical":

• 1) eine Region globaler Instabilität,1) a region of global instability,
• 2) eine Region, in der die Vorrichtung verantwortlich zur Beibehaltung ih­ rer globalen Stabilität ist,2) a region in who is responsible for maintaining the device ih global stability,
• 3) eine Region, in der der Benutzer verantwortlich für die Beibehaltung der globa­ len Stabilität des Systems ist.3) a region in which the User responsible for maintaining the globa len stability of the system is.

Das Kontrollsystem der vorliegenden erfüllt vorzugsweise die folgenden Aufgaben:The control system of the present preferably fulfills the following tasks:

• a) Kontrollieren des Zusammenwirkens zwischen dem Benutzer und der Vorrichtung und zwischen der Vorrichtung und der Umgebung;a) checking the interaction between the User and the device and between the Device and the environment;
• b) es dem Benutzer zu gestatten, die Vorrichtung anzutreiben, zu kontrollieren und zu stabili­ sieren, b) allow the user to use the device to drive, control and stabilize sier,  
• c) Sicherstellen globaler Stabilität inklusive der wesentlichen Statusvariablen, über die der Benutzer keine Kontrolle besitzt;c) Ensuring global stability included the essential status variables through which the User has no control;
• d) Überprüfen der Tätigkeitsausführung bei unsi­ cheren Bedingungen.d) Checking the execution of activities at unsi conditions.

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.Referring now to the vectorial diagram of FIG. 24, it is noted that the control system of the present invention employs the principle of load (impedance) control. This principle was first described by Hogan N. in "Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part III - Applications", Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 107, March 1985, pp. 17-24.

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. The user releases a force Fh on the device. This force Fh is measured by a force sensor 500 , which outputs a force signal Fh ', which is then converted by the desired impedance model 502 into a desired speed signal V _c . V _c is the speed at the point where the force acts. The Jacobian determinant (J) of the system, which is an approximate ideal algorithm, converts the desired speed signal into a generalized speed signal q _c , which represents the speed in a common coordinate system. The generated speed signal q _c is transmitted to the servo speed loop 504 , which outputs the real connection speeds q. By multiplying q by the inverse Jacobi determinant, the real speed at the point of user / device interaction is calculated.

Um den Betrieb des Systems zu vereinfachen, läßt man al­ le Elemente der schematischen Darstellung ideale Werte annehmen, wobeiIn order to simplify the operation of the system, al le elements of the schematic representation ideal values assume where

Fh = fh′
q = q_c und
J = J′.Fh = fh ′
q = q _c and
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. Fig. 25 shows this ideal situation. Theoretically, the system of FIG. 25 is capable of controlling the load or achieving user-device interaction and the desired performance levels. The higher the desired load (impedance) value, the higher the speed value that can be achieved by the device using smaller forces Fh. This allows the control system to allow the user to have control over the speed V of the device by applying forces Fh using the desired load model.

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. In an ideal situation, the higher the desired one Load value is that existing user device Interaction less and during forces and torque elements between user and device develop, speed V will increase and strive to to minimize the forces of interaction Fh. Thereby a device is created by its user is "dominated". In a practical sense, it is not possible Lich, to create an ideal system and powers of Zu interaction will arise, largely due to dynamic interaction between the device and the site. The control system is then designed aims to reduce these forces to a minimum.  

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.Referring now to FIG. 26, the operation of the control system in its components will now be examined. Fig. 26 shows the operation of the device while attached to a fitness bike rather than a person. The global stability effect is thereby eliminated because the device is supported by a stationary structure and thereby enables the components to be examined. The human user maintains control and load application to the device is accomplished using the bicycle load application mechanism. The operation of the device while connected to a fitness bike will now be described in detail below.

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:The mechanical system has three degrees of freedom, including two active degrees of freedom that are driven by servo actuators that are controlled with a closed loop, and a passive degree of freedom. The arrangement of these degrees of freedom is as shown in Fig. 26 and reflects the following considerations:

• 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.1. Kinematic similarity to the biomechanical structure of the human leg. If you take the kinematics al As a reference, a degree of freedom would become Sufficient drive of the bicycle pedals. However, in order to the similarity of the bicycle construction to the construction of the to approach the human leg, assuming can go that it has three main degrees of freedom, e.g. B. Thighs knees and ankles, a build with these three degrees of freedom also for the experiment to get voted.
• 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.2. Suitability for ge experiments: One three degrees of freedom showing structure, kinematic to the human  Adjusted leg, is also ge for ge experiments be suitable where a fourth degree of freedom, the Cross stability represented for walking, not necessary is dig.

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.The mechanical frame of the bicycle is indicated by reference number 598 . Two force measuring elements 600 and 602 are arranged on each side of the arm 604 , which represent the passive degree of freedom. Element 600 measures the force generated by the user-device interaction, and element 602 measures the force generated by the device and the bicycle pedal 606 .

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.Mastery of the device by the user becomes possible as a result of the output of these two measuring elements, the signals of which represent the external forces acting on the device. The bicycle pedal 606 is attached to the pedal axle 610 by means of a mechanical arm 608 . At this point, the load torque, the direction of which is always opposite to the direction of the rotation vector (represented by arrow 612 ), is measured.

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.The control system contains two main loops. A internal speed loop is based on technology of the calculated torque, and an external force loop is based on the load control method. This Construction also allows control of the device then when this is exposed to critical conditions.

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.The elements of the bicycle experiment are shown schematically in Fig. 27. The human user, represented by block 700 , applies force to the foot supports of the device when riding the bicycle. Fh _R is a force vector that is exerted by the user on the right foot support 702 , and Fh _L is a force vector that is exerted by the user on the left foot support 704 . Fh _R and Fh _L are measured using two force detection elements, the outputs of which are Fh _R 'and Fh _L '. The forces exerted by a human user are also applied to the servo actuators of the device. As such, the forces Fh _R and Fh _{L are converted} by the Jacobi determinants J ^T R and J ^T L to load moments ThR and ThL which act on the connecting elements of the device. At the same time, the forces Fp _R and Fp _L between the pedal and foot support are measured on the right and left sides. The output signals from the sensing elements 706 and 708 are multiplied by force amplification coefficients 710 and 712 , respectively, and the results of the multiplication are used to calculate the total forces ΣF _R and ΣF _L exerted on the right and left footrests, respectively.

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.ΣF _R and ΣF _L are converted into the desired foot support speeds V _RC and V _LC using the desired load model 714 . This conversion also takes into account the status measurements of the bicycle pedals, so as not ineffective speed components, such as. B. Include components in directions that do not contribute to actual speed.

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.The desired speeds V _RC and V _LC are converted by the Jacobi models J ′ _R and J ′ _L into the desired speed values q _RC and q _LC in the connection axes. These values are output to the servo loops 716 and 718, respectively, which generate the real link speeds q _R and q _L , respectively. The final loop of the control system shown in Fig. 27 is finally closed by the human user.

Die Geschwindigkeitsschleifen werden nun bezugnehmend auf Fig. 28 beschrieben. Die Geschwindigkeitsschleifen haben drei Hauptaufgaben:The speed loops will now be described with reference to FIG. 28. The speed loops have three main tasks:

• 1. Geschwindigkeitskontrolle (Überprüfen der gewünschten Geschwindigkeitsausgaben durch eine Laststeuerung),1. Speed control (checking the desired Speed output through a load control),
• 2. Sicherstellen einer Robustheit angesichts der Unge­ wißheiten der Parameter des Systems,2. Ensuring robustness in the face of accident knowledge of the parameters of the system,
• 3. Entkopplungssteuerung.3. Decoupling control.

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.The control of the speed loops is based on a model-based control algorithm, whose most famous of Chae et al. in "Model Based Control of a Robot Manipulator ", MIT Press, 1988. In the case of a bicycle experiment, a CIT (Calculated torque technology, English: Computed Tor que Technique) control method. Based on the knowledge of the real model of the controlled Systems are all linear and non-linear couplers elements of the model eliminated in a first step. Then the speed loop is closed based on the assumption that no coupling elements in the System exist. In fact, it is not possible to al to eliminate the coupling elements from the model because the real model is unknown.

Bezugnehmend auf die schematische Darstellung der Fig. 28 werden die folgenden Parameter definiert:The following parameters are defined with reference to the schematic illustration in FIG. 28:

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
wobein = number of degrees of freedom
F _ex = external force
q ε R ⁿ = generalized coordinates
M (q) ε R ^{n × n} = inertial matrix
h ε R ⁿ = Coriolis, centripetal and gravity
U ε R ⁿ = control in the dimensions of the generalized forces
F _ex ε R ⁿ = external force vectors
j ε R ⁿ = Jacobi matrix of the device
Ud ε R ⁿ = interference and
N <= represents the Cartesian spatial coordinates
N <= 6
in which

M(q)q′′ + h(q,q′) = U + J^TF_ex + UdM (q) q ′ ′ + h (q, q ′) = U + J ^T F _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.is an equation that can serve as a model for the device of the present invention and can represent the movement of a body with n degrees of freedom and cooperative with an external force F _ex .

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.Appendix A is a computer program listing in the Fortran language of a software implementation of part of the device of Fig. 22. Appendix A is a software simulation of an exoskeleton that is useful for enabling stationary pedal movement.

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. Biomechanical considerations in the design ei ner exoskeletal device to facilitate the day activities of walking, running and carrying a payload are now described.  

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.In general, gaits of a human-machine Systems divided into the following three phases: Double l support when both legs are in contact with the bo that are, individual support when one leg is under supports, but the other does not, and flight if there is no contact with the ground.

Phasenerfassung kann aufgrund der Ausgaben der Kraftsen­ soren, die in den Maschine-Boden-Schnittstellen 22 in­ stalliert sind, durchgeführt werden.Phase detection can be carried out based on the expenditure of the forces sensors installed in the machine-floor interfaces 22 .

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.The control is ver during the double support responsible for reducing errors between the Reference (targeted) and measured dynamic forces at the interfaces of the machine with the human being Ground and payload. Dynamic instructability of the Ma machine from human user can be preserved, thus a speed command to the actuators implement the machine in a manner that reflects the errors between the reference and the measured dynamic Forces at the interfaces of the machine are reduced.

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.During single support and flight, the controller will operate in a similar manner as during double support. However, this does not apply to the re-establishment of reference levels for the desired dynamic force values of the interfaces. These phases (namely individual support and flight) differ from double support in that they do not have one or two legs in contact with the ground. The force that is applied and therefore also measured will be zero at an interface 22 of a vibrating leg (swing = not in contact with the ground) or very close to zero. In order to obtain the desired dependency between the kinematics of a vibrating leg of the user and the machine, the reference force value (desired) at interface 182 of a vibrating leg is set to zero.

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.In the case of individual support, the reference level at the interfaces 22 and 182 of a vibrating leg is therefore set to zero and the reference levels at the interfaces 22 , 182 of the supporting leg as well as the references at the interfaces 181 and 20 on the Value of the desired dynamic forces can be set, which was calculated in the manner described above.

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.During the flight phase of the different gaits all reference levels set to zero because during the Fly each of the components of the system as a free body per moves in space. If the human user his body parts moved relative to each other, the Machine follow its movement by actuating elements are operated so that all interface forces are brought to zero reference values.

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.The control logic described above does not transmit sequencing of the gaits, since it only affects the gait detection, e.g. B. Detect whether a leg is in contact with the ground or not and not on sequencing, e.g. B. the order of occurrence of the phases arrives. This is seen as an advantage because it enables the controller to successfully control the system in situations that are not to be classified as "normal Gan gart". For example, the same control scheme works with the task of changing from standing to kneeling and vice versa from kneeling to standing. When the user begins to bend his knees and his ankles to lower his body vertically, the forces at the human-machine interface, in the trunk-pelvic region (interface 181 ), will rise above their reference values, and the difference between the forces measured at interface 22 and interface 182 will also increase above its reference level. The control logic will immediately send speed commands to the actuators of the machine so as to minimize their errors, resulting in a kneeling motion of the machine that fully follows the kneeling motion of the human user.

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.It should be noted that the features here in connection with separate embodiments have been shown and described in any suitable manner Combination can be brought together, and that there forth each embodiment shown herein and has been described, a variety of features ent holds individually or in combination with one or can only be realized with some of the many features can.

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.It should be noted that for professionals the above lying invention not on the immediately above Darge posed and described is limited, but that the Protection of the present invention by the following Claims is described.

Claims (25)

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. 1. Foot-floor interface device, characterized by an elastic element ( 18 ; 46 , 48 , 58 , 72 , 74 ; 202 , 204 , 206 ; 300 , 302 , 304 , 306 ), which has a contact surface with the con Floor along a longitudinal axis, which is predetermined by the foot, so that a zero torque point between the elastic element and the floor moves with the movement of the human user. 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.2. Foot-to-floor interface device according to claim 1, characterized in that it is for storage of energy is provided when a person's heel Lichen user touches the ground, and to deliver the Energy is provided when a human's toes Chen push off the floor. 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.

3. Method for controlling an exoskeleton, characterized by the steps:

• Recording at least one load input variable,
• - Applying a load control to calculate the desired speed for at least a portion of the exoskeleton, and
• - Calculate the angular velocity of each of a plurality of segments of the exoskeleton relative to another segment adjacent thereto.

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.4. The method according to claim 3, characterized in that the step of calculating is a step of application The technique of inverse kinematics encompasses the many to calculate the number of angular velocities. 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. 5. The method according to claim 4, characterized in that the step of calculating is a step of application The technique of inverse dynamics encompasses the many to calculate the number of angular velocities.   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.6. Floor-floor interface device, marked net by an elastic element that varies with Stiffness is provided so that the stiffness is relative low during a hack contact and relatively large during repulsion. 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.

7. Floor-floor interface device, characterized by net

• - a foot contacting element,
• - A ground-contacting element which is pivoted in relation to the foot-contacting element, and
• - An elastic element which is attached at one end to the foot-contacting element and at another end to the ground-contacting element.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das elastische Element eine Feder ist.8. The device according to claim 7, characterized in net that the elastic element is a spring. 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.

9. Method for stabilizing a payload, characterized by the steps:

• Recording at least one load input and one inertial input,
• - Calculate the relative speed of the payload, which lets the center of gravity of the payload be substantially stationary relative to the carrier of the payload, and
• - Generating a payload-stabilizing control command based on the result of the calculation step.

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.

10. Exoskeletal device to assist a user in carrying a payload while moving over the ground, characterized by:

• a right leg link attached to the user's right foot so as to transfer loads in the right leg link directly to the floor,
• a left leg link attached to the user's left foot so as to transfer loads in the left leg link directly to the floor,
• - a right foot link connected to the right leg link,
• - a left foot link connected to the left leg link,
• a device for storing and using the energy, which is connected to the right foot member,
• - A device for storing and using energy, which is connected to the left foot member, and
• a payload / user connection that is connected to the payload and further to the right leg link and to the left leg link, the payload / user connection being arranged such that loads imposed by the user on the payload / user Connection are exercised to guide the movement of the device.

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.

11. Exoskeletal device to assist a user in carrying a payload while moving over the ground, characterized by:

• a right leg link connected to the right foot of the user so as to transfer loads in the right leg link directly to the floor, the right leg link including a hip assembly,
• a left leg link communicating with the user's left foot so as to transmit loads in the left leg link directly to the floor, the left leg link including a hip assembly,
• - a right foot link connected to the right leg link,
• - a left foot link connected to the left leg link, and
• a payload / user connection that is connected to the payload and further to the right leg link and to the left leg link, the payload / user connection being arranged such that loads imposed by the user on the payload / user Connection are exercised to guide the movement of the device.

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.12. Device according to one of the preceding claims 10 or 11, characterized in that the payload / User connection near the back of the user is arranged. 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.13. Device according to one of the preceding claims 10 to 12, characterized in that the payload / User connection is essentially ring-shaped and the user essentially in its midsection surrounds. 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.14. Device according to one of the preceding claims 10 to 13, characterized in that the right leg limb and the left leg link at least two each Contain segments, with the segments going through with each other are connected. 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.15. Device according to one of the preceding claims 10 to 14, characterized in that the payload / User Link A device includes too little least partial support of the weight of the user decomposed 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.

16. Device according to one of the preceding claims 10 to 15, characterized by the further constituents:

• a sensor for detecting the load between each of the foot members and the corresponding foot of the user,
• a sensor for sensing the load between each of the foot members and the ground,
• a sensor for detecting the load between the user and the payload / user connection,
• - an actuator for the right leg link,
• - An actuator for the left leg link, and
• - A control system connected to the sensors and the actuators for controlling the movement of the device.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß das Steuerungssystem ein Lastkontrollsystem ist.17. The apparatus according to claim 16, characterized net that the control system is a load control system is. 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. 18. Device according to one of the preceding claims 10 to 17, characterized by a further existing Energy storage device for alternative storage Saving energy from the user and / or the front direction and / or payload and delivery at least one part of this energy to the user and / or the Device and / or the payload.   19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energiespeichereinrichtung mit den Fußglie­ dern verbunden ist.19. The apparatus according to claim 18, characterized in net that the energy storage device with the Fußglie who is connected. 20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energiespeichereinrichtung einen Federme­ chanismus umfaßt.20. The apparatus according to claim 18, characterized in net that the energy storage device has a spring chanism includes. 21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energiespeichereinrichtung einen Hydraulik­ mechanismus umfaßt.21. The apparatus according to claim 18, characterized net that the energy storage device a hydraulic mechanism includes. 22. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energiespeichereinrichtung einen Druckluft­ mechanismus umfaßt.22. The apparatus according to claim 18, characterized in net that the energy storage device a compressed air mechanism includes. 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.23. Device according to one of the preceding claims 11 to 22, characterized in that the hip arrangement a device for stabilizing the device takes hold of when only one of the user's feet touches stands with the floor. 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.24. Device according to one of claims 11 to 23, there characterized in that the device for stabilization the device an inertial position stabilization system contains. 25. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 24, gekennzeichnet durch eine Knöchelverbindung.25. Device according to one of the preceding claims 10 to 24, characterized by an ankle joint.