DE2016295A1 - Taktile Rückmeldeeinrichtung für künstliche menschliche Gliedmaßen, insbesondere Kunsthände - Google Patents

Description

• Taktile Rückmeldeeinrichtung für künstliche menschliche GLiedmaßen, insbesondere Kunsthände Die Erfindung betrifft eine Rückmeldeeinrichtung für künstliche menschliche Gliedmaßen, insbesondere motorisch angetriebene Hand- und Armprothesen, die dem Versorgten die an den Fingern auftretenden Griffkräfte und die Stellung der Finger und ihrer Glieder zueinander auf einen Teil der Hautoberfläche in Form eines zweidimensionalen Druckmusters signalisiert.
• Bei der bekannten motorisch angetriebenen von Myo- oder Neurosignalen gesteuerten Kunsthand ist dem Prothesenträger die Möglichkeit gegeben, willkürliche Griffbewegungen und Drehbewegungen dieser Kunsthand durchzuführen. Dabei lösen die bei einer gewollte Bewegung an der Hautoberfläche aufgenommenen Muskelaktionsspannungen (Myosignale) den Anlauf der die Finger und/oder das Handgelenk bewegenden Stellmotoren as, , die bei bestimmter Schaltung integrales Verhalten zeigen, d.h. die Drehzahl und damit die Verstellgeschwindigkeit der Glieder verhält sich proportional der entsprechend verstärkten Amplitude der Myosignale. Die Bewegung der so betätigten Elemente dauert an bis diese sich selbst oder den ergriffenen Gegenstand berühren und eine Kraft aus dem Drehmoment des Antriebes aufgebaut ist und letzterer durch die Rückwirkung der Griffkraft zum Stillstand gebr-emst wird. Dieser Zustand bleibt auch nach Abklingen deß Myosig- -nals bestehen, wenn der Stellmechanismus mit Selbsthemmung arbeitet. Als Befehlsgeber für die Steuerung der Kunsthand dient vorzugswelse ein Antagonistenpaar der Armmuskulatur, wobei die Myosignale des einen Muskels das Schließen und die des anderen das Öffnen der Hand bewirken und/oder steuern.
• Mit den bekannten Konstruktionen hat man gute Erfahrungen gemacht, wenn der Versorgte durch eigene Augenbeobachtung eine Art der Rückmeldung benutzt und zusätzlich das Geräusch des Antriebes als akustische Rückmeldung Ii£nzuzieht, um aus diesen Informationen auf die Griffkraft, sowie die Hand- und Fingerstellung zu schließen. Durch Umwelteinflüsse optischer und/oder akustischer Art (z.B. Dunkelheit, hoher Geräuschpegel) können beide Rückmeldewege beeinträchtigt oder gar ausgeschaltet werden.
• Auch sind elektronische Schaltungen bekannt, die einen Vergleich der elektrisch gemessenen und rückgemeldeten Griffkraft mit der Muskelaktionsspannung herbei führen, jedoch sind diese technisch sehr aufwandreich und energieverzehrend und signalisieren nicht die Griffkraft dem Nervensystem des Trägers.
• Weitere bekannte Rückmeldeeinrichtungen versuchen dem Versorgten einen Eindruck von der Oberflä.chenbesc}iaffenheit eines betasteten Gegenstandes zu vermitteln, in dem die Oberflächenrauhigkeit auf verschiedenen Wegen in entsprechende akustische Signale umgesetzt wird.
• Bei der Durchführung feinfühliger Bewegungen wie z.B. dem Ergreifen eines rohen Eies ergeben sici Schwierigkeiten bei der Verwendung der bisher bekanten Prothesen, dadurch bedingt, daß keine taktile Rückmeldung besteht. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine technisch einfache und keine Hilfsenergie benötigende taktile Rückmeldeeinrichtung zu erreichen, daß der Versorgte nach einem Lernvorgang in der Lage ist, die Hand-, Finger- und Fingergliedpositionen sowie die Griffkraft mit Hilfe eines korrespondierenden zweidimensionalen Druckmusters auf einem Teil der Hautoberfläche zu erkennen. Die Erfindung befähigt den Versorgten zur fortlaufenden Erkennung der Hand- und Fingerbewegungen sowie der auftretenden Griffkräft und ermöglicht ihm die Auslösung der erforderlichen korrigierenden Steuerbefehle auch ohne optische oder akustische Rückmeldung. Mit dieser Erfindung wird nach einem hinreichend langen Lernvorgang die Ausführung von unwillkürlichen Bewegungsfolgen der Handglieder (Bewegungsautomatismen) über die unbewußt tätigen subkortikalen motorischen Zentren ermöglicht. Zugleich werden die bei Prothesen ohne Rückmeldung möglichen unkontrollierten Fehlbewegungen verhindert Die Erfindung wird durch die Fig. 1, welche in einem Blockschaltbild die Eingliederung der taktilen Rückmeldung in das sensorische und motorische Nervensystem des Menschen zeigt und die Fig 2,3 und 4 mit ilirem Schnitt A - B, die ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens darlegen, erklärt.
• Die Fig. 1 zeigt eine systemtheoretische Darstellung der Wirkungsweise einer myoelektrisch gesteuerten Prothese mit taktiler Rückmeldeeinrichtung integriert in das Nervensystem und in zuordnung zum visuellel Rückmeldesystem.
• Eine willkürliche Bewegung werde charakterisiert durch ein aus zeitlich veränderlichen Führungsgrößen W, (t) bestehendes Bewegungsprogramm. Die höheren Zentren des zentralen Nervensystems HZZNS veranlassen die Ausführung des Bewegungsprogrammes durch eine Folge zeitlich veränderlicher Nervenimpulse W2(t) an die motorischen Vorderhornzellen des Rückenmarks RM. Die Motoneuronen des Rückenmarks innervieren durch Nervenimpulse Y (t) die Skelettmuskulatur des noch vorhandenen Restgliedes M. Durch die Muskelkontraktion entstehen die Myosignale U (t), die wiederum über das künstliche Ersatzsystem P (Prothese) Positionsbewegungen der Kunsthand und GriffkräfteX (t) auslösen.
• Die aus den Elementen HZZNS, RM, M und P bestehende Steuerkette wird durch die optische Rückführung 0, die die von der Retina wahrgenommene Größe X (t) in Nervenimpulse X1(t) transformiert, zum Regelkreis I geschlossen. Dieser funktioniert mit visueller Rückmeldung um so sicherer, je besser das Auge aus äußeren Beobachtungen die Hand- und Fingerposition sowie die versteckte Griffkraft ableiten kann, da ja eine echte Griffkraftmessung nicht vorliegt.
• Die Erfindung sieht vor, einen Regelkreis II, entsprechend der Rückmeldung über natürliche Rezeptoren (z.B. Druckrezeptoren, Propriorezeptoren), zu bilden. Dieser besteht aus einer neuartigen künstlichen Rückmeldeeinrichtung R9E, zweitens dem natürlichen Teil der sensorischen Rückmeldung S und den Elementen RM, M, und P. Die Rückmeldeeinrichtung ZME transformiert die Eingangsgröße X (t) in das Druckmuster X (t), das durch den natüraichen Teil des sensorischen Systems S in das Nervenimpulsmuster X2(t) überführt und dem Rückenmark zugeleitet wird. Der damit geschlossene Regelkreis II ermöglicht die kontrollierte Ausführung von unwillkürlichen Bewegungsfolgen durch die unbewußt tätigen motorischen Zentren des Rückenmarks, die die Skelettmuskulatur innervieren.
• Der Informationsfluß im Regelkreis I läßt sich nach entsprechender Vereinfachung durch folgende Gleichungen beschreiben: In den höheren Zentren des zentralen Nervensystems werden aus der Führungsgröße W1 und dem Nervenimpuls X1 die Regelabweichung (1) Xw 3 X1 - W2 gebildet und als Führungsgröße (2) W2 = F1 (XW1) dem Rückenmark zugeführt.
• Das Rückenmark RM innerviert entsprechend den Gleichungen (3) xW2 = X2 -W 2 2 2 und (4) Y = F2 (XW2) durch Nervenimpulse Y die Skelettmuskulatur M.
• Durch die Rückmeldeeinrichtung RME und den Regelkreis II wird ein Unterregelkreis aufgebaut, der wie bei natürlichen Systemen die Ausführung der von den höheren Zentren des zentralen Nervensystems ausgelösten Stellbewegungen W2 überwacht.
• In Fig. 2 ist der Erfindungsgegenstand, die taktile Rückmeldeeinrichtung RME, in Verbindung mit der bekannten myoelektrischen Steuerkette SK einer Unterarmprothese gezeigt, wobei wegen der Übersicht bei dieser nur ein Muskel an ein Einkanalsystem myoelektrisch angeschlossen ist.
• Die Unterarmprothese 1 mit myoelektrisch gesteuerter Hand ist am Stumpf des Unterarmes 2 befestigt. An diesem ist an spezieller Stelle die Elektrode 3 als Aufnehmer der Myosignale angesetzt. Die Nyosignale werden vom Verstärker 4 verstärkt, dem elektronischen Schalter 5 zugeleitet, der den Stellmotor 6 schaltet und der Zeigefinger 7a und Daumen 7b bewegt. Die elektrische Versorgung erfolgt durch den Akkumulator 8. Die Aggregate 4,5 und 6 sind bei bekannten Ausführungen im Schaft des Kunstarmes untergebracht. Es liegt hier eine Steuerkette vor, die durch Zuordnung der taktilen Rückmeldeeinrichtung RtIE und Einbezug des Nervensystems zum Regelkreis II ge -schlossen wird. Die die taktile Rückmeldeeinrichtung bildenden technischen Glieder sind Rezeptoren 9a, b, c, d an den beweglichen Fingerteilen der Hand, Übertragungsleitungen -lOa, b, e, d und zur Darstellung der spezifischen Griffkraft und Handposition die Manschette 11 mit den Empfängern 12a, b, c, d derart, daß geschlossene unabhängige Systeme entstehen aus Rezeptor 9 an der Hand resp. Fingerglied, Leitung 10 und Empfänger 12. Von diese. Rezeptoren 9 signalisiert 9d vorzugsweise die Stellung der künstlichen Finger zueinander, kurz die Handöffnung.
• Die Anordnung der Empfänger 12a, b, c, d in Zuordnung zu den Rezeptoren 9a, b, c, d ist ph-siologisch so zu bestimmen, daß nach einem Lernvorgang die GriXfkraft und die Fingerposition an der Oberfläche eines gesunden Körperteils in Form eines Druckmusters erkannt werden kann.
• Der Erfindungsgegenstand wird durch die in Fig. 3 und Fig.4 mit Schnitt A - B beschriebenen und vereinfacht dargestellten Anordnungen verwirklicht, wobei in diesem Beispiel eine hydrauliche Übertragung der Griffkraft zum gesunden Körperteil, hier Oberarm, vorgesehen ist.
• Die Finger 7a und 7b dieser Kunsthand sind wie heute ge -bräw-hlich aus Leichtmetall oder Kunststoff gefertigt. Die Hand hat einen nach kosmetischen Gesichtspunkten gestalteten elastischen Überzug 13, der die gesamte Hand überspannt.
• Üblicherweise werden bei Kunsthänden der Zeigefinger und der Daumen bewegt, wobei je nach technischem Aufwand der Zeigefinger mit nur einem Drehgelenk starr ist oder aber mehrere Drehgelenke zur natürlicheren Nachbildung der Bewegung der Fingerglieder aufweist. Im dargestellten Beispiel ist einfacherweise ein starrer zeigefinger gewählt.
• An ausgezeichneten Stellen für die örtliche Griffkraft und Fingerstellung sind die Fingerteile und der Überzug 13 so ausgebildet, daß Hohlräume entstehen, die elastische und leicht deformierbare Zellen 14 aufnehmen, die bereits als künstliche Rezeptoren 9a, b, c, d bezeichnet sind. Die Metallteile der Finger sind so gestaltet, daß sie einen Teil der Zellen und die flexibilen Leitungen 10a, b, c, d zu dem jeweiligen Empfängerelement 12a, b, c, d aufnehmen, damit das kosmetische Bild gewahrt bleibt. In Fig. 3 und 4 ist zu Gunsten der Übersicht auf die Darstellung bekannter Füll-und Entlüftungsventile verzichtet, es versteht sich von selbst, daß die hydraulichen Systeme mit Flüssigkeit so gefüllt sind, daß bei unbeaufschlagten künstlichen Rezeptoren 9 die Empfängerelemente 12 keine Signalwirlcung erzeugen.
• Ergreift die Hand einen Gegenstand, dann deformieren sich die beanspruchten Zellen 14, es ergibt sich ein Druckanstieg in diesen, der sich über die nicht ausdehnungsfähigen Leitungen 10 den Empfängerelementen 12 von noch zu beschreibendem Aufbau mitteilt und diese Empfänger lösen durch ihre Verformung einen auf die Hautoberfläche wirkenden Druck, also einen Reiz, auf die natürlichen Druckrezeptoren der berührten Hautoberfliche aus.
• Die Einlage, tig der Zellen 14 in die bewegten Finger und Handfläche bringt den zusätzlichen Vorteil der gle chmäßigeren Verteilung der Flächenpressung beim Griff als sie bei festen Kunsthandgliedern gegeben ist.
• Die Anordnung der Empfänger 12 in der Manschette 11 erfolgt zweckmäßigerweise so, daß dem Träger das "Lernen" eines "Griffmusters" leicht möglich ist. Dieses ist bestimmt durch <lie an einer Körperstelle z.B. am Oberarm oder auch am Rücken angebrachte Anordnung der einzelnen Empfängerelemente, sei dies nun eine Anordnung in horizontaler oder vertikaler Reihe oder aber in spezieller zweidimensionaler Flächenverteilung. Es entsteht damit eine erlernbare Abbildung der Griffkraft sowie der Hand- und Fingerpositionen in Form eines Reizmusters auf der Hautoberfläche.
• Außerdem kann das Erkennen der Griffkraft und der Finger-und Fingergliedstellung unterstützt werden durch verschiedene geometrische Formen der Empfängerelemente, z.B. icreisförmig 12a, b, c oder als schlankes Rechteck 12 d über die ganze Manschettenbreite, wie es die Fig. 4 zeigt.
• Weiterhin ist vorgesehen, außer der Empfängeranordnung und -Form auch deren n'it der Haut in Kontakt stehende Oberfläche zu variieren. So kann z.B. der als Folge der Druckbeanspruchung des Rezeptors 9a des Daumens durch den zugeordneten Empfänger 12a ausgelöste Reiz dadurch verstärkt werden, daß seine Empfängeroberfläche als Kegel 15 ausgebildet ist, der somit örtlich eine höhere Flächenpressung und damit einen stärkeren Reiz hervorruft. Zu gleichem Zwecke können weiterhin die die Haut berührenden Oberflächen der Empfängerelemente mit erhabenen konzentrischen Ringen 16 oder Noppen 17 ausgestattet sein.
• Die Erfindung sieht vor, die beim Griff und bei der Bewegung der Finger auftretenden Druck- und Volumenänderungen der künstlichen Rezeptoren 9 in Wegänderungen der mit der Haut in Kontakt stehenden Teile der entsprechenden Empfängerelemente 12 umzusetzen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sind zwischen Manschette 11 und den die Griffkraft und/oder Fingerposition signalisierenden Platten 18 der Empfängerelemente elastische Glieder vorgesehen. Diese sind so gestaltet, daß im unbeaufschlagten Zustand das Geberelement in die Manschette eingebettet ist und ihre elastische Verformung möglichst rückwirkungsfrei den "Fühlwert" nicht beeinflußt. Es versteht sich von selbst, daß für die die Haut berührenden Teile hautverträgliche Werkstoffe einzusetzen sind und die Leitungen 10 zur Übertragung der Volumenänderung der Rezeptoren 9 nur geringst ausdehnungsfähig sein dürfen.
• Die Fig. 4 mit ihrem Schnitt A - B, zeigt erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele von Empfängerelementen, von denen 12a und b im beaufschlagten und 12c und d unbeaufschlagt dargestellt sind.
• Die Geberelemente 12 b und c bestehen aus der Platte 18 mit ihrer bereits beschriebenen verschiedenen OberflächenstruI-tur, die an ihrem Rande in den dünnwandigeren konzeiitrischen Faltenring 19 übergeiien, deren äußerster Rand 20 mit der Manschette dicht verbunden ist. Platte und Faltenring sind vorzugsweise aus gummielastischem Werkstoff, sodaß sich auch die Platte an die Gestalt des berührten Körperteiles anpaßt.
• Bei dem Empfängerelement 12a ist als elastisches Glied beispielsweise ein Faltenbalg 21 vorgesehen, der aus gummi -elastischem Werkstoff bestehend in einer Einschwlrung zur Verhinderung des Ausbeulens mit einem steifen Stützring 22 versehen ist.
• Als weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens ist das Empfängerelement 12d von Rechteckform aus gleichstarkem elastischen Werkstoff mit einigen, hier drei, Längsfalten 23 ausgeführt, das bei Beaufschlagung eine halbkreisähnliche Querschnittsform 24 annimmt. Eine Variation dieses Beispiels ist ausführbar durch Anordnung der Dehnungsfalten nach dem Beispiel 12a aber ohne Stützring, um die vom Träger fühlbare Änderung der Querschnittsform zu erhalten.
• Die Abbildung der Griffkraft und der Fingerpositionen als Druckmuster kann für jedes Zuordnungspaar von künstlichem Rezeptor und korrespondierendem Empfängerelement durch unterschiedliche und gegebenenfalls einstellbare Volumenverhältnisse von Rezeptor und Empfängerelement mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren und damit mit verschiedenen Empfindlichkeiten erfolgen. Es sind auf diese Weise auch hohe Empfindlichkeiten der Rückmeldeeinrichtung RME erzielbar.
• Bei Verwendung hydraulischer Hilfsenergie ist es außerdem möglich, diese Rückführung in bekannter Weise mit PD-Verhalten auszuführen und damit das PD- ähnliche Verhalten natürlicher Rezeptoren zu verstärken.
• Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausfiihrungsbeispiel beschränkt. Er ist auf alle Ersatzeinrichtungen für menschliche Extremitäten und auf technische Manipulatoren anwendbar, bei denen eine Rückmeldung in der beschriebenen Art erfolgen soll.
• 9 Patentansprüche 4 Figuren

Claims (9)

1. Patentanspriiche: 1. Taktile Rückmeldeeinrichtung für künstliche menschliche Gliedmaßen, insbesondere Kunsthände, deren Bewegungen durch Myo- und/oder Neurosignale gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß an speziellen für die Griffkraft charakteristischen Berührungsstellen an den bewegten Fingern und der Handfläche künstliche Rezeptoren (9a, b, c), und zur Signalisierung der 1 ingerposition zwischen den Fingern und ihren Gliedern ebenfalls ein oder mehrere Rezeptoren (9b, d) angeordnet sind, die mit auf der Hauteroberflache in spezieller Anordnung sich befindenden Empfängerelementen (12 a, b, c, dt) so verbunden sind, daß jeweils geschlossene Anordnungen aus Rezeptor (9) - Leitung (10) - Empfängerelement (12) gebildet sind, sodaß bei einer Beaufschlagung der künstlichen Rezeptoren die entsprechenden Empfängerelemente ein Reizmuster auf der Hautoberfläche erzeugen, das nach einem Lernvorgang die Erkennung der Hand-, Finger- und Fingergliedpositionen sowie der Griffkraft ermöglicht.
2. 2. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der von den Rezeptoren (9) erfaßten Griffkraft und Finger- sowie Fingergliedpositionen zu den Empfängerelementen (12) hydraulisch erfolgt.
3. 3. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Rezeptoren (9a, b, c, d,) als elastische mit Flüssigkeit gefüllte Zellen (14) ausgebildet und zum Teil in die künstlichen Fingerglieder eingebettet und von dem Überzug (13) iibersi>annt sind.
4. 4. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung der Griffkraft und der Fingerpositionen mehrere Rezeptoren (9a, b, c,d) in die Kunsthanti eingesetzt sind und die Abbildung der von diesen dargestellten örtlich veränderlichen Druckänderungen als Druck- beziehungsweise Nervenreizmuster durch die Empfängerelemente (12a, b, c,d) in spezieller ein- oder zweidimensionaler Anordnung auf der Hautoberfläche erfolgt.
5. 5. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerelemente (12a, b, c, d) verschiedene geometrische Formen aufweisen.
6. 6. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1, 4 und, 5,dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Haut des Trägers in Berührung stehende Oberfläche des Empfängerelementes (12 a) glatt und von der Form eines Kegels (15) ist, wobei durch die von der Kegelstumpfspitze zum Rande fallende Flächenpressung die Reize durch diesen Empfänger im Reizmuster hervorgehoben sind.
7. 7. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Hautoberfläche in Berührung stehende Empfängeroberfläche entweder eben und glatt ist oder abe: Erhebungen in F «m von z.B. konzentrischen Ringen (16) oder Noppen (17) aufweist, die Fnpfängeroberflächelx unter sich gleich oder auch verschiedener Struktur sind, zur spezifischen Ausprägung des von den künstlichen Empfängerelementen (12) gebildeten Druckmusters.
8. 8. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerelemente (g2 a, b, c) aus einer Platte (18) bestehen, die über den elastischen Faltenring (19) oder den durch einen Ring (22) gestützten Faltenbalg (21) mit der Manschette (11) verbunden sind, derart, daß die Platten nur Kräfte- senkrecht zur Hautoberfläche übertragen oder als Empfängerelement (12d) so ausgebildet sind, daß durch eine Faltenanordnung (23) bei der Beaufschlagung eine Querschnittsänderung und damit Oberflächenänderung (24) erzielt wird.
9. 9. Taktile Rückmeldeeinrichtung nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche und einstellbare Volumenverhältnisse der künstlichen Rezeptoren (9) und der Empfängerelemente (12) ebenfalls unterschiedliche Verstärkungsfaktoren und damit unterschiedliche Empfindlichkeiten erreicht werden.

   L e e r s e i t e