SI25803A - Naprava in metoda za pojemananje, ustavljanje in pospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je naprava in metoda za pojemanje, ustavljanje in pospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku. Metoda in naprava po izumu omogočata posamezniku, pri katerem je uspešno opravljena zgodnja faza rehabilitacije in je funkcija korakanja zopet vzpostavljena, nadaljevanje z urjenjem hoje s poudarkom na nekaterih drugih vidikih kot so gibanje noge v zamahu, simetrija hoje, koordinacija gibanja ter urjenje ravnotežja. Napravo za pojemanje, ustavljanje inpospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku po izumu predstavlja zavorni mehanizem (A), ki je s povezovalnim elementom - vrvico (1) na eni strani pritrjen na obravnavani telesni segment človeka ter ima na drugi strani utež (5) ali vzmet s konstantno silo, ki poskrbi za prednapetost povezovalnega elementa. Zavorni mehanizem (A), ki je po možnosti elektromagnetna zavora/sklopka ob vklopu bodisi upočasni bodisi popolnoma in skoraj hipno ustavi gibanje povezovalnegaelementa - vrvice (1). Zavorni mehanizem (A) ima merilni element (7) za merjenje gibanja (pozicije in hitrosti) povezovalnega elementa - vrvice (1), ki z algoritmom za identifikacijo posameznih podfaz cikla hoje upravlja z zavornim mehanizmom (A).

Description

NAPRAVA IN METODA ZA POJEMANJE, USTAVLJANJE IN POSPEŠEVANJE GIBANJA RAZLIČNIH SEGMENTOV ČLOVEŠKEGA

TELESA PRI HOJI PO TEKOČEM TRAKU

Predmet izuma je naprava in metoda za pojemanje, ustavljanje in pospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku. Metoda in naprava po izumu omogočata posamezniku, pri katerem je uspešno opravljena zgodnja faza rehabilitacije in je funkcija korakanja zopet vzpostavljena, nadaljevanje z urjenjem hoje s poudarkom na nekaterih drugih vidikih kot so gibanje noge v zamahu, simetrija hoje, koordinacija gibanja ter urjenje ravnotežja.

Tehnični problem, ki ga predlagana izvedbena naprava in metoda učinkovito rešujeta je omogočanje aplikacije sile ali impulza sile na posamezne telesne segmente (medenice, stegnenice, golenice in stopala) med hojo po tekočem traku v želenem delu cikla hoje z zanemarljivim mehanskim vplivom na hojo s strani naprave/mehanizma (majhna mehanska impedanca), ko sil ali impulzov sil ne izvajamo.

Rehabilitacijski roboti, namenjeni za hojo, imajo običajno omejeno število mehanskih prostostnih stopenj, s čimer je trening hoje omejen na vadbo korakanja. Taka vrsta treninga v zgodnji fazi rehabilitacije koristi ljudem z zmanjšano funkcionalnostjo hoje, ki je posledica nevrološke bolezni ali poškodbe (kot naprimer možganska kap zaradi cerebrovaskularnega obolenja). Takšni roboti (npr. LOKOMAT, G-EO, Lyra, Well-Walk 1000) so bodisi v obliki eksoskeletov bodisi v obliki mehanizmov, ki izvajajo interakcijo s stopali. Ti roboti so kompleksni in cenovno dragi mehanizmi, poleg tega pa je pri teh sistemih zmožnost haptične interakcije s spodnjimi okončinami precej omejena zaradi omejenega števila mehanskih stopenj prostosti ter znatne mehanske vztrajnosti.

Po uspešno opravljeni zgodnji fazi rehabilitacije, ko je funkcija korakanja pri posamezniku zopet vzpostavljena, je potrebno nadaljevati z urjenjem hoje s poudarkom na nekaterih drugih vidikih kot so gibanje noge v zamahu, simetrija hoje, koordinacija gibanja ter urjenje ravnotežja za kar prej omenjene naprave, zaradi naštetih pomanjkljivosti, niso primerne. Na primer, posledica cerebrovaskularnega obolenja se tipično kaže v oteženem gibanju noge v fazi zamaha, kjer bi bilo koristno, da bi kinematiko in kinetiko gibanja posameznih telesnih segmentov (medenice, stegnenice, golenice in stopala) ustrezno modificirali le v tistem delu, kjer je to potrebno, medtem ko bi človek hodil po tekočem traku. Takšno intervencijo v terapevtski praksi ročno opravlja več fizioterapevtov hkrati.

Predlagana rešitev opisanega problema se nanaša na napravo, to je zavorni mehanizem, ki omogoča aplikacijo sile ali impulza sile na posamezne telesne segmente (medenice, stegnenice, golenice in stopala) med hojo po tekočem traku v želenem delu cikla hoje z zanemarljivim mehanskim vplivom na hojo s strani naprave/mehanizma (majhna mehanska impedanca), ko sil ali impulzov sil ne izvajamo in ustrezno metodo. Glavna inovativna značilnost predlaganega mehanizma in metode je, da sile in impulzov sil ne izvajamo aktivno s strani npr. električnega aktuatorja, ampak omenjene sile generiramo z zaviranjem gibanja neelastičnih ali elastičnih vrvic, ki so povezane z določenim telesnim segmentom, s čimer dosežemo kratkotrajno mehansko zaustavitev ali upočasnitev gibanja. Glede na čas generiranja sil ali impulzov sil znotraj cikla hoje je možno doseči različne mehanske učinke. Na primer, pri delovanju na medenico v frontalni ravnini se lahko podaljša faza opore na paretični nogi in s tem spodbuja enakomerno obremenitev obeh nog ter simetrijo hoje. Poleg tega se s skoraj hipno zaustavitvijo gibanja medenice lahko ustvari motilni sunek, ki izzove reakcijo človeka tako, da človek ustrezno spremeni lokacijo naslednjega koraka. Drugi primer je uporaba kratkega impulza sile na stopalo v fazi zamaha noge, ki posnema spotaknitev človeka med hojo, kar od človeka zahteva, da ustrezno spremeni lokacijo naslednjega koraka, še en primer je usklajena uporaba sile na stegnenico in golenico, s katero ustrezno spremenimo trajektorijo gibanja noge v zamahu.

Inovativni vidik predlagane naprave in metode je zmožnost sledenja, merjenja, pomoči in motenja (perturbiranja) gibanja različnih telesnih segmentov med hojo po tekočem traku tako, da v načinu sledenja le minimalno ovira gibanje, hkrati pa tudi omogoča ustrezno spremembo vzorca gibanja teh segmentov, ter izvedbo motilnih sunkov kot so spotikanje in motilni sunki na medenico v frontalni ravnini, kadar so uporabljene neelastične vrvi.

Napravo za pojemanje, ustavljanje in pospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku po izumu predstavlja zavorni mehanizem, ki je s povezovalnim elementom na eni strani pritrjen na obravnavani telesni segment človeka ter ima na drugi strani utež ali vzmet s konstantno silo, ki poskrbi za prednapetost povezovalnega elementa. Zavorni mehanizem, ki je po možnosti elektromagnetna zavora/sklopka ob vklopu bodisi upočasni bodisi popolnoma in skoraj hipno ustavi gibanje povezovalnega elementa. Zavorni mehanizem ima merilni element za merjenje gibanja (pozicije in hitrosti) povezovalnega elementa, ki z algoritmom za identifikacijo posameznih podfaz cikla hoje upravlja z zavornim mehanizmom.

Izum bomo podrobneje obrazložili na osnovi izvedbenega primera in pripadajočih slik, od katerih kaže slika 1 shematski prikaz izvedbe naprave za učinovito aplikacijo metode po izumu;

slika 2 konstrucijska izvedba zavornega mehanizma naprave po izumu;

slika 3 prikaz metode po izumu, ki omogoča spotikanje pri hoji po tekočem traku;

slika 4 prikaz metode po izumu, ki omogoča izvedbo lateralnih motilnih sunkov na medenico pri hoji po tekočem traku;

slika 5 prikaz metode po izumu, ki omogoča izvedbo spreminjanja kinematike gibanja noge v fazi zamaha;

slika 6 prikazuje situacijo, kjer sta uporabljena dva dodatna zavorna mehanizma naprave na zadnji strani noge.

Napravo po izumu predstavlja zavorni mehanizem A, ki ima nameščen merilni element 7 z algoritmom za identifikacijo posameznih podfaz cikla hoje, ki se uporablja za upravljanje zavornega mehanizma A.

Na sliki 1 je prikazan shematski prikaz izvedbe naprave za učinovito aplikacijo metode po izumu in uporaba naprave po izumu. Človek, ki hodi po tekočem traku, ima na spodnjem koncu golenice pritrjen en konec vrvice 1. V zavornem mehanizmu A je vrvica 1 na drugem koncu pritrjena na škripec 3, ki je togo povezan s škripcem 4, na katerega je z vrvico 2 pritrjena utež 5 z maso, ki zagotovi ustrezno napetost vrvice 2 in posledično tudi vrvice 1. Vrtenje škripcev 3,4 in s tem tudi gibanje vrvic 1,2 se lahko ustavi ali pa upočasni z delovanjem zavornega mehanizma A. Informacijo o trenutni poziciji in hitrosti gibanja gležnja in s tem tudi informacijo o trenutni podfazi cikla hoje zagotavlja merilni element 7, ki spremlja vrtenje škripcev 3,4. Celotni sistem je preprost, lahek ter minimalno ovira gibanje noge, ko zavorni mehnaizem ni vklopljen.

Na sliki 2 je prikazana izvedba predlaganega zavornega mehanizma A. Zavorni mehanizem A je sestavljen iz dveh škripcev 3,4, ki imata lahko različna premera in sta med seboj togo povezana in trdno pritrjena na mehansko os 5, ki je uležajena na stacionarni platformi 6. Na eni strani mehanske osi 5 je ustrezno pritrjen merilni element 7, ki meri kot rotacije in kotno hitrost, na drugi strani mehanske osi 5 pa je pritrjeno torno kolo 8 na katerega deluje zavorna ploščica 9 s pomočjo elektromagneta 10, ki glede na vhodno električno napetost zagotavlja ustrezen zavorni moment na mehanski osi 5. Na prvem škripcu 3 je konec prve vrvice 1 fiksiran na škripec 3, vrvica 1 pa je z zadostnim številom zank ovita na škripec 3, da je zagotovljena zadostna skupna dolžina vrvice 1, medtem ko je drugi konec vrvice 1 pritrjen na manšeto, nameščeno na določen segment telesa človeka, ki hodi po tekočem traku. Na drugem škripcu 4 je konec druge vrvice 2 fiksiran na škripec 4, vrvica 2 pa je z zadostnim številom zank ovita na škripec 4, da se zagotovi zadostna skupna dolžina vrvice 2, medtem ko je na drugem koncu vrvice 2 pritrjena utež 11 s primerno maso ali vzmet s konstantno silo. Taka postavitev predstavlja nizko mehansko impedanco gibanju obravnavanega telesnega segmenta, ko je zavorni mehanizem A v sproščenem stanju. Sila, s katero utež 11 ali vzmet s konstantno silo obremenjuje ta telesni segment pri sproščenem zavornem mehanizmu A je v glavnem odvisna od mase uteži 11, ki pa je lahko zelo nizka (manj kot 5 N).

Povezovalna elementa, vrvici 1,2, sta lahko togi/neelastični ali raztegljivi/elastični vrvi, utež 11 je lahko utež z maso, ki zagotovi ustrezno napetost vrvic 1,2 ali pa je izvedena kot vzmet s konstantno silo, ki poskrbi za prednapetost vrvic 1,2, medtem, ko zavorno funkcijo v zavornem mehanizmu A lahko uspešno opravlja elektromagnetna zavora/sklopka ali kaj podobnega.

Na sliki 3 je prikazana predlagana metoda, ki omogoča spotikanje pri hoji po tekočem traku z napravo po izumu. Levi stolpec slike 3 prikazuje štiri podfaze cikla hoje, kjer je zavorni mehanizem A v sproščenem stanju, medtem ko drugi stolpec prikazuje situacijo, ko je zavorni mehanizem A za kratek čas aktiviran (tipično od 100 - 200 ms) v začetku faze zamaha. Pri aktiviranem zavornem mehanizmu se gibanje noge v zamahu skoraj hipoma ustavi na podoben način, kadar človek z nogo udari v robnik ali v drevesno korenino. Posledično se zaradi tega spremeni vzorec hoje, kar povzroči izgubo ravnotežja, na katero se je po sprostitvi zavornega mehanizma A potrebno ustrezno odzvati. Običajno to izzove nagib trupa naprej, izteg rok naprej ter podaljšanje koraka, kot je to prikazano na sliki 3. Hoja po tekočem traku je ciklična aktivnost, kar pomeni, da pozicija in hitrost gibanja gleženjskega sklepa, merjeni s pomočjo merilnega elementa 7, opisujeta fazni portret, s katerim lahko robustno določamo in identificiramo različne podfaze cikla hoje, kar ponuja možnost izvedbe spotikanja v različnih podfazah cikla hoje.

Na sliki 4 je prikazana predlagana metoda, ki omogoča izvedbo lateralnih motilnih sunkov na medenico pri hoji po tekočem traku z napravo po izumu. Levi stolpec slike 4 prikazuje pet podfaz cikla hoje, kjer je zavorni mehanizem A v sproščenem stanju, medtem ko drugi stolpec prikazuje situacijo, kjer je zavorni mehanizem A kratkočasno aktiviran (tipično od 100 - 200 ms) v srednjem delu faze opore. Pri aktiviranem zavornem mehanizmu A je gibanje medenice skoraj hipoma ustavljeno. Posledično se zaradi tega vzorec hoje spremeni, kar povzroči izgubo ravnotežja, na katerega se je po sprostitvi zavornega mehanizma A potrebno ustrezno odzvati. Tipični primer odziva človeka v tem primeru je sprememba lokacije naslednjega koraka, kot je prikazano na sliki 4. Hoja po tekočem traku je ciklična aktivnost, kar pomeni, da pozicija in hitrost gibanja medenice, merjeni s pomočjo merilnega elementa 7, opisujeta fazni portret, s katerim lahko robustno določamo in identificiramo različne podfaze cikla hoje, kar ponuja možnost izvedbe lateralnega motilnega sunka ob različnih podfazah cikla hoje.

Slika 5 prikazuje predlagano metodo in sistem, ki omogoča spreminjanje kinematike gibanja noge v fazi zamaha z napravo po izumu. Uporabljena sta dva zavorna mehanizma A, A' predstavljena na sliki 5a, kjer je prvi zavorni mehanizem A nameščen na stegnenico, drugi zavorni mehanizem A' pa na golenico, oba s sprednje strani. Cikel hoje se začne z dostopom desne noge, ko oba zavorna mehanizma A, A' omogočata prosto gibanje noge. V fazi obremenitve noge sta oba zavorna mehanizma A, A' aktivirana. V naslednjih podfazah opore desne noge se elastični del B povezovalnega elementa podaljšuje zaradi gibanja desne noge na motoriziranemu tekočemu traku. Ko desna noga preide v fazo zamaha se potencialna energija, ki je shranjena v elastičnem delu B vrvici 1, začne sproščati, kar modificira gibanje stegnenice in golenice. Pri drugi različici bi namesto namestitve enega povezovalnega elementa na golenico, povezovalni element namestili na čevelj, kar poleg pomoči pri gibanju v ekstenzijo kolenskega sklepa, dodatno pomaga pri dvigu stopala. Oba zavorna mehanizma A, A' lahko sprostimo bodisi ob koncu faze zamaha bodisi že nekoliko prej, s čimer imamo nadzor nad sproščanjem nakopičene potencialne energije iz dela B povezovalnega elementa v ustrezno modificirano gibanje noge v zamahu.

Slika 5 prikazuje metodo po izumu, ki omogoča izvedbo spreminjanja kinematike gibanja noge v fazi zamaha in čas vklopa/izklopa zavornega mehanizma A, ki je zgolj ilustrativen. Glede na informacije iz obeh merilnih elementov 7, ki beležita kinematiko noge v zamahu, se časovni interval vklopa/izklopa zavornega mehanizma A lahko v naslednjih korakih ustrezno spremeni, s čimer dosežemo želeno gibanje noge. Uporaba dveh ali več predlaganih zavornih mehanizmov A, A' na sprednji strani noge omogoča modifikacijo gibanja noge v smeri naprej.

Slika 6 prikazuje situacijo, kjer sta uporabljena dva dodatna zavorna mehanizma A, A' na zadnji strani noge, ki pomagata pri gibanju stegnenice ter golenice oziroma stopala v smeri nazaj. Na primer, pomembno je, da se dostop noge začne z dotikom pete in z iztegnjenim kolenskim sklepom. To je mogoče doseči z ustrezno časovno aktivnostjo obeh zavornih mehanizmov A, A', ki delujeta na zadnji strani med zaključno fazo zamaha. Tako lahko z združevanjem informacij iz vseh štirih merilnih elementov 7 določimo optimalen čas delovanja vseh štirih zavornih mehanizmov A, A', A, A’ s čimer dosežemo želeno gibanje noge v fazi zamaha ter želeno dolžino koraka.

Z uporabo elastičnih povezovalnih elementov v predlagani napravi po izumu ter ustreznim delovanjem (vklopom/izklopom) zavornega mehanizma A, oziroma zavornih mehanizmov A, A', A, A' lahko dosežemo spremenjeno kinematiko noge v zamahu, pri čemer izkoriščamo pogon tekočega traku kot vir energije, ki se v fazi opore noge shranjuje v delu B povezovalnega elementa ter se nato v fazi zamaha noge energija nadzorovano sprošča z ustrezno deaktivacijo zavornega mehanizma A.

Poleg tega lahko meritve gibanja različnih segmentov telesa uporabljamo za vizualno povratno informacijo v realnem času, ki jo posredujemo hodečemu uporabniku.

Claims (7)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Naprava za pojemanje, ustavljanje in pospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku, ki omogoča modificiranje kinematike različnih telesnih segmentov pri hoji po tekočem traku, označena s tem, da jo predstavlja zavorni mehanizem (A) povezan z neelastičnim ali elastičnim povezovalnim elementom z manšeto, nameščeno na določenem telesnem segmentu človeka, ki hodi po tekočem traku in ima zavorni mehanizem (A) nameščen merilni element (7) z algoritmom za identifikacijo posameznih podfaz cikla hoje, ki omogoča upravljanje zavornega mehanizma (A) in ob vklopu le-tega bodisi upočasni bodisi popolnoma in skoraj hipno ustavi gibanje povezovalnega elementa
2. 2. Naprava po zahtevku 1, označena s tem, da je zavorni mehanizem (A) sestavljen iz škripcev (3,4), ki imata lahko različna premera in sta trdno pritrjena na mehansko os (5), ki je uležajena na stacionarni platformi (6) in je na eni strani mehanske osi (5) ustrezno pritrjen merilni element (7), na drugi strani mehanske osi (5) pa je pritrjeno torno kolo (8) na katerega deluje zavorna ploščica (9) s pomočjo elektromagneta (10), pri čemer predstavlja neelastični ali elastični povezovalni element vrvica (1), ki je navita na prvi škripec (3) tako, da je konec prve vrvice (1) fiksiran na škripcu (3) in je vrvica (1) z zadostnim številom zank ovita na škripcu (3), medtem ko je drugi konec vrvice (1) pritrjen na manšeto, nameščeno na določen telesni segment človeka, ki hodi po tekočem traku in je na drugem škripcu (4) navita vrvica (2), pri čemer je konec druge vrvice (2) fiksiran na škripcu (4), vrvica (2) pa je z zadostnim številom zank ovita na škripcu (4), medtem ko je na drugem koncu vrvice (2) pritrjena utež (11).
3. 3. Metoda za pojemanje, ustavljanje in pospeševanje gibanja različnih segmentov človeškega telesa pri hoji po tekočem traku, ki omogoča modificiranje kinematike različnih telesnih segmentov pri hoji po tekočem traku, uporabljena na napravi po zahtevku 1 in 2, označena s tem, da vključuje uporabo sile zavornega mehanizma (A), ki se preko neelastičnega ali elastičnega povezovalnega elementa in lahke manšete prenaša na obravnavani telesni segment človeka, pri čemer povezovalni element sledi gibanju telesnega segmenta takrat, ko je zavorni mehanizem (A) v sproščenem stanju, ko pa je gibanje elastičnega povezovalnega elementa ovirano z uporabo zavorne sile, torej aktiviranega zavornega mehanizma (A), se zavorna sila prenese na obravnavani telesni segment.
4. 4. Metoda po zahtevku 3, označena s tem, da predlagana metoda, omogoča spotikanje pri hoji po tekočem traku tako, da se pri aktiviranem zavornem mehanizmu (A) gibanje noge v zamahu skoraj hipoma ustavi na podoben način, kadar človek z nogo udari v robnik ali v drevesno korenino in se posledično zaradi tega spremeni vzorec hoje, kar povzroči izgubo ravnotežja, na katero se je po sprostitvi zavornega mehanizma (A) potrebno ustrezno odzvati in običajno to izzove nagib trupa naprej, izteg rok naprej ter podaljšanje koraka.
5. 5. Metoda po zahtevku 3, označena s tem, da predlagana metoda omogoča izvedbo lateralnih motilnih sunkov na medenico pri hoji po tekočem traku z napravo po izumu, kjer je zavorni mehanizem (A) kratkočasno aktiviran v srednjem delu faze opore, pri čemer je pri aktiviranem zavornem mehanizmu (A) gibanje medenice skoraj hipoma ustavljeno in se posledično zaradi tega vzorec hoje spremeni, kar povzroči izgubo ravnotežja, na katerega se je po sprostitvi zavornega mehanizma (A) potrebno ustrezno odzvati.
6. 6. Metoda po zahtevku 3, označena s tem, da predlagana metoda omogoča spreminjanje kinematike gibanja noge v fazi zamaha pri čemer sta uporabljena dva zavorna mehanizma (A, A') pri čemer je prvi zavorni mehanizem (A) nameščen na stegnenico, drugi zavorni mehanizem (A') pa na golenico, oba s sprednje strani in se cikel hoje začne z dostopom desne noge, ko oba zavorna mehanizma (A, A') omogočata prosto gibanje noge, medtem ko sta v fazi obremenitve noge oba zavorna mehanizma (A, A') aktivirana in se v naslednjih podfazah opore desne noge elastični del (B) povezovalnega elementa podaljšuje zaradi gibanja desne noge na motoriziranemu tekočemu traku in ko desna noga preide v fazo zamaha se potencialna energija, ki je shranjena v elastičnem delu B povezovalnega elementa začne sproščati, kar modificira gibanje stegnenice in golenice, pri čemer lahko oba zavorna mehanizma A, A' sprostimo bodisi ob koncu faze zamaha bodisi že nekoliko prej, s čimer imamo nadzor nad sproščanjem nakopičene potencialne energije iz dela B povezovalnega elementa v ustrezno modificirano gibanje noge v zamahu.
7. 7. Metoda po zahtevku 3, označena s tem, da predlagana metoda omogoča situacijo, kjer sta uporabljena dva dodatna zavorna mehanizma (A, A') na zadnji strani noge, ki pomagata pri gibanju stegnenice ter golenice oziroma stopala v smeri nazaj, kar je mogoče doseči z ustrezno časovno aktivnostjo obeh zavornih mehanizmov (A, A'), ki delujeta na zadnji strani med zaključno fazo zamaha in lahko tako z združevanjem informacij iz vseh štirih merilnih elementov (7) določimo optimalen čas delovanja vseh štirih zavornih mehanizmov (A, A', A, A') s čimer dosežemo želeno gibanje noge v fazi zamaha ter želeno dolžino koraka.