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WO2012119176A2 - Verfahren zur digitalisierung einer therapiesollbewegung - Google Patents

Verfahren zur digitalisierung einer therapiesollbewegung Download PDF

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WO2012119176A2
WO2012119176A2 PCT/AT2012/050031 AT2012050031W WO2012119176A2 WO 2012119176 A2 WO2012119176 A2 WO 2012119176A2 AT 2012050031 W AT2012050031 W AT 2012050031W WO 2012119176 A2 WO2012119176 A2 WO 2012119176A2
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movement
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therapy
data
points
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Alexander Barth
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INTELLIGENT MOTION GmbH
Original Assignee
INTELLIGENT MOTION GmbH
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Publication date
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    • A63B2220/80—Special sensors, transducers or devices therefor
    • A63B2220/806—Video cameras

Definitions

  • the invention relates to a method for digitizing a Therapiesollhus for controlling a therapy robot, as indicated in claim 1.
  • the present invention has for its object to provide a method for digitizing a Therapiesollamba, which makes it possible to reproduce the desired, carried out by a human or animal therapy target movement as natural as possible and efficient in digital form, so that a therapy robot can be controlled so that it actively influences, moves or at least supports a patient in accordance with the digitized therapy target movement.
  • This object of the invention is achieved by a method for digitizing a Therapiesollzi according to the features in claim 1.
  • the therapy target movement which is performed by a human or an animal, is detected three-dimensionally electronically and then digitized in order to be able to carry out the control of a therapy robot which in particular actively influences a patient during a movement therapy, for example after a stroke. moved or at least supported.
  • the method according to the invention also ensures the correctness of the digitized therapy target movement, since the measured data obtained by the three-dimensional recording of the therapeutic movement is controlled and optionally completed and / or corrected, thereby ensuring the most lifelike imaging and imitation of the therapy target movement by a therapy robot.
  • a therapy with a robot can be performed directly in a clinic compared to a hippotherapy with a horse, which reduces the organizational effort for such a therapy massively, is independent of weather conditions and a precise and much more efficient planning of therapies is possible.
  • a therapy robot due to the high flexibility of a therapy robot, it is possible to standardize and individualize the movement therapy, so that depending on the individual requirements of a patient, which can also change and differentiate daily, the individual therapy units can be designed. If a therapy robot is used instead of an animal for movement therapy, a safety concept can be created for the automation technology of the robot, which takes into account possible errors and disruptions and provides for safe behavioral scenarios. Thus, the safety of patients and therapists can be significantly increased.
  • An advantage of the three-dimensional recording and digitization of a therapy target movement is an embodiment according to claim 2, since the periodic sequence of the measurement times makes measurement data particularly easy to interpret and therefore to be processed available. If, for example, the position information of a measuring point were only newly determined or stored when the measuring point has moved away from its previous position a certain minimum distance, then the individual measured values of a measuring point always also have to include the corresponding measuring time, so that the measured data can finally be processed , The embodiment described thus simplifies the interpretation and processing of the measurement data.
  • the measures according to claim 3 are also advantageous, since a continuous sequence of movements can thereby be stored, processed and imitated in an efficient manner by the detected movement sequence being repeated more or less often by the therapy robot depending on the desired duration of the continuous movement sequence.
  • a continuous sequence of movements can thereby be stored, processed and imitated in an efficient manner by the detected movement sequence being repeated more or less often by the therapy robot depending on the desired duration of the continuous movement sequence.
  • Such a visual detection system also has sufficient accuracy, since the use of two spaced and in particular temporally synchronized video cameras, a determination of the three-dimensional position and / or movement information of the measuring points by the known from metrology method of triangulation on efficient and sufficiently accurate manner can be performed.
  • the advantage here is an embodiment according to claim 6, since on the one hand, a sufficiently accurate detection of therapy target movement is ensured by visual means and on the other hand, the resulting image data remains within certain limits. In particular, a capture rate of around 200 images per second represents a good compromise between detection accuracy and amount of data.
  • the measures according to claim 7 are also advantageous since the use of at least one motion sensor also provides a very inexpensive and simple detection system compared to a visual detection system with one or more video cameras and optical markers.
  • kinematic variables such as acceleration
  • motion sensors have the advantage that their functionality does not depend on whether they are in the visible for a video camera area, as is the case for example with the use of optical markers.
  • the measures according to claim 8 are advantageous, since thereby a true-to-nature detection of the therapy target movement with the at least one motion sensor while at the same time limiting the accumulated amount of measured data is made possible.
  • hippotherapy with horses has been used for some time very successfully for the physiotherapy individual treatment for the rehabilitation of people, especially after a stroke becomes.
  • a hippotherapy takes place preferably with a horse, which moves in the gait step, since in this form of movement can fully develop the neurophysiological elements based on the related movement patterns of man and horse.
  • three-dimensional vibrations are transmitted to the patient over the horse's back.
  • the resulting impulses allow targeted training of postural, balance and supportive responses as well as regulation of muscle tone and increased mobility.
  • the therapy horse transmits to the trunk of the upright patient about 90 to 110 three-dimensional vibration impulses per minute, which are almost identical to the movement sequence of walking of an average adult.
  • the complete, three-dimensional reproduction of the movement pattern of a therapeutic horse with a therapy robot offers even more advantages.
  • the use of a therapy robot in a clinical environment can avoid various hygienic problems in hippotherapy with a horse in a riding hall.
  • Due to the high flexibility of the therapy robot it is furthermore possible to place a seat surface forming the effector of the therapy robot, which models the horse's back, for example, directly next to a wheelchair or walker, in order to facilitate easy and safe patient manipulation up to and at the end of the seat the therapy session from the seat down to realize.
  • the measures according to claim 10 since by attaching about 40 optical markers on one side of a horse body in the seat area of a rider due to the symmetry of the horse body a complete visual detection and determination of the position and / or state of motion of the horse back in this Range is reduced, while reducing the number of optical markers and their visibility is increased. Furthermore, the regular arrangement of the markers according to a rectangular grid makes it easier to calculate the trajectory of the horse's back from the measured data obtained via the markers.
  • the grid spacing of 5 cm to 15 cm, preferably around 10 cm, on the one hand enables, in most cases, a clear differentiation of the different markers in the visual detection and, on the other hand, in the case of such
  • the therapy target movement can be carried out as naturally as possible and in the smallest possible space.
  • the moving object remains substantially at the same location in space. This is especially noticeable in the case of the three-dimensional detection of the therapy target movement visual way by means of one or more video cameras advantage, since the measures described a stationary camera system is possible.
  • a stationary camera system is easier to handle and to operate.
  • the position and / or movement information of the measuring points can be determined from the obtained image material in a very simple manner, since the position of the cameras does not change.
  • Another advantage is the measures according to claim 14, since thereby the trajectory of the effector of the therapy robot from the respective best features of each detected therapy target movement is composable and thus a possible ideal motion pattern for the final therapy performed by the therapy target therapist movement is found.
  • TCP Tool Center Point
  • the measures according to claim 16 are advantageous because it provides a continuous mathematical description of the path of movement of the effector, whereby the therapy target movement can be mimicked very accurately with the therapy robot and the therapy target movement can be further adapted to the smallest detail.
  • FIG. 1 shows a data flow diagram for visualizing the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a horse whose back movements are digitized according to the method visualized in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a person whose hip movements are digitized according to the method visualized in FIG. 1;
  • 4a shows the geometric relationships for calculating the orientation angle "alpha" of a horse's back
  • 4b shows the geometric relationships for calculating the orientation angle "beta" of a horse's back
  • 4c shows the geometric relationships for calculating the orientation angle "gamma" of a horse's back
  • FIG. 5 shows a three-dimensional trajectory of a horse tail consisting of path data points with position and orientation information
  • FIG. 6 shows a therapy robot which executes the therapy target movement digitized according to the method visualized in FIG.
  • FIG. 1 shows in simplified form the data flows during the digitization of a therapy target movement 1 for controlling a therapy robot 2 in the form of a data flow diagram. The processes, functions, etc.
  • the desired therapeutic target movement 1 is performed by a human 3 or an animal 4, in particular on a stationary ground or ground. If the therapy target movement 1 is carried out by an animal 4, for example a horse 5 - FIG. 2 - or a dolphin, then a therapy robot 2, which executes the digitized therapeutic target movement 1, can appropriately support a patient impaired by a stroke, for example.
  • position information refers to the coordinates or the position of a measuring point 8 in space and to motion information, for example the current speed, acceleration or direction of movement of a measuring point 8.
  • the measurement data 10 obtained by determining the three-dimensional position and / or movement information of measuring points 8 of the moving object 9 at specific measuring times are checked in a next step. If necessary, incomplete and / or erroneous measurement data 11 for certain measurement points 8 are completed and / or corrected by interpolation of the measurement data 10 in order to obtain completed and / or corrected measurement data 12.
  • the completely correct and correct measurement data 13 or the completed and / or corrected measurement data 12 are further processed in a next method step in such a way that a uniform motion santeil in the measurement data 12; 13 is eliminated. This is done by determining the average velocity of the measurement points 8 along each of the three spatial coordinate axes 14, 15, 16 - Fig. 5 - and subtracting these mean velocities from the detected instantaneous speeds of the measurement points 8 in each coordinate axis 14, 15, 16. From this process Measured data 17 result without a uniform proportion of movement.
  • path data points 18 are calculated from the measured data 17 without a uniform proportion of movement.
  • Each of these track data points 18 comprises a three-dimensional position value and a three-dimensional orientation value, by means of which values the position, that is to say the position and the orientation of an effector 19 - FIG. 6 - of the therapy robot 2 in space is clearly defined.
  • the effector 19 describes a three-dimensional movement path 20 - FIG. 5 - corresponding to the digitized therapy target movement 1.
  • the three-dimensional positional and / or movement information of the measuring points 8 of the moving object 9, which executes the therapeutic target movement 1, is determined at specific, periodically successive measurement times. Furthermore, according to a particularly advantageous embodiment, the determination of the position and / or movement information of the measuring points 8 of the moving object 9 is performed precisely for such a movement ssequenz, which is repeated substantially several times in a continuous motion sequence. The in this case in the determination of the position and / or movement information of the measuring points 8 of The measured data 10 obtained from the moving object 9 are used to calculate the path data points 18 which exactly map this one motion sequence.
  • the path data points 18 are calculated from groups of measured data 17 during the digitization of the therapy target movement 1. These groups of measured data 17 can be obtained on the one hand by detecting a moving object 9 several times and on the other hand by detecting a plurality of moving objects 9. The groups of the measured data 17 will differ more or less strongly.
  • an average group of measurement data is calculated from the groups of measurement data 17 or the measurement data are selected from the groups of measurement data 17 and combined to form a selection group of measurement data representing an ideal therapy target movement 1.
  • the measured data of the mean value group and / or the selection group are then used to calculate the path data points 18.
  • the path data points 18, which comprise position and orientation values, are transformed into functionally describable, continuous trajectories before they are used to control the therapy robot 2.
  • the effector 19 By traversing the functionally described, continuous trajectories with the effector 19 of the therapy robot 2, the effector 19 passes through a three-dimensional trajectory 20 corresponding to the digitized therapy target movement 1.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment in which the therapy target movement 1 carried out by a horse 5 is visual two spaced and in particular synchronized video cameras 21, 22 is detected.
  • a plurality of reflective or luminous markers 23 on one side of the horse body 6 in the back region 7 in Substantially arranged according to a T-shape along a rectangular grid 24.
  • the rectangular grid 24 has a grid spacing of 5 cm to 15 cm, preferably of about 10 cm, and viewed from above, one of the two grid dimensions of the rectangular grid 24 is substantially parallel to the longitudinal axis 25 - FIG. 4 a - of the horse body 6 aligned.
  • the optical markers 23 represent the measuring points 8 of the optical detection system. Since two spaced-apart video cameras 21, 22 are used, the three-dimensional position and / or motion information of the markers 23 and the measuring points 8 can be determined by the metrological method of triangulation.
  • the recording of the therapy target movement 1 by means of the video cameras 21, 22 takes place at 170 to 230 images per second, preferably at around 200 images per second.
  • the horse 5 moves on a treadmill 26 "step", which is relatively frequently used in hippotherapy means moving in the gait "step”, essentially remaining in the same place in the room.
  • the therapy target movement 1 carried out by a human 3 on a stationary base is detected electronically by means of a plurality of motion sensors 27, which in particular determine the current instantaneous acceleration.
  • the motion sensors 27 are mounted in and around the hip portion 27 of the human 3.
  • the current data value of a motion sensor 27 is expediently queried or recorded 170 to 230 times per second, preferably approximately 200 times per second.
  • FIGS. 4 a to 4 c graphically illustrate the geometric relationships for calculating the orientation of an effector 19 of a therapy robot 2, wherein the effector 19 is intended to simulate the back movements of a horse 5.
  • rows of optical markers 23 are arranged in a rectangular grid 24 which has nine raster rows 29 and thirteen raster columns 30.
  • the grid rows 29 are starting from the top with “1” to “9” and the grid columns 30 are starting from the head of the horse 5, starting with “A” to "M”.
  • optical markers 23 are mounted, which serve to calculate the position and orientation of the effector 19 of the therapy robot 2.
  • the orientation angle "gamma" 34 by means of the measurement data 17 Y 2G , Z 2G , Y 4G and Z 4G according to the aforementioned formula to calculate.
  • the orientation angle "alpha” 32 thus describes the rotation of the effector 19 from a zero position about the coordinate axis Z 16.
  • the orientation angles "beta” 33 and “gamma” 34 describe the respective rotation about the coordinate axis Y 15 or about the coordinate axis X 14.
  • FIG. 5 shows a self-contained, three-dimensional movement path 20 which is described by a plurality of path data points 18.
  • Each of these track data points 18 comprises a three-dimensional position value and a three-dimensional orientation value for the effector 19 of the therapy robot 2.
  • the digitized therapy target movement 1 is executed. If this therapy target movement 1 represents the movement of a horse tail 7 - FIG. 2 -, then approximately 20 to 30 path data points 18 are preferably used to describe the three-dimensional movement path 20.
  • FIG. 6 shows a possible embodiment of a therapy robot 2.
  • a robot arm 40 On a base unit 38 with a connected control 39, a robot arm 40 is mounted on a bogie 47 and can be moved by means of a plurality of articulated joints 41 to 45.
  • This makes it possible to position the effector 19 of the therapy robot 2, which effector 19 replicates in its shape a part of the back region 7 - Fig. 2 - of a horse 5, in a certain radius anywhere in the room and orient.
  • a reference point 46 or Tool Center Point (TCP) of the therapy robot 2 is preferably positioned in the quietest point of the horse's back 7 and thus in the calmest point of the effector 19.
  • TCP Tool Center Point
  • the exemplary embodiments show possible embodiments of the method for digitizing a therapeutic target movement, wherein it should be noted that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiments thereof, but rather various combinations of the individual embodiments are possible with each other and this variation possibility due to Teaching for technical action by objective invention in the skill of those working in this technical field is the expert. So are all conceivable embodiments, which are possible by combinations of individual details of the illustrated and described embodiment variant, includes the scope of protection. Furthermore, individual features or combinations of features from the different exemplary embodiments shown and described can also represent independent, inventive or inventive solutions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Digitalisierung einer Therapiesollbewegung (1) zur Steuerung eines während der Bewegungsdurchführung ortsfesten Therapieroboters (2), wobei die von einem Menschen (3) oder einem Tier (4) ausgeführte Therapiesollbewegung (1) auf elektronischem Weg erfasst und die dreidimensionalen Lage- und/oder Bewegungsinformation von mindestens drei Messpunkten (8) des sich bewegenden Objekts (9) zu bestimmten Messzeitpunkten ermittelt wird. Nach dem Kontrollieren und gegebenenfalls Vervollständigen und/oder Korrigieren der Messdaten (10) durch Interpolation der Messdaten (10) wird ein gleichförmiger Bewegungsanteil in den Messdaten (12; 13) entlang jeder der drei räumlichen Koordinatenachsen eliminiert. Anschließend werden aus den so gewonnenen Messdaten (17) Bahndatenpunkte (18) berechnet, sodass durch sequentielles Anfahren dieser Bahndatenpunkte (18) mit einem Effektor des Therapieroboters (2) eine dreidimensionale Bewegungsbahn entsprechend der Therapiesollbewegung (1) beschrieben wird. Dadurch ist ein Digitalisierungsverfahren geschaffen, welches es ermöglicht, die gewünschte, von einem Menschen (3) oder einem Tier (4) ausgeführte Therapiesollbewegung (1) möglichst naturgetreu und effizient in digitaler Form abzubilden.

Description

Verfahren zur Digitalisierung einer Therapiesollbewegung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Digitalisierung einer Therapiesollbewegung zur Steuerung eines Therapieroboters, wie dies im Anspruch 1 angegeben ist.
Aus der DE 296 02 591 Ul ist eine Vorrichtung zum Trainieren der Rückenmuskulatur durch Übertragen von Schwingungsimpulsen auf einen auf der Vorrichtungen sitzenden Probanden bekannt. In dieser Schrift werden auch die Hippotherapie und ihre physiotherapeutisch rele- vanten Bewegungsmuster erwähnt. Die beschriebene Vorrichtung kann zwar entsprechend dieser Bewegungsmuster bewegt werden, es wird aber nicht gezeigt, wie der gesamte komplexe Bewegungsablauf einer Pferdebewegung auf die Steuerung der Antriebsmittel der Vorrichtung übertragen wird. Die EP 2 030 657 B 1 beschreibt den mechanischen Aufbau einer schaukelartigen Trainingsvorrichtung, mit welcher Bewegungen ähnlich der eines Reiters auf einem Pferd trainiert werden können. Die bewegbare Einheit der Trainingsvorrichtung, auf der ein Benutzer reitet, kann dabei nach vor, zurück, nach links und nach rechts bewegt werden. Ebenso kann die bewegbare Einheit um eine vertikale Achse gedreht werden. Aufgrund dieser eingeschränkten Bewegungsmöglichkeiten ist die Nachahmung einer natürlichen Pferdebewegung nur unzureichend möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Digitalisierung einer Therapiesollbewegung zu schaffen, welches es ermöglicht, die gewünschte, von einem Menschen oder einem Tier ausgeführte Therapiesollbewegung möglichst naturgetreu und effizient in digitaler Form abzubilden, sodass ein Therapieroboter derart gesteuert werden kann, dass er einen Patienten entsprechend der digitalisierten Therapiesollbewegung aktiv beein- flusst, bewegt oder zumindest unterstützt. Diese Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren zur Digitalisierung einer Therapiesollbewegung entsprechend den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird die Therapiesollbewegung, welche durch einen Menschen oder ein Tier ausgeführt wird, auf elektronischem Weg dreidimensionale erfasst und anschließend digitalisiert, um damit die Steuerung eines Therapieroboters durchführen zu können, welcher insbesondere einen Patienten bei einer Bewegungstherapie, etwa nach einem Schlaganfall, aktiv beeinflusst, bewegt oder zumindest unterstützt. Ebenso kann mit einem solcherart gesteuerten Roboter beispielsweise ein Sportler beim Training unterstützt werden, insbesondere wenn komplizierte oder gefährliche Bewegungsabläufe eingelernt oder verbessert werden sollen. Durch die dreidimensionale Erfassung einer natürlichen Bewegung kann diese sehr naturgetreu und daher in ihrer vollkommenen Komplexität in sämtlichen räumlichen Bewe- gungsdimensionen abgebildet und vom Therapieroboter nachgeahmt werden. Durch eine rein modellhafte, mathematische Beschreibung der Therapiesollbewegung ist es nicht möglich, einen solchen Grad an Natürlichkeit zu erreichen. Nur durch eine besonders naturgetreue Abbildung und Nachahmung einer Therapiesollbewegung, beispielsweise einer Pferdebewegung für die sogenannte Hippotherapie, ist es möglich, den Patienten eine besonders im Hinblick auf nervales Lernen und Wiedererlernen effektive Behandlung durch Bewegungstherapie zu bieten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auch die Korrektheit der digitalisierten Therapiesollbewegung sichergestellt, da die durch die dreidimensionale Erfassung der Therapie sollbewegung gewonnenen Messdaten kontrolliert und gegebenenfalls vervollständigt und/oder korrigiert werden, wodurch die möglichst naturgetreue Abbildung und Nachahmung der Therapiesollbewegung durch einen Therapieroboter sichergestellt wird.
Weiters wird es erst durch die angegebene Eliminierung eines gleichförmigen Bewegungsanteils in den Messdaten möglich, die Therapiesollbewegung mit einem während der Bewegungsdurchführung ortsfest positionierten Therapieroboter durchzuführen, wobei die Thera- piedurchführung mittels eines Roboters eine ganze Reihe an Vorteilen bringt. Zum einen kann eine Therapie mit einem Roboter etwa im Vergleich zu einer Hippotherapie mit einem Pferd direkt in einer Klink durchgeführt werden, wodurch der organisatorische Aufwand für eine solche Therapie massiv reduziert wird, die Unabhängigkeit von Witterungsbedingungen gegeben ist und eine möglichst exakte und wesentlich effizientere Planung von Therapien er- möglicht ist. Auf der anderen Seite ist aufgrund der hohen Flexibilität eines Therapieroboters die Möglichkeit geschaffen, neben einer Standardisierung auch eine Individualisierung der Bewegungstherapie vorzunehmen, sodass etwa abhängig von den individuellen Anforderungen eines Patienten, welche sich darüber hinaus täglich verändern und unterscheiden können, die einzelnen Therapieeinheiten gestaltet werden können. Wird ein Therapieroboter anstelle eines Tieres für die Bewegungstherapie eingesetzt, so kann für die Automatisierungstechnik des Roboters ein Sicherheitskonzept erstellt werden, welches mögliche Fehler und Störungen berücksichtigt und dafür sichere Verhaltensszenarien vorsieht. Damit kann die Sicherheit von Patienten und Therapeuten wesentlich erhöht werden.
Von Vorteil ist bei der dreidimensionalen Erfassung und Digitalisierung einer Therapiesollbewegung eine Ausgestaltung nach Anspruch 2, da durch die periodische Abfolge der Messzeitpunkte besonders einfach zu interpretierende und damit zu verarbeitende Messdaten vor- liegen. Würde etwa die Lageinformation eines Messpunktes nur dann neu bestimmt bzw. abgespeichert werden, wenn sich der Messpunkt einen bestimmten Mindestabstand von seiner vorhergehenden Position wegbewegt hat, so müssten die einzelnen Messwerte eines Messpunkts immer auch den entsprechenden Messzeitpunkt mit beinhalten, damit die Messdaten schlussendlich verarbeitbar sind. Durch die beschriebene Ausgestaltung wird also die Inter- pretation und Verarbeitung der Messdaten vereinfacht.
Von Vorteil sind auch die Maßnahmen gemäß Anspruch 3, da dadurch auf effiziente Art und Weise ein kontinuierlicher Bewegungsablauf abgespeichert, bearbeitet und nachgeahmt werden kann, indem die erfasste Bewegungssequenz je nach gewünschter Dauer des kontinuierli- chen Bewegungsablaufes mehr oder weniger oft vom Therapieroboter wiederholt wird. Durch die Betrachtung genau einer Bewegungssequenz ist es weiters auf einfache Art und Weise möglich, die erfassten Messdaten auszuwerten, insbesondere wenn Datensätze für mehrere Wiederholungen der Bewegungssequenz durch ein und dasselbe sich bewegende Objekt oder auch durch verschiedene sich bewegende Objekte vorliegen.
Von Vorteil sind auch die Maßnahmen nach Anspruch 4, da dadurch auf einfache Art und Weise eine möglichst genaue und effiziente, dreidimensionale Erfassung der Therapiesollbewegung ermöglicht ist. Insbesondere kann der Lage- und/oder Bewegungszustand von einem reflektierenden oder leuchtenden Marker mit einer Videokamera einfach erfasst und anhand des gewonnenen Bildmaterials sehr genau ausgewertet werden. Darüber hinaus bilden solche reflektierenden oder leuchtenden Marker eindeutige Messpunkte und es kann die Anzahl der Messpunkte relativ niedrig gehalten werden, wodurch die Menge der anfallenden Messdaten reduziert wird. Von besonderem Vorteil ist eine Ausgestaltung nach Anspruch 5, da dadurch ein sehr einfaches und billiges Erfassungssystem für die dreidimensionale Therapiesollbewegung geschaffen ist. Ein solches visuelles Erfassungssystem weist darüber hinaus eine ausreichende Genauigkeit auf, da durch den Einsatz von zwei beabstandeten und insbesondere zeitlich syn- chronisierten Videokameras eine Ermittlung der dreidimensionalen Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte durch die aus der Messtechnik bekannten Methode der Triangulation auf effiziente und hinreichend genaue Art und Weise durchgeführt werden kann. Von Vorteil ist dabei eine Ausgestaltung nach Anspruch 6, da dadurch einerseits eine hinreichend genaue Erfassung der Therapiesollbewegung auf visuellem Weg sichergestellt ist und andererseits die anfallende Bilddatenmenge in bestimmten Grenzen bleibt. Insbesondere eine Erfassungsrate von rund 200 Bildern pro Sekunde stellt einen guten Kompromiss zwischen Erfassungsgenauigkeit und anfallender Datenmenge dar.
Von Vorteil sind auch die Maßnahmen gemäß Anspruch 7, da durch den Einsatz von zumindest einem Bewegungssensor ein etwa auch gegenüber einem visuellen Erfassungssystem mit einer oder mehreren Videokameras und optischen Markern sehr billiges und einfaches Erfassungssystem geschaffen ist. Darüber hinaus lassen sich mit speziellen Bewegungssensoren kinematische Größen, wie beispielsweise die Beschleunigung, direkt erfassen und auswerten. Es ist also beispielsweise keine teilweise aufwändige und fehlerbehaftete Verarbeitung von Videobildmaterial nötig, um zu diesen kinematischen Größen zu gelangen. Weiters haben Bewegungssensoren den Vorteil, dass ihre Funktionalität nicht etwa davon abhängt, ob sie im für eine Videokamera sichtbaren Bereich liegen, wie dies beispielsweise beim Einsatz von optischen Markern der Fall ist.
Von Vorteil sind weiters die Maßnahmen nach Anspruch 8, da dadurch eine naturgetreue Erfassung der Therapiesollbewegung mit dem zumindest einen Bewegungssensor bei gleichzeitiger Begrenzung der anfallenden Messdatenmenge ermöglicht ist.
Von besonderem Vorteil sind die Maßnahmen gemäß Anspruch 9, da die Hippotherapie mit Pferden bereits seit einiger Zeit sehr erfolgreich für die physiotherapeutische Einzelbehandlung zur Rehabilitation von Menschen, insbesondere nach einem Schlaganfall, eingesetzt wird. Eine solche Hippotherapie findet dabei bevorzugt mit einem Pferd statt, welches sich in der Gangart Schritt fortbewegt, da sich in dieser Bewegungsform die neurophysiologisch wirksamen Elemente voll entfalten können, deren Basis die verwandten Bewegungsmuster von Mensch und Pferd sind. Bei einer Hippotherapie werden über den Pferderücken dreidi- mensionale Schwingungen auf den Patienten übertragen. Die dabei entstehenden Impulse ermöglichen ein gezieltes Training der Haltungs-, Gleichgewichts- und Stützreaktionen sowie eine Regulierung des Muskeltonus und eine Erhöhung der Beweglichkeit. Das Therapiepferd überträgt auf den Rumpf des aufrecht sitzenden Patienten etwa 90 bis 110 dreidimensionale Schwingungsimpulse pro Minute, die fast ident mit dem Bewegungsablauf des Gehens eines durchschnittlichen Erwachsenen sind.
Neben diesen grundsätzlichen positiven Effekten bzw. Vorteilen einer Hippotherapie bietet die vollständige, dreidimensionale Nachempfindung des Bewegungsmusters eines Therapiepferdes mit einem Therapieroboter noch weitere Vorteile. Insbesondere können durch den Einsatz eines Therapieroboters im klinischen Umfeld diverse hygienische Probleme bei der Hippotherapie mit einem Pferd in einer Reithalle vermieden werden. Durch die hohe Flexibilität des Therapieroboters besteht weiters die Möglichkeit, eine den Effektor des Therapieroboters bildende Sitzfläche, welche den Pferderücken modelliert, beispielsweise direkt neben einem Rollstuhl oder einer Gehhilfe zu platzieren, um eine einfache und sichere Patientenma- nipulation auf die Sitzfläche hinauf und am Ende der Therapie sitzung von der Sitzfläche herunter zu realisieren. Da die Therapie am Roboter in einer wesentlich geringeren Höhe als am Pferd selbst stattfinden kann, befindet sich der Therapeut damit näher am Patienten, und er kann besser agieren und reagieren. Ein weiterer Vorteil der robotergestützten Hippotherapie ist, dass der Personalaufwand pro Therapieeinheit wesentlich reduziert wird. Im speziellen Fall der Hippotherapie ist davon auszugehen, dass anstelle von zwei bis drei Personen maximal ein Therapeut pro Patient und Therapiesitzung nötig ist. Es ist sogar in bestimmten Fällen möglich, dass ein Therapeut mehrere Hippotherapie-Patienten gleichzeitig betreut. Die Digitalisierung der Bewegungen eines Pferderückens im Bereich der Sitzposition eines Reiters bei den Gangarten Trab und Galopp ist insbesondere interessant für Trainingsroboter, welche insbesondere Reitanfänger auf einfache, effiziente und tierschonende Art und Weise beim Grundlagentraining unterstützen können. Von Vorteil sind dabei die Maßnahmen nach Anspruch 10, da durch das Anbringen von rund 40 optischen Marker auf einer Seite eines Pferdekörpers im Sitzbereich eines Reiters aufgrund der Symmetrie des Pferdekörpers eine vollständige visuelle Erfassung und Ermittlung des Lage- und/oder Bewegungszustandes des Pferderückens in diesem Bereich ermöglicht ist, wobei gleichzeitig die Anzahl der optischen Marker reduziert und deren Sichtbarkeit erhöht ist. Weiters ermöglicht die regelmäßige Anordnung der Marker entsprechend einem rechtwinkeligen Raster eine einfachere Berechnung der Bewegungsbahn des Pferderückens aus den über die Marker gewonnenen Messdaten. Der Rasterabstand von 5 cm bis 15 cm, bevorzugt rund 10 cm ermöglicht einerseits eine in den meisten Fällen eindeutige Unterscheidung der verschiedenen Marker bei der visuellen Erfassung und andererseits sind bei einem solchen
Rasterabstand ausreichend viele Marker im Sitzbereich des Pferderückens positioniert, um die Bewegungen dieses Bereiches hinlänglich naturgetreu erfassen und mit einem Therapieroboter nachbilden zu können. Bei den Maßnahmen gemäß Anspruch 11 ist von Vorteil, dass dadurch bei einer Minimierung der Anzahl der benötigten optischen Marker eine Maximierung der dreidimensionalen Erfassungsgenauigkeit und Ermittelbarkeit der Lage- und/oder Bewegungsinformation der Marker gegeben ist und dass entsprechen der angegebenen Formeln ein Berechnen sowohl der Positi- ons- als auch der Orientierung s werte der Bahndatenpunkte, welche die Bewegungsbahn des Therapieroboters beschreiben, auf einfache und effiziente Art und Weise ermöglicht ist.
Von Vorteil sind weiters die Maßnahmen nach Anspruch 12, da dadurch eine ausreichend naturgetreue und darüber hinaus flüssige Wiedergabe der Bewegungen des Pferderückens gegeben ist. Zugleich ist durch die angegebenen Maßnahmen ein minimaler Speicher-, Verar- beitungs- und Steueraufwand durch die relativ geringe Anzahl an Bahndatenpunkten mit den Positions- und Orientierungsinformationen des Effektors des Therapieroboters gegeben, wodurch eine sehr effiziente Digitalisierung der Therapiesollbewegung ermöglicht ist.
Durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 13 kann die Therapiesollbewegung möglichst natür- lieh und auf kleinstem Raum ausgeführt werden. Trotz eines Bewegungsablaufes, welcher eine Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung des sich bewegenden Menschen oder Tieres bewirken würde, bleibt das sich bewegende Objekt im Wesentlichen an derselben Stelle im Raum. Dies ist insbesondere bei der dreidimensionalen Erfassung der Therapiesollbewegung auf visuellem Weg mittels einer oder mehrerer Videokameras von Vorteil, da durch die beschriebenen Maßnahmen ein stationäres Kamerasystem ermöglicht ist. Ein stationäres Kamerasystem ist einfacher in der Handhabung und Bedienung. Weiters können die Lage- und/oder Bewegungsinformationen der Messpunkte aus dem gewonnenen Bildmaterial auf sehr einfache Art und Weise ermittelt werden, da sich die Position der Kameras nicht verändert.
Von Vorteil sind weiters die Maßnahmen gemäß Anspruch 14, da dadurch die Bewegungsbahn des Effektors des Therapieroboters aus den jeweils besten Merkmalen jeder einzelnen erfassten Therapiesollbewegung zusammensetzbar ist und somit ein möglichst ideales Bewe- gungsmuster für die schlussendlich vom Therapieroboter ausgeführte Therapiesollbewegung gefunden wird.
Von Vorteil sind auch die Maßnahmen gemäß Anspruch 15, da dadurch eine sehr effiziente mathematische Beschreibung der dreidimensionalen Bewegungsbahn des Effektors des The- rapieroboters mittels Koordinaten ermöglicht ist. Zur eindeutigen Festlegung der Lage des
Effektors genügt es, die Position und die Orientierung des Tool Center Points (TCP) im Raum festzulegen.
Schließlich sind die Maßnahmen gemäß Anspruch 16 von Vorteil, da dadurch eine kontinu- ierliche mathematische Beschreibung der Bewegungsbahn des Effektors gegeben ist, wodurch die Therapiesollbewegung sehr genau mit dem Therapieroboter nachgeahmt werden kann und die Therapiesollbewegung darüber hinaus bis ins kleinste Detail adaptiert werden kann.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein Datenflussdiagramm zur Visualisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Pferd, dessen Rückenbewegungen gemäß dem in Fig. 1 visualisierten Verfahren digitalisiert werden; Fig. 3 ein Mensch, dessen Hüftbewegungen gemäß dem in Fig. 1 visualisierten Verfahren digitalisiert werden;
Fig. 4a die geometrischen Zusammenhänge zur Berechnung des Orientierungswinkels „alpha" eines Pferderückens;
Fig. 4b die geometrischen Zusammenhänge zur Berechnung des Orientierungswinkels „beta" eines Pferderückens;
Fig. 4c die geometrischen Zusammenhänge zur Berechnung des Orientierungswinkels „gamma" eines Pferderückens;
Fig. 5 eine dreidimensionale Bewegungsbahn eines Pferderückens bestehend aus Bahndatenpunkten mit Positions- und Orientierungsinformationen;
Fig. 6 einen Therapieroboter, welcher die gemäß dem in Fig. 1 visualisierten Verfahren digitalisierte Therapiesollbewegung ausführt.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mitumfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10. In Fig. 1 sind die Datenflüsse bei der Digitalisierung einer Therapiesollbewegung 1 zur Steuerung eines Therapieroboters 2 in Form eines Datenflussdiagramms vereinfacht dargestellt. Die in den einzelnen Funktionsblöcken angegebenen Abläufe, Funktionen usw. dienen zur Auslegung/Programmierung für den Fachmann, wobei die Programmierung entsprechend des ein- gesetzten Digitalisierungssystems unterschiedlich erfolgt und somit nicht im Detail beschrieben wird. Der Fachmann ist in der Lage, aus den vorgegebenen Funktionsblöcken einzelne zusammenhängende Programmabläufe zu erstellen, sodass das Digitalisierungs System entsprechende Abläufe/ Aufgaben durchführt. Entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird zu Beginn eines Digitalisierungs- prozesses die gewünschte Therapiesollbewegung 1 durch einen Menschen 3 oder ein Tier 4, insbesondere auf einem ortsfesten Untergrund bzw. Boden, ausgeführt. Wird die Therapiesollbewegung 1 von einem Tier 4, beispielsweise einem Pferd 5 - Fig. 2 - oder einem Delfin ausgeführt, so kann mit einem Therapieroboter 2, der die digitalisierte Therapiesollbewegung 1 ausführt, ein beispielsweise durch einen Schlaganfall beeinträchtigter Patient entsprechend physiotherapeutisch unterstützt werden. Ebenso ist es möglich, die Bewegung eines gesunden Menschen 3 als Therapiesollbewegung 1 zu erfassen und zu digitalisieren. Nach einem Unfall oder einer Krankheit des Menschen 3 ist es dann möglich, eine Physiotherapie auf Basis der zuvor aufgezeichneten Therapiesollbewegung 1 durchzuführen, sodass die ursprüngliche Be- wegungsfähigkeit des Menschen 3 möglichst vollständig wiederhergestellt wird.
Während dem Ausführen der Therapiesollbewegung 1 wird diese auf elektronischem Weg erfasst und ausgewählte Messpunkte 8 des sich bewegenden Objekts 9, welches die Therapiesollbewegung 1 ausführt, werden weiterverarbeitet. Dies geschieht durch Ermitteln der drei- dimensionalen Lage- und/oder Bewegungsinformation von mindestens drei Messpunkten 8 zu bestimmten Messzeitpunkten. Die dreidimensionale Lage- und/oder Bewegungsinformation wird dabei von mindestens drei Messpunkten 8 ermittelt, da sich nur so die Position und die Orientierung des sich bewegenden Objekts 9 im Raum eindeutig bzw. vollständig bestimmen lässt. In diesem Zusammenhang werden unter Lageinformation die Koordinaten bzw. die Po- sition eines Messpunktes 8 im Raum und unter Bewegungsinformation beispielsweise die aktuelle Geschwindigkeit, Beschleunigung oder Bewegungsrichtung eines Messpunktes 8 verstanden. Die durch die Ermittlung der dreidimensionalen Lage- und/oder Bewegungsinformation von Messpunkten 8 des sich bewegenden Objekts 9 erhaltenen Messdaten 10 zu bestimmten Messzeitpunkten werden in einem nächsten Schritt kontrolliert. Bei Bedarf werden unvollständige und/oder fehlerhafte Messdaten 11 für bestimmte Messpunkte 8 durch Interpolation der Messdaten 10 vervollständigt und/oder korrigiert, um vervollständigte und/oder korrigierte Messdaten 12 zu erhalten.
Die von vornherein vollständigen und korrekten Messdaten 13 oder die vervollständigten und/oder korrigierten Messdaten 12 werden in einem nächsten Verfahrens schritt derart wei- terverarbeitet, dass ein gleichförmiger Bewegung santeil in den Messdaten 12; 13 eliminiert wird. Dies geschieht durch Ermitteln der mittleren Geschwindigkeit der Messpunkte 8 entlang jeder der drei räumlichen Koordinatenachsen 14, 15, 16 - Fig. 5 - und Subtrahieren dieser mittleren Geschwindigkeiten von den ermittelten Momentangeschwindigkeiten der Messpunkte 8 in jeder Koordinatenachse 14, 15, 16. Aus diesem Vorgang gehen Messdaten 17 ohne gleichförmigem Bewegungsanteil hervor.
In einem letzten Schritt des Digitalisierungsverfahrens werden aus den Messdaten 17 ohne gleichförmigem Bewegungsanteil Bahndatenpunkte 18 berechnet. Jeder dieser Bahndatenpunkte 18 umfasst einen dreidimensionalen Positionswert und einen dreidimensionalen Orien- tierungswert, durch welche Werte die Lage, das heißt die Position und die Orientierung eines Effektors 19 - Fig. 6 - des Therapieroboters 2 im Raum eindeutig festgelegt ist. Durch sequentielles An- bzw. Abfahren der Bahndatenpunkte 18 mit dem Effektor 19 des Therapieroboters 2 beschreibt der Effektor 19 eine dreidimensionale Bewegungsbahn 20 - Fig. 5 - entsprechend der digitalisierten Therapiesollbewegung 1.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform wird die dreidimensionale Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte 8 des sich bewegenden Objekts 9, welches die Therapiesollbewegung 1 ausführt, zu bestimmten, periodisch aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten ermittelt. Weiters wird entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Ermittlung der Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte 8 des sich bewegenden Objekts 9 genau für eine solche Bewegung ssequenz durchgeführt, welche in einem kontinuierlichen Bewegungsablauf im Wesentlichen mehrmals wiederholt wird. Die in diesem Fall bei der Ermittlung der Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte 8 des sich bewegenden Objekts 9 erhaltenen Messdaten 10 werden zur Berechnung der Bahndatenpunkte 18 verwendet, welche genau diese eine Bewegungssequenz abbilden. Werden diese Bahndatenpunkte 18 mit dem Effektor 19 eines Therapieroboters 2 sequentiell abgefahren, so ergibt sich eine geschlossene dreidimensionale Bewegungsbahn 20, wie dies in Fig. 5 ersicht- lieh ist. Durch mehrmaliges Ab- bzw. Durchfahren der Bewegungssequenz kann die Bewegungsdauer beliebig verlängert werden.
Entsprechend einer nicht gezeigten, vorteilhaften Ausführungsform werden bei der Digitalisierung der Therapiesollbewegung 1 die Bahndatenpunkte 18 aus Gruppen von Messdaten 17 berechnet. Diese Gruppen von Messdaten 17 können einerseits durch mehrmaliges Erfassen eines sich bewegenden Objekts 9 und andererseits durch Erfassen mehrerer sich bewegender Objekte 9 gewonnen werden. Die Gruppen der Messdaten 17 werden sich dabei mehr oder weniger stark unterscheiden. In einem nächsten Schritt wird aus den Gruppen von Messdaten 17 eine Mittelwertgruppe von Messdaten berechnet oder es werden aus den Gruppen von Messdaten 17 jeweils die Messdaten ausgewählt und zu einer Auswahlgruppe von Messdaten zusammengefügt, welche eine idealtypische Therapiesollbewegung 1 repräsentieren. Zur Berechnung der Bahndatenpunkte 18 werden dann die Messdaten der Mittelwertgruppe und/oder der Auswahlgruppe herangezogen. Bei einer Berechnung der Bahndatenpunkte 18 aus Gruppen von Messdaten 17 ist es besonders zweckmäßig, jeweils genau die gleiche Bewegungsse- quenz aus einer Gruppe von Messdaten 17 zu extrahieren, da eine solche Vorgangsweise die Bildung der Mittelwertgruppe und/oder der Auswahlgruppe erleichtert.
Entsprechend einer nicht gezeigten, weiteren Ausführungsform werden die Bahndatenpunkte 18, welche Positions- und Orientierungswerte umfassen, in funktional beschreibbare, kontinu- ierliche Trajektorien transformiert, bevor sie zur Steuerung des Therapieroboters 2 verwendet werden. Durch Abfahren der funktional beschriebenen, kontinuierlichen Trajektorien mit dem Effektor 19 des Therapieroboters 2 durchfährt der Effektor 19 eine dreidimensionale Bewegungsbahn 20 entsprechend der digitalisierten Therapiesollbewegung 1. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die von einem Pferd 5 ausgeführte Therapiesollbewegung 1 auf visuellem Weg mit zwei beabstandeten und insbesondere synchronisierten Videokameras 21, 22 erfasst wird. In dem gezeigten Beispiel sind mehrere reflektierende oder leuchtende Marker 23 auf einer Seite des Pferdekörpers 6 in dessen Rückenbereich 7 im Wesentlichen entsprechend einer T-Form entlang eines rechtwinkeligen Rasters 24 angeordnet. Der rechtwinkelige Raster 24 weist dabei einen Rasterabstand von 5 cm bis 15 cm, bevorzugt von rund 10 cm auf und von oben gesehen ist eine der beiden Rasterdimensionen des rechtwinkeligen Rasters 24 im Wesentlichen parallel zur Längsachse 25 - Fig. 4a - des Pfer- dekörpers 6 ausgerichtet.
Die optischen Marker 23 stellen dabei die Messpunkte 8 des optischen Erfassungssystems dar. Da zwei beabstandete Videokameras 21, 22 eingesetzt werden, kann die dreidimensionale Lage- und/oder Bewegungsinformation der Marker 23 bzw. der Messpunkte 8 durch die messtechnische Methode der Triangulation ermittelt werden. Die Erfassung der Therapiesollbewegung 1 mittels der Videokameras 21, 22 erfolgt dabei mit 170 bis 230 Bildern pro Sekunde, bevorzugt mit rund 200 Bildern pro Sekunde. Beim Erfassen der Therapiesollbewegung 1 bewegt sich das Pferd 5 auf einem Laufband 26 in der Gangart„Schritt", welche bei einer Hippotherapie relativ häufig eingesetzt wird. Das Laufband 26 wird derart gesteuert, dass das Pferd 5 auch bei der Ausführung der Therapiesollbewegung 1, das heißt bei der Bewegung in der Gangart„Schritt", im Wesentlichen an derselben Stelle im Raum bleibt.
Fig. 3 zeigt ein weiters zweckmäßiges Ausführungsbeispiel, bei dem die von einem Menschen 3 auf einem ortsfesten Untergrund ausgeführte Therapiesollbewegung 1 auf elektronischem Weg mittels mehrerer Bewegungssensoren 27, welche insbesondere die jeweils aktuelle Momentanbeschleunigung ermitteln, erfasst wird. Die Bewegungssensoren 27 sind dabei im und um den Hüftbereich 27 des Menschen 3 angebracht. Zweckmäßigerweise wird bei der Ausführung der Therapiesollbewegung 1 der aktuelle Datenwert jeweils eines Bewegungssensors 27 170 bis 230 Mal pro Sekunde, bevorzugt rund 200 Mal pro Sekunde abgefragt bzw. aufge- zeichnet.
In den Fig. 4a bis 4c werden die geometrischen Zusammenhänge zur Berechnung der Orientierung eines Effektors 19 eines Therapieroboters 2 im Raum graphisch veranschaulicht, wobei der Effektor 19 die Rückenbewegungen eines Pferdes 5 nachbilden soll. Wie in Fig. 2 ersichtlich, sind dazu Reihen von optischen Markern 23 in einem rechtwinkeligen Raster 24, welcher neun Rasterreihen 29 und dreizehn Rasterspalten 30 aufweist, angeordnet. Die Rasterreihen 29 sind dabei von oben beginnend mit„1" bis„9" und die Rasterspalten 30 sind vom Kopfbereich des Pferdes 5 ausgehend mit„A" bis„M" bezeichnet. Entlang der Raster- reihen„1" und„2" und entlang der Rasterspalten„E" und„G" sind 40 optische Marker 23 angebracht, welche zum Berechnen der Position und der Orientierung des Effektors 19 des Therapieroboters 2 dienen. In den folgenden Beschreibungen der Berechnungsvorschriften zur Festlegung der Orientierung des Effektors 19 entspricht die Koordinatenachse X 14 der Längsachse 25 des Pferdekörpers 6, die Koordinatenachse Y 15 der horizontalen Querachse des Pferdekörpers 6 und die Koordinatenachse Z 16 der vertikalen Querachse 31 des Pferdekörpers 6. Das Symbol XIG bezeichnet beispielsweise den X-Koordinatenwert des Markers 35 in Reihe„1", Spalte„G". Entsprechend der in Fig. 4a dargestellten geometrischen Zusammenhänge wird ein Orientierungswinkel„alpha" 32 des Effektors 19 insbesondere mittels einer Seitendifferenz der Messdaten 17 Xm, Ym, XIG und YiG der Marker 35, 36 in Reihe„1", Spalte„G" und Reihe„1", Spalte„E" wie folgt berechnet, wobei der Marker 35 in Reihe„1", Spalte„G" als Drehpunkt angenommen wird: alpha = arctan((Y1E - YIG) / (Xm - XIG)).
Alternativ dazu, beispielsweise wenn die Messdaten 17 für die zuvor genannten Marker 23 zu ungenau sind, ist es auch zweckmäßig, den Orientierungswinkel„alpha" 32 mittels der Mess- daten 17 X2E, Y2E, X2G und Y2G entsprechend der zuvor genannten Formel zu berechnen.
Ebenso wird, wie in Fig. 4b dargestellt, ein Orientierungswinkel„beta" 33 des Effektors 19 insbesondere mittels einer Höhendifferenz der Messdaten 17 Xm, Zm, XIG und ZIG der Marker 35, 36 in Reihe„1", Spalte„G" und Reihe„1", Spalte„E" wie folgt berechnet, wobei der Marker 35 in Reihe„1", Spalte„G" als Drehpunkt angenommen wird: beta = arctan((Zm - Z1G) / (Xm - XIG)).
Alternativ dazu, beispielsweise wenn die Messdaten 17 für die zuvor genannten Marker 23 zu ungenau sind, ist es auch zweckmäßig, den Orientierungswinkel„beta" 33 mittels der Messdaten 17 X2E, Z2E, X2G und Z2G entsprechend der zuvor genannten Formel zu berechnen. Weiters wird, wie in Fig. 4c dargestellt, ein Orientierungswinkel„gamma" 34 des Effektors 19 insbesondere mittels einer Höhendifferenz der Messdaten 17 YIG, ZIG, Y2G und Z2G der Marker 35, 37 in Reihe„1", Spalte„G" und Reihe„2", Spalte„G" wie folgt berechnet, wobei der Marker 35 in Reihe„1", Spalte„G" als Drehpunkt angenommen wird: gamma = arctan((Y2G - YIG) / (Z2G - Z1G)).
Alternativ dazu, beispielsweise wenn die Messdaten 17 für die zuvor genannten Marker 23 zu ungenau sind, ist es auch zweckmäßig, den Orientierungswinkel„gamma" 34 mittels der Messdaten 17 Y2G, Z2G, Y4G und Z4G entsprechend der zuvor genannten Formel zu berechnen.
Der Orientierungswinkel„alpha" 32 beschreibt somit die Verdrehung des Effektors 19 von einer Nulllage aus um die Koordinatenachse Z 16. Sinngemäß beschreiben die Orientierungswinkel„beta" 33 und„gamma" 34 die jeweilige Verdrehung um die Koordinatenachse Y 15 bzw. um die Koordinatenachse X 14. Alternativ zu den in den Fig. 4a - 4c gezeigten Bezugslinien der Orientierungswinkel„alpha" 32,„beta" 33 und„gamma" 34 kann es auch zweckmäßig sein, den jeweiligen Orientierungswinkel von einem entsprechenden mittleren Orientierung swinkel für eine bestimmte Therapiesollbewegung 1 aus anzugeben. Mit anderen Worten wird dann eine bestimmte Orientierung des Effektors 19 über alternative Orientie- rungswinkel„alphaai ",„betaai " und„gammaait" angegeben, welche auf den jeweils entsprechenden mittleren Orientierungswinkel
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und„gammamitte bezogen sind.
In Fig. 5 ist eine in sich geschlossene, dreidimensionale Bewegungsbahn 20 gezeigt, welche durch mehrere Bahndatenpunkte 18 beschrieben ist. Jeder dieser Bahndatenpunkte 18 umfasst einen dreidimensionalen Positionswert und einen dreidimensionalen Orientierungswert für den Effektor 19 des Therapieroboters 2. Durch sequentielles Anfahren der Bahndatenpunkte 18 mit dem Effektor 19 wird die digitalisierte Therapiesollbewegung 1 ausgeführt. Stellt diese Therapiesollbewegung 1 die Bewegung eines Pferderückens 7 - Fig. 2 - dar, so werden zur Beschreibung der dreidimensionalen Bewegungsbahn 20 bevorzugt jeweils rund 20 bis 30 Bahndatenpunkte 18 verwendet. Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Therapieroboters 2. Auf einer Basiseinheit 38 mit angeschlossener Steuerung 39 ist dabei auf einem Drehgestell 47 ein Roboterarm 40 angebracht, welcher mittels mehrerer Dreh- bzw. Knickgelenke 41 bis 45 bewegt werden kann. Damit ist es möglich, den Effektor 19 des Therapieroboters 2, welcher Effektor 19 in seiner Form einen Teil des Rückenbereichs 7 - Fig. 2 - eines Pferdes 5 nachbildet, in einem bestimmten Umkreis beliebig im Raum zu positionieren und zu orientieren. Bevorzugt wird dabei ein Referenzpunkt 46 bzw. Tool Center Point (TCP) des Therapieroboters 2 im ruhigsten Punkt des Pferderückens 7 und damit im ruhigsten Punkt des Effektors 19 positioniert. Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Digitalisierungsverfahrens dieses bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Verfahrens zur Digita- lisierung einer Therapiesollbewegung, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten desselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen dar- stellen.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden. Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2; 3; 4a bis 4c; 5; 6 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. Bezugszeichenaufstellung Therapiesollbewegung 36 Marker in Reihe„1", Spalte„E" Therapieroboter 37 Marker in Reihe„2", Spalte„G" Mensch 38 Basiseinheit
Tier 39 Steuerung
Pferd 40 Roboterarm
Pferdekörper 41 Gelenk
Pferderücken 42 Gelenk
Messpunkt 43 Gelenk
Sich bewegendes Objekt 44 Gelenk
Messdaten zu bestimmten Messzeit45 Gelenk
punkten
46 Referenzpunkt
Unvollständige und/oder fehlerhafte 47 Drehgestell
Messdaten
Vervollständigte und/oder korrigierte Messdaten
Vollständige und korrekte Messdaten
Koordinatenachse X
Koordinatenachse Y
Koordinatenachse Z
Messdaten ohne gleitförmigem Bewegungsanteil
Bahndatenpunkt
Effektor
Dreidimensionale Bewegungsbahn
Videokamera
Videokamera
Marker
Raster
Längsachse
Laufband
Bewegungssensor
Hüftbereich
Rasterreihen
Rasterspalten
Vertikale Querachse
Orientierungswinkel„alpha"
Orientierungswinkel„beta"
Orientierungswinkel„gamma"
Marker in Reihe„1", Spalte„G"

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Digitalisierung einer Therapiesollbewegung (1) zur Steuerung eines während der Bewegungsdurchführung ortsfesten Therapieroboters (2) , gekennzeichnet durch Ausführen der Therapiesollbewegung (1) durch einen Menschen (3) oder ein Tier (4), Erfassen der Therapiesollbewegung (1) auf elektronischem Weg und Ermitteln der dreidimensionalen Lage- und/oder Bewegungsinformation von mindestens drei Messpunkten (8) des sich bewegenden Objekts (9) zu bestimmten Messzeitpunkten, Kontrollieren und gegebenenfalls Vervollständigen und/oder Korrigieren der Messdaten (10) insbesondere bei fehlenden und/oder fehlerhaften Messdaten (11) für bestimmte Messpunkte (8) zu bestimmten Messzeitpunkten durch Interpolation der Messdaten (10) von örtlich nebenan liegenden, weiteren Messpunkten (8) und/oder durch Interpolation der Messdaten (10) von den bestimmten Messpunkten (8), welche Messdaten (10) zu zeitlich nebenan liegenden Messzeitpunkten gewonnen wurden, Eliminieren eines gleichförmigen Bewegungsanteils in den Messdaten (12; 13) durch Ermittlung der mittleren Geschwindigkeit der Messpunkte (8) entlang jeder der drei räumlichen Koordinatenachsen (14, 15, 16) und Subtraktion dieser mittleren Geschwindigkeiten von den ermittelten Momentangeschwindigkeiten der Messpunkte (8) in jeder Koordinatenachse (14, 15, 16), Berechnen von Bahndatenpunkten (18) aus den Messdaten (17), welche Bahndatenpunkte (18) dreidimensionale Positions- und Orientierungswerte umfassen, sodass durch sequentielles Anfahren dieser Bahndatenpunkte (18) mit einem Effektor (19) des Therapieroboters (2) eine dreidimensionale Bewegungsbahn (20) entsprechend der Therapiesollbewegung (1) beschrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ermitteln der Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte (8) des sich bewegenden Objekts (9), welches die
Therapiesollbewegung (1) ausführt, zu bestimmten, periodisch aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch Ermitteln der Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte (8) des sich bewegenden Objekts
(9), welches die Therapiesollbewegung (1) ausführt, für genau eine Bewegungssequenz, welche in einem kontinuierlichen Bewegungsablauf im Wesentlichen wiederholt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erfassen der Therapiesollbewegung (1) auf visuellem Weg mittels zumindest einer Videokamera (21; 22) durch Filmen von einem oder mehreren, insbesondere reflektierenden oder leuchtenden, optischen Markern (23), welche an dem sich bewegenden Objekt (9), das die Therapiesollbewegung (1) ausführt, in einem interessanten Bereich, insbesondere im Rückenbereich (7) eines Tieres (4) oder im Hüftbereich (27) eines Menschen (3), angebracht sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Erfassen der Therapiesollbewegung (1) auf visuellem Weg mittels zwei beabstandeter und insbesondere synchronisierter Videokameras (21, 22) und Ermitteln der dreidimensionalen Lage- und/oder Bewegungsinformation der Messpunkte (8) des sich bewegenden Objekts (9) durch Triangulation.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, gekennzeichnet durch Erfassen der Therapiesollbewegung (1) auf visuellem Weg, wobei 170 bis 230 Bilder pro Sekunde, bevorzugt rund 200 Bilder pro Sekunde angefertigt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Erfassen der Therapiesollbewegung (1) auf elektronischem Weg mittels zumindest einem Bewegungssensor (27), insbesondere zumindest einem Beschleunigungssensor, welcher an dem sich bewegenden Objekt (9), das die Therapiesollbewegung (1) ausführt, in einem interessanten Bereich, insbesondere im Rückenbereich (7) eines Tieres (4) oder im Hüftbereich (27) eines Menschen (3), angebracht ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Erfassen der Therapiesollbe- wegung (1) mit dem zumindest einen Bewegungssensor (27) 170 bis 230 Mal pro Sekunde, bevorzugt rund 200 Mal pro Sekunde.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Therapiesollbewegung (1) die Bewegungen eines Pferderückens (7) im Bereich der Sitzposition eines Reiters bei der Gangart„Schritt",„Trab" oder„Galopp" ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Anbringen von rund 40 optischen Markern (23) auf einer Seite eines Pferderückens (7) im Sitzbereich eines Reiters zur visuellen Erfassung der Therapiesollbewegung (1 ), wobei die optischen Marker (23) im Wesentlichen entsprechend einem rechtwinkeligen Raster (24) mit 5 cm bis 15 cm Rasterabstand, bevorzugt rund 10 cm Rasterabstand ausgerichtet sind.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Anbringen von Reihen von optischen Markern (23) in dem rechtwinkeligen Raster (24), welcher von oben gesehen so ausgerichtet ist, dass eine der beiden Rasterdimensionen im Wesentlichen parallel zur Längsachse (25) des Pferdekörpers (6) verläuft, derart, dass von der Seite des Pferdekörpers (6) gesehen bei neun Rasterreihen (29), welche von oben beginnend mit„1" bis„9" bezeichnet sind, und bei dreizehn Rasterspalten (30), welche vom Kopfbereich des Pferdes (5) ausgehend mit„A" bis„M" bezeichnet sind, entlang der Rasterreihen„1" und„2" und entlang der Rasterspalten„E" und„G" optische Marker (23) angebracht sind, und Berechnen der Position und der Orientierung des Effektors (19) des Therapieroboters (2) wie folgt, wobei die Koordinatenachse X (14) der Längsachse (25) des Pferdekörpers (6), die Koordinatenachse Y ( 15) der horizontalen Querachse des Pferdekörpers (6) und die Koordinatenachse Z ( 16) der vertikalen Querachse (3 1) des Pferdekörpers (6) entspricht und beispielsweise das Symbol XIG den X-Koordinatenwert des Markers (35) in Reihe„1", Spalte„G" bezeichnet:
a) Berechnen der dreidimensionalen Position des Effektors (19) mittels der Messdaten (17) X1G, YIG und Z1G des Markers (35) in Reihe„1", Spalte„G";
b) Berechnen eines Orientierungswinkels„alpha" (32) des Effektors ( 19) mittels einer Seitendifferenz der Messdaten ( 17) für Marker (23) aus den Spalten„E" und„G", insbesondere mittels der Messdaten (17) X1E, Y1E, XIG und Y1G:
alpha = arctan((YM - YIG) / (Xm - XIG))
wobei der Marker (35) in Reihe„1", Spalte„G" als Drehpunkt angenommen wird, oder ent- sprechend mittels der Messdaten (17) X2E, Y2E, X2G und Y2G;
c) Berechnen eines Orientierungswinkels„beta" (33) des Effektors ( 19) mittels einer Höhendifferenz der Messdaten (17) für Marker (23) aus den Spalten„E" und„G", insbesondere mittels der Messdaten ( 17) Xm, Z1E, XIG und ZIG:
beta = arctan((ZM - Z1G) / (Xm - XIG))
wobei der Marker (35) in Reihe„1", Spalte„G" als Drehpunkt angenommen wird, oder entsprechend mittels der Messdaten (17) X2E, Z2E, X2G und Z2G; und
d) Berechnen eines Orientierungswinkels„gamma" (34) des Effektors ( 19) mittels einer Höhendifferenz der Messdaten ( 17) für Marker (23) aus den Reihen„1" und„2" oder aus der Spalte„G", insbesondere mittels der Messdaten (17) YIG, ZIG, Y2G und Z2Q: gamma = arctan((Y2G - YIG) / (Z2G - Z1G))
wobei der Marker (35) in Reihe„1", Spalte„G" als Drehpunkt angenommen wird, oder entsprechend mittels der Messdaten (17) Y2G, Z2G, Y4G und Z4G.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch Berechnen der Bahndatenpunkte (18) aus den Messdaten (17) des Pferderückens (7) derart, dass zur Beschreibung der dreidimensionalen Bewegungsbahn (20) jeweils rund 20 bis 30 Bahndatenpunkte (18) mit den Positions- und Orientierungsinformationen des Effektors (19) des Therapieroboters (2) verwendet werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausführen der Therapiesollbewegung (1) durch einen Menschen (3) oder ein Tier (4) auf einem Förderband bzw. einem Laufband (26), welches derart gesteuert wird, dass der Mensch (3) oder das Tier (4) bei der Ausführung der Therapiesollbewegung (1) im Wesentlichen an derselben Stelle im Raum bleibt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berechnen der Bahndatenpunkte (18) aus Gruppen von Messdaten (17), welche Gruppen durch mehrmaliges Erfassen eines sich bewegenden Objekts (9) und/oder durch Erfassen mehrerer sich bewegender Objekte (9) gewonnen wurden, wobei aus den Gruppen von Messdaten (17) eine Mittelwertgruppe von Messdaten berechnet wird oder aus den Gruppen von Messdaten (17) jeweils die Messdaten ausgewählt und zu einer Auswahlgruppe von Messdaten zusammengefügt werden, welche eine idealtypische Therapiesollbewegung (1) repräsen- tieren, und wobei die Messdaten der Mittelwertgruppe und/oder der Auswahlgruppe für die Berechnung der Bahndatenpunkte (18) eingesetzt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berechnen der Bahndatenpunkte (18) aus den Messdaten (17) derart, dass dabei als Referenz- punkt (46) bzw. Tool Center Point (TCP) des Therapieroboters (2) der ruhigste Punkt des sich bewegenden Objekts (9), welches die Therapiesollbewegung (1) ausführt, definiert ist.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
Transformieren der Bahndatenpunkte (18) in funktional beschreibbare, kontinuierliche Trajektorien, sodass durch Abfahren dieser Trajektorien mit dem Effektor (19) des Therapieroboters (2) eine dreidimensionale Bewegungsbahn (20) entsprechend der Therapiesollbewegung (1) beschrieben wird.
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