本發(fā)明涉及一種具有由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的訓(xùn)練系統(tǒng)、一種用于調(diào)節(jié)該訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)器人的方法以及一種用于執(zhí)行該方法的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
由wo2011/076240a1已知一種具有機(jī)器人的理療裝置，機(jī)器人引導(dǎo)一操縱面。該操縱面可以沿著預(yù)先給定的軌跡被引導(dǎo)，以便被動(dòng)式(passiv)訓(xùn)練使用者。六維的力-力矩測(cè)量還能夠?qū)崿F(xiàn)等量、偏心或同心的訓(xùn)練，其方式是，機(jī)器人施加力到操縱面上，該力相應(yīng)于由使用者所表現(xiàn)出
作為安全系統(tǒng)而設(shè)置緊急停止或中斷開關(guān)(notaus-odertotmann-schalter)，該緊急停止或中斷開關(guān)使機(jī)器人立即停止。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是改善經(jīng)機(jī)器人支持的訓(xùn)練。
該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的訓(xùn)練系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。權(quán)利要求12、13提出保護(hù)一種用于調(diào)節(jié)這里所描述的訓(xùn)練系統(tǒng)的機(jī)器人的方法以及一種用于執(zhí)行該方法的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品、尤其是數(shù)據(jù)載體或者說存儲(chǔ)介質(zhì)。從屬權(quán)利要求涉及有利的改進(jìn)方案。
按照本發(fā)明的一方面，訓(xùn)練系統(tǒng)具有機(jī)器人。該機(jī)器人在一實(shí)施方案中具有一個(gè)或多個(gè)臂，所述臂分別具有至少六個(gè)、尤其是電動(dòng)馬達(dá)式被致動(dòng)(aktuierten)的關(guān)節(jié)、尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)尤其具有成對(duì)彼此垂直的或平行的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。在一改進(jìn)方案中，機(jī)器人具有至少一個(gè)臂，該臂具有至少七個(gè)關(guān)節(jié)，其中，有利地尤其可以為了避免奇異姿勢(shì)(
在一實(shí)施方案中，訓(xùn)練系統(tǒng)具有至少一個(gè)操縱面，所述至少一個(gè)操縱面尤其能松脫地在機(jī)器人、尤其是機(jī)器人法蘭上緊固、尤其是被緊固，該機(jī)器人法蘭相對(duì)于尤其固定于周圍環(huán)境的機(jī)器人基部具有由機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)所限定的自由度，并且所述至少一個(gè)操縱面由此由機(jī)器人引導(dǎo)或被引導(dǎo)。
操縱面被設(shè)置或者說被設(shè)立作為使用者接口或與機(jī)器人的接觸處。該操縱面在一實(shí)施方案中能是至少基本上平坦的，例如可具有用于支承一個(gè)或兩個(gè)腳的平臺(tái)。同樣地，操縱面也可以尤其圓柱形地被彎曲，例如具有用于以一只手或兩只手來握的把手。在一實(shí)施方案中，操縱面相應(yīng)于體育器械的接觸面(例如田徑標(biāo)槍的桿、高爾夫球桿的把手等等)，使用者利用該訓(xùn)練系統(tǒng)來訓(xùn)練使用該體育器械。在一實(shí)施方案中，操縱面具有由塑料或橡膠制成的覆層和/或表面結(jié)構(gòu)部。由此可以有利地改善使用者的抓握性或接觸。在一實(shí)施方案中，操縱面被設(shè)置或設(shè)立用于與一只或兩只腳、手和/或其它身體部分、例如背部、肩部等等接觸，或在運(yùn)行中被它們接觸。
在一實(shí)施方案中，訓(xùn)練系統(tǒng)具有力檢測(cè)裝置，用于確定操縱面的加載。該加載在一實(shí)施方案中包括沿一個(gè)或多個(gè)、尤其三個(gè)、優(yōu)選彼此垂直的方向的力和/或沿一個(gè)或多個(gè)、尤其三個(gè)、優(yōu)選彼此垂直的方向的轉(zhuǎn)矩。為了較緊湊的表達(dá)，本發(fā)明也將反平行的力偶或轉(zhuǎn)矩概括表示為(一個(gè))力。
在一實(shí)施方案中，力檢測(cè)裝置具有尤其是多維、優(yōu)選六維的力和/或力矩傳感器，該力和/或力矩傳感器在一實(shí)施方案中可以布置在機(jī)器人法蘭與操縱面之間、尤其是機(jī)器人法蘭與用于將操縱面能松脫地緊固在機(jī)器人法蘭上的聯(lián)接器之間。
附加地或替換地，力檢測(cè)裝置具有在機(jī)器人的一個(gè)或多個(gè)、尤其是所有關(guān)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)力傳感器、尤其是轉(zhuǎn)矩傳感器。尤其在考慮機(jī)器人的力學(xué)模型、尤其是它的慣性的情況下，從中同樣可以確定由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的一維或多維的加載。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，訓(xùn)練系統(tǒng)具有活動(dòng)性檢測(cè)裝置，其用于尤其基于操縱面的由力檢測(cè)裝置所確定的加載來確定使用者的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷。
生物力學(xué)負(fù)荷在一實(shí)施方案中包括、尤其就是使用者的支撐器官和/或運(yùn)動(dòng)器官、尤其是關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶和/或肌腱的尤其力學(xué)的負(fù)荷或應(yīng)力，尤其是使用者的運(yùn)動(dòng)器官的關(guān)節(jié)、尤其是骨骼的負(fù)荷或應(yīng)力。支撐器官和運(yùn)動(dòng)器官的力學(xué)負(fù)荷在一實(shí)施方案中包括在支撐器官和運(yùn)動(dòng)器官的生物結(jié)構(gòu)上的、尤其是在肌肉、韌帶、肌腱、軟骨、骨頭和/或關(guān)節(jié)面上的力、轉(zhuǎn)矩、拉力和/或張力，尤其是生物力學(xué)參數(shù)、關(guān)節(jié)力矩和/或關(guān)節(jié)力。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，生物力學(xué)負(fù)荷例如包括尤其是關(guān)節(jié)面、臀部關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和/或腳關(guān)節(jié)、臀部伸肌和/或屈肌、大腿肌肉和/或小腿肌肉、膝關(guān)節(jié)和/或腳關(guān)節(jié)的外韌帶、內(nèi)韌帶和/或十字韌帶、腿筋等等的負(fù)荷。
心血管負(fù)荷在一實(shí)施方案中包括、尤其就是使用者的心血管或心臟循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)荷或應(yīng)力。
在一實(shí)施方案中，生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷尤其包括劇烈負(fù)荷或在操縱訓(xùn)練系統(tǒng)期間出現(xiàn)的負(fù)荷。附加地或替換地，生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷尤其可以包括長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)的或在操縱訓(xùn)練系統(tǒng)之后出現(xiàn)的負(fù)荷。
生物力學(xué)負(fù)荷尤其可以包括尤其是使用者的運(yùn)動(dòng)器官和/或組織結(jié)構(gòu)的力學(xué)上的力和/或力矩和/或(潛在的)損壞或損耗。附加地或替換地，在本發(fā)明的意義上，生物力學(xué)負(fù)荷也可以包括訓(xùn)練效果、尤其是使用者的能力相對(duì)于初始狀態(tài)的改善。在生物上表示了對(duì)機(jī)械負(fù)荷的反應(yīng)的這種訓(xùn)練效果，在本發(fā)明中也被概括為生物力學(xué)負(fù)荷。
如果使用者加載所述承載面，那么作為反應(yīng)從中產(chǎn)生生物力學(xué)負(fù)荷，尤其是使用者的運(yùn)動(dòng)器官的生物力學(xué)負(fù)荷，和/或心血管負(fù)荷、尤其是使用者的心臟循環(huán)系統(tǒng)的心血管負(fù)荷。相應(yīng)地，尤其受模型支持地，基于操縱面的被確定的加載也可以確定使用者的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷。
迄今為止的訓(xùn)練裝置、尤其是還有開頭提到的wo2011/076240a1然而沒有考慮使用者的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷，而是專注于操縱面本身的(絕對(duì)的)加載，其方式是，這些操縱面例如表現(xiàn)出作用到操縱面上的特定的力。
但是，這可能不利地對(duì)使用者、尤其是他的運(yùn)動(dòng)器官和/或他的心臟循環(huán)系統(tǒng)造成負(fù)荷，尤其是過載或在訓(xùn)練視角下不甚理想地負(fù)荷。如果例如在功能柱(funktionsstemme)中僅沿一移動(dòng)方向預(yù)先給定恒定的力，那么該恒定的力可以視起作用的杠桿臂的不同而使肌肉負(fù)擔(dān)過輕或過重。附加地，如果該移動(dòng)方向不與腿軸線或膝蓋關(guān)節(jié)軸線相關(guān)聯(lián)的話，例如會(huì)使膝蓋過載。
因此，按照本發(fā)明的一方面，訓(xùn)練系統(tǒng)具有控制裝置，該控制裝置基于使用者的預(yù)先給定的和被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷來調(diào)節(jié)所述機(jī)器人、尤其是該機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器，或?yàn)榇擞绕涫窃谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上被設(shè)置。
以這種方式可以有利地減少生物力學(xué)的和/或心血管的錯(cuò)誤負(fù)荷的、尤其是過載的危險(xiǎn)。因此，例如可以基于操縱面的被確定的加載來確定在使用者膝關(guān)節(jié)中起作用的力和力矩并將該力和力矩與預(yù)先給定的、尤其是預(yù)期的和/或允許的負(fù)荷進(jìn)行比較。然后，控制裝置可以以如下方式調(diào)節(jié)機(jī)器人，即，使作用在使用者的膝關(guān)節(jié)中的力和力矩接近預(yù)期的負(fù)荷或不超過允許的負(fù)荷。
附加地或替換地，因此可以改善訓(xùn)練刺激。可以示例性地基于操縱面的被確定的加載來確定例如膝伸肌中的肌肉應(yīng)力，并將其與預(yù)先給定的優(yōu)化的訓(xùn)練刺激進(jìn)行比較。然后，控制裝置可以以如下方式調(diào)節(jié)機(jī)器人，即，在使用者膝伸肌中起作用的力接近預(yù)期的訓(xùn)練負(fù)荷，例如在準(zhǔn)杠桿臂(werdendemhebelarm)較大的情況下提高機(jī)器人作用到操縱面上的(反)力等等。
就像前面闡述的那樣，在本發(fā)明的意義上生物力學(xué)負(fù)荷可以包括力學(xué)上的力和/或力矩和/或訓(xùn)練效果。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，控制裝置可以比較尤其使用者的關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶和/或肌腱中的預(yù)先給定的和被確定的力和/或力矩，和/或比較預(yù)先給定的和被確定的、尤其是肌肉的、組織的和/或運(yùn)動(dòng)機(jī)能的訓(xùn)練效果，并基于該預(yù)先給定的和被確定的生物力學(xué)負(fù)荷來調(diào)節(jié)機(jī)器人或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。由此一般性地，控制裝置以如下方式在一實(shí)施方案中調(diào)節(jié)機(jī)器人，使得使用者的預(yù)先給定的與被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷之間的差值被減少，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)上和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置基于至少一個(gè)生物力學(xué)模型和/或心血管模型來確定使用者的負(fù)荷，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上被設(shè)置。生物力學(xué)模型或心血管模型在一實(shí)施方案中將操縱面的加載與使用者的生物力學(xué)負(fù)荷或心血管負(fù)荷聯(lián)系起來，尤其是以相關(guān)聯(lián)的方式、尤其是一維或多維映射(abbildung)的方式。
在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置具有多個(gè)生物力學(xué)模型和/或心血管模型、尤其是模型模塊(modellmodule)，它們?cè)谝桓倪M(jìn)方案中映射使用者運(yùn)動(dòng)器官的不同部分和/或具有不同的復(fù)雜度。在一實(shí)施方案中，然后活動(dòng)性檢測(cè)裝置以可選方式、尤其視應(yīng)用情況、尤其是訓(xùn)練計(jì)劃的不同從這些模塊中分別建立一生物力學(xué)模型或心血管模型，在其基礎(chǔ)上然后確定使用者的負(fù)荷。在一實(shí)施方案中，面向?qū)ο蟮貙?shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)生物力學(xué)模型和/或心血管模型，這尤其可以使其結(jié)合變得容易。
在一實(shí)施方案中可使一個(gè)或多個(gè)生物力學(xué)模型和/或心血管模型參數(shù)化，尤其以便使其個(gè)體地適配一使用者。在一實(shí)施方案中，模型的參數(shù)由使用者或訓(xùn)練員輸入或從數(shù)據(jù)庫中確定，尤其是通過識(shí)別使用者身份并從存儲(chǔ)裝置中調(diào)出與該使用者身份相聯(lián)系的參數(shù)。
附加地或替換地，也可由訓(xùn)練系統(tǒng)自己確定、尤其是識(shí)別或估計(jì)這些參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。因此，例如可以通過操縱面的尤其逆著預(yù)先給定的阻力的一次或多次運(yùn)動(dòng)來確定使用者的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)范圍和/或一個(gè)或多個(gè)肌肉的最大的力。
在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置附加地或替換地基于使用者的被確定的狀態(tài)來確定使用者的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。尤其在一實(shí)施方案中，生物力學(xué)模型或心血管模型可以將操縱面的加載和使用者的被確定的狀態(tài)與使用者的生物力學(xué)負(fù)荷或心血管負(fù)荷聯(lián)系起來，尤其是以相關(guān)聯(lián)的方式、尤其是一維或多維映射的方式。
使用者的狀態(tài)尤其可以包括、尤其就是使用者的一個(gè)或多個(gè)參照物的、尤其關(guān)節(jié)點(diǎn)或關(guān)節(jié)軸線的位置、速度和/或加速度。在一實(shí)施方案中，(也)借助于超聲波來確定使用者的狀態(tài)。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置具有至少一個(gè)超聲波傳感器。
因此，例如可以基于布置在使用者身上的標(biāo)記裝置的被檢測(cè)到的位置和/或基于在使用者的一圖像中通過圖像識(shí)別出參照物的位置、尤其是基于生物力學(xué)模型和/或心血管模型來確定使用者的關(guān)節(jié)位置和/或肌肉位置，并因此確定在那里起作用的負(fù)荷。
相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置基于使用者的、尤其是使用者的一個(gè)或多個(gè)參照物的被檢測(cè)到的、尤其是多維的位置和/或加速度來確定使用者的狀態(tài)，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。尤其為此，所述活動(dòng)性檢測(cè)裝置可以具有一個(gè)或多個(gè)布置在使用者身上的、尤其是慣性的位置傳感器和/或加速度傳感器。這些傳感器可以是主動(dòng)或被動(dòng)的，或主動(dòng)檢測(cè)和傳遞數(shù)據(jù)，或被動(dòng)地通過相應(yīng)的檢測(cè)裝置來檢測(cè)數(shù)據(jù)。
附加地或替換地，活動(dòng)性檢測(cè)裝置可以具有一個(gè)或多個(gè)、尤其固定于機(jī)器人或周圍環(huán)境的空間監(jiān)視傳感器，尤其是光柵、掃描儀、攝像機(jī)等等。由此，尤其也可以確定使用者的、尤其是使用者的一個(gè)或多個(gè)參照物的一維、尤其多維的位置和/或加速度，尤其是通過圖像識(shí)別裝置來確定。
使用者的狀態(tài)附加地或替換地尤其可以包括使用者的神經(jīng)和/或肌肉活動(dòng)性。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置基于使用者的被檢測(cè)到的、尤其是多維的神經(jīng)和/或肌肉活動(dòng)性來確定使用者的狀態(tài)，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。尤其為此，所述活動(dòng)性檢測(cè)裝置可以具有一個(gè)或多個(gè)布置在使用者身上的emg傳感器。
通過考慮神經(jīng)活動(dòng)性和/或肌肉活動(dòng)性，可以有利地提高精確性和/或解決
使用者的狀態(tài)附加地或替換地尤其可以包括使用者的心血管活動(dòng)性。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置基于使用者的被檢測(cè)到的、尤其是多維的心血管活動(dòng)性來確定使用者的狀態(tài)，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。尤其為此地，活動(dòng)性檢測(cè)裝置可以具有布置在使用者身上的一個(gè)或多個(gè)傳感器，所述傳感器用于確定一維或多維心血管參數(shù)、尤其是血壓值、脈搏值、血氧含量值(bluatsauerstoffwertes)等等。
通過考慮心血管活動(dòng)性，可以有利地在訓(xùn)練時(shí)提高精確性和/或安全性。
使用者的狀態(tài)附加地或替換地尤其可以包括使用者的生物結(jié)構(gòu)的尺寸、尤其是肌肉、肌腱、韌帶等的尺寸。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置基于使用者的生物結(jié)構(gòu)的被檢測(cè)到的、尤其是多維的尺寸來確定使用者的狀態(tài)，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。尤其為此地，活動(dòng)性檢測(cè)裝置可以具有一個(gè)或多個(gè)、尤其是非侵入式(nicht-invasive)傳感器，所述傳感器用于確定使用者的生物結(jié)構(gòu)、尤其是肌肉、肌腱、韌帶等等的一維或多維尺寸。在一改進(jìn)方案中，傳感器具有用于檢測(cè)生物結(jié)構(gòu)的尺寸的成像和/或圖像處理裝置。
因此在一實(shí)施方案中，活動(dòng)性檢測(cè)裝置或它的傳感器例如可以借助于作為生物結(jié)構(gòu)尺寸的超聲聲像圖(ultrasonographie)來檢測(cè)或確定髕腱或腿筋的長(zhǎng)度，從中確定作為使用者狀態(tài)的髕腱或腿筋的張力，并由此確定尤其使用者的生物力學(xué)負(fù)荷，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
在一實(shí)施方案中，基于使用者的預(yù)先給定的和被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷，控制裝置調(diào)節(jié)力、尤其是該力的方向和/或大小或數(shù)值，機(jī)器人將該力尤其最小、最大或?qū)崟r(shí)地施加或表現(xiàn)到由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面上，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。就像前面闡釋的那樣，轉(zhuǎn)矩在本發(fā)明中也被概括表示為力。
控制裝置尤其可以以如下方式調(diào)節(jié)力的大小和/或方向，使得使用者的被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷接近使用者的預(yù)先給定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷或謀求臨近該預(yù)先給定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷，機(jī)器人以該力來加載操縱面、尤其是使其運(yùn)動(dòng)，或機(jī)器人使該力與操縱面的運(yùn)動(dòng)相反。
如果例如確定了膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)過載，那么控制裝置可以減少力(機(jī)器人以該力來加載操縱面)和/或這樣該改變力的方向，使得膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)負(fù)荷被減少。尤其地，控制裝置可以通過由機(jī)器人施加的力的相應(yīng)取向來將生物力學(xué)負(fù)荷推移到有利的軸線上。
附加地或替換地在一實(shí)施方案中，控制裝置基于使用者的預(yù)先給定的和被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷來通過機(jī)器人調(diào)節(jié)由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的運(yùn)動(dòng)、尤其是由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的運(yùn)動(dòng)方向和/或速度，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
控制裝置尤其可以以如下方式通過機(jī)器人來調(diào)節(jié)操縱面的運(yùn)動(dòng)的速度和/或方向，使得使用者的被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷接近使用者的預(yù)先給定的生物力學(xué)負(fù)荷或心血管負(fù)荷，或謀求臨近該預(yù)先給定的生物力學(xué)負(fù)荷或心血管負(fù)荷。
如果又例如確定了膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)過載，那么控制裝置可以這樣改變由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的運(yùn)動(dòng)方向，使得膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)負(fù)荷被減少。
在一實(shí)施方案中，控制裝置適應(yīng)地調(diào)節(jié)所述機(jī)器人。尤其地，調(diào)節(jié)參數(shù)和/或調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可以在訓(xùn)練系統(tǒng)的操縱期間和/或之后由尤其是被識(shí)別的使用者自動(dòng)地改變，尤其是基于在操縱期間被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷被改變。
按照本發(fā)明的一方面，訓(xùn)練系統(tǒng)具有安全裝置，其用于尤其冗余地、尤其多樣式地
通過對(duì)操縱面的加載進(jìn)行監(jiān)視，尤其可以識(shí)別或避免使用者的(絕對(duì)的、取決于他的生物力學(xué)的)過載。通過監(jiān)視機(jī)器人的狀態(tài)，尤其可以識(shí)別可能的碰撞和/或故障并對(duì)其作出反應(yīng)。當(dāng)操縱面的加載本身(還)處在允許范圍時(shí)，通過監(jiān)視使用者的被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷有利地也于是可以識(shí)別并相應(yīng)地避免過載。因此例如可以基于操縱面的加載和使用者的狀態(tài)、尤其是位置，基于生物力學(xué)模型來檢測(cè)：膝關(guān)節(jié)(例如由于軸線錯(cuò)誤姿態(tài)(achsenfehlstellung))過載，即使施加到操縱面上的絕對(duì)力還處于本身允許的范圍內(nèi)。
如果確定了操縱面的不允許的加載或使用者的不允許的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷或機(jī)器人的不允許的狀態(tài)，那么安全裝置在一實(shí)施方案中觸發(fā)錯(cuò)誤反應(yīng)，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
在一改進(jìn)方案中，如果確定了操縱面的不允許的加載或使用者的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷或機(jī)器人的不允許的狀態(tài)，則安全裝置執(zhí)行由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置，尤其是在預(yù)先給定的初始姿態(tài)中進(jìn)行設(shè)置。
通過這種補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，可以尤其與機(jī)器人在工效學(xué)上的不利姿勢(shì)或狀況中的立即停止相比減少使用者的過載或被夾住的危險(xiǎn)。如果例如確定了操縱面的加載超過預(yù)先給定的最大值，那么可以替代機(jī)器人的單純停止而將由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面移動(dòng)到初始姿態(tài)中，在該初始姿態(tài)中，使用者沒有被過載和/或可以更好地離開訓(xùn)練系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的一方面，訓(xùn)練系統(tǒng)具有兩個(gè)或更多個(gè)、尤其是不同的操縱面，這些操縱面以可選方式與機(jī)器人能聯(lián)接，尤其是聯(lián)接的或被聯(lián)接。由此可以有利地提供與使用者和/或訓(xùn)練相協(xié)調(diào)的操縱面，例如具有不同大小的把手、各種平臺(tái)等等。
在一改進(jìn)方案中，控制裝置識(shí)別分別由機(jī)器人引導(dǎo)的或聯(lián)接到機(jī)器人(法蘭)上的操縱面，并基于被識(shí)別出的由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面來調(diào)節(jié)機(jī)器人，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
在一改進(jìn)方案中，操縱面、尤其是電磁式能讀取的識(shí)別標(biāo)記和控制裝置具有用于尤其電磁式檢測(cè)所述識(shí)別標(biāo)記的裝置。識(shí)別標(biāo)記尤其可以包括、尤其就是rfid收發(fā)器(transponder)。
在一改進(jìn)方案中，訓(xùn)練系統(tǒng)、尤其是調(diào)節(jié)機(jī)器人的控制裝置以完全或部分自動(dòng)化的方式更換由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面，尤其是相對(duì)于另一可選地與機(jī)器人可聯(lián)接的操縱面更換由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
在一改進(jìn)方案中，控制裝置尤其是無觸碰地、尤其是借助于rfid識(shí)別使用者，并基于被識(shí)別出的使用者來調(diào)節(jié)機(jī)器人，或?yàn)榇擞绕湓谟布夹g(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。
尤其地，因此可以使用針對(duì)使用者個(gè)體的訓(xùn)練計(jì)劃和/或用于調(diào)節(jié)機(jī)器人的生物力學(xué)模型的參數(shù)。調(diào)節(jié)尤其也可以包括禁止機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。相應(yīng)地，所述識(shí)別也可以被用于授權(quán)以該訓(xùn)練系統(tǒng)來訓(xùn)練。
在一實(shí)施方案中，訓(xùn)練系統(tǒng)具有用于將使用者固定在由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面上和/或尤其能調(diào)節(jié)的使用者定位裝置上、尤其站立面和/或坐面和/或靠背上的一件式或多件式固定裝置。由此可以有利地改善訓(xùn)練。
在一實(shí)施方案中，訓(xùn)練系統(tǒng)具有輸出裝置，該輸出裝置用于基于被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和/或心血管負(fù)荷尤其光學(xué)地或視覺地、觸覺地和/或聽覺地輸出反饋。由此可以向使用者給出生物力學(xué)負(fù)荷的或心血管負(fù)荷的、尤其是訓(xùn)練效果的經(jīng)計(jì)算機(jī)支持的回饋，并因此有利地對(duì)該訓(xùn)練效果進(jìn)行改善。
本發(fā)明意義上的裝置可以在硬件技術(shù)和/或軟件技術(shù)上構(gòu)造，尤其具有優(yōu)選與存儲(chǔ)系統(tǒng)和/或總線系統(tǒng)在數(shù)據(jù)或信號(hào)上連接的、尤其是數(shù)字式的處理單元、尤其是微處理器(cpu)和/或具有一個(gè)或多個(gè)程序或程序模塊。cpu可以被設(shè)置用于：運(yùn)行被實(shí)現(xiàn)為儲(chǔ)存在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的程序的命令；檢測(cè)數(shù)據(jù)總線的輸入信號(hào)和/或?qū)⑤敵鲂盘?hào)輸出到數(shù)據(jù)總線上。存儲(chǔ)系統(tǒng)可以具有一個(gè)或多個(gè)、尤其是不同的存儲(chǔ)介質(zhì)、尤其是光學(xué)的、磁性的、固體的和/或另外的非易失性介質(zhì)。所述程序可以以如下方式被提供，即，該程序使這里所描述的方法具體化
本發(fā)明意義上的訓(xùn)練尤其可以包括或追求改善使用者的組織結(jié)構(gòu)、尤其是肌肉、肌腱和/或韌帶。附加地或替換地，訓(xùn)練也可以包括或追求使用者的神經(jīng)方面的改善、尤其是協(xié)同方面的(koordinative)改善。相應(yīng)地，可以尤其基于組織結(jié)構(gòu)的所追求的改善和/或基于所追求的神經(jīng)方面的改善、尤其是協(xié)同方面的改善來預(yù)先給定使用者的預(yù)先給定的生物力學(xué)負(fù)荷。
本發(fā)明意義上的過載尤其可以包括、尤其就是超過尤其被限定的或預(yù)先給定的邊界負(fù)荷。
在一實(shí)施方案中，附加地也基于預(yù)先給定的、尤其是特定于使用者的或針對(duì)使用者個(gè)體的運(yùn)動(dòng)程度來調(diào)節(jié)機(jī)器人。相應(yīng)地，在一實(shí)施方案中，控制裝置基于預(yù)先給定的、尤其是特定于使用者的或針對(duì)使用者個(gè)體的運(yùn)動(dòng)程度被構(gòu)造用于調(diào)節(jié)機(jī)器人，或尤其在硬件技術(shù)和/或軟件技術(shù)上進(jìn)行設(shè)置。以這種方式有利地尤其可以顧及或維持，治療方針或限制運(yùn)動(dòng)程度。因此，機(jī)器人尤其可以以如下方式引導(dǎo)操縱面或控制器以如下方式調(diào)節(jié)機(jī)器人，使得使用者的一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)和/或肢體在操縱面由機(jī)器人引導(dǎo)地運(yùn)動(dòng)時(shí)僅具有預(yù)先給定的運(yùn)動(dòng)程度。
附圖說明
其他優(yōu)點(diǎn)和特征由從屬權(quán)利要求和實(shí)施例中獲得。為此部分地示意性示出唯一的附圖：
圖1：根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方案的訓(xùn)練系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方案的訓(xùn)練系統(tǒng)。
該訓(xùn)練系統(tǒng)具有機(jī)器人10。機(jī)器人具有臂，該臂具有六個(gè)電動(dòng)馬達(dá)式致動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，這些轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)具有以成對(duì)方式彼此垂直或平行的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線。
訓(xùn)練系統(tǒng)此外具有多個(gè)不同的操縱面30a、30b和30c，這些操縱面以可選方式能松脫地緊固在機(jī)器人法蘭11上并由此由機(jī)器人引導(dǎo)。機(jī)器人法蘭11相對(duì)于固定于周圍環(huán)境的機(jī)器人基部具有由機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)所限定的自由度。
在該實(shí)施例中，當(dāng)前被聯(lián)接的或由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面30a具有用于支承使用者的一個(gè)或兩個(gè)腳的平臺(tái)，從而使得訓(xùn)練系統(tǒng)尤其就像圖1中簡(jiǎn)示的那樣可以作為所謂的功能柱起作用。操縱面30b、30c與之相反被構(gòu)造為用于以一個(gè)手(30c)或兩個(gè)手(30b)來握的把手。
訓(xùn)練系統(tǒng)具有呈六維力/力矩傳感器12形式的力檢測(cè)裝置，該力檢測(cè)裝置用于分別沿三個(gè)彼此垂直的方向確定操縱面的力加載和力矩加載，該力/力矩傳感器布置在機(jī)器人法蘭11與操縱面30a之間。
所述訓(xùn)練系統(tǒng)具有：活動(dòng)性檢測(cè)裝置，其用于基于操縱面的被確定的加載來確定使用者20的生物力學(xué)負(fù)荷；以及控制裝置，其用于基于使用者的預(yù)先給定的和被確定的生物力學(xué)負(fù)荷來調(diào)節(jié)機(jī)器人10的驅(qū)動(dòng)器，所述活動(dòng)性檢測(cè)裝置和控制裝置兩個(gè)都在控制器40中實(shí)現(xiàn)。
在該實(shí)施例中，機(jī)器人10作為功能柱起作用，在該實(shí)施例中，基于生物力學(xué)模型、基于加載面30a的被確定的加載來確定作用在使用者20的活動(dòng)的膝關(guān)節(jié)中的力和力矩并將其與預(yù)先給定的負(fù)荷進(jìn)行比較。然后，控制器40以如下方式調(diào)節(jié)機(jī)器人10，即，使作用在使用者20的膝關(guān)節(jié)中的力和力矩接近預(yù)期的負(fù)荷或不超過允許的負(fù)荷。
附加地，控制器基于生物力學(xué)模型、基于操縱面30a的被確定的加載來確定膝伸肌中的肌肉應(yīng)力，將該肌肉應(yīng)力與預(yù)先給定的優(yōu)化訓(xùn)練刺激進(jìn)行比較并以如下方式來調(diào)節(jié)機(jī)器人10，使得作用在使用者20的膝伸肌中的力接近預(yù)期訓(xùn)練負(fù)荷。
以這種方式可以有利地避免膝關(guān)節(jié)的過載，并同時(shí)優(yōu)化地使膝伸肌充分加載(ausbelastet)。
控制器40具有多個(gè)生物力學(xué)模塊，這些生物力學(xué)模塊映射了使用者的運(yùn)動(dòng)器官的不同部分并具有不同的復(fù)雜度?？刂破?0以可選方式、尤其是視訓(xùn)練計(jì)劃而定從這些模塊中分別建立生物力學(xué)模型，在該生物力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，控制器確定使用者20的負(fù)荷并調(diào)節(jié)機(jī)器人10。
生物力學(xué)模型是能編程的，以便使它們個(gè)體地適配不同使用者。模型的參數(shù)由使用者或訓(xùn)練員輸入或從數(shù)據(jù)庫中確定，尤其是通過識(shí)別使用者身份并從控制器40的存儲(chǔ)裝置中調(diào)出與該使用者身份相聯(lián)系的參數(shù)。附加地或替換地，也可由訓(xùn)練系統(tǒng)自己確定、尤其是識(shí)別或估計(jì)這些參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)。
控制器40在確定使用者20的負(fù)荷時(shí)附加地考慮使用者的參照物的位置，所述參照物在本實(shí)施例中由固定于周圍環(huán)境的空間監(jiān)視傳感器、例如攝像機(jī)70和相應(yīng)的圖像識(shí)別裝置來確定。在未示出的變型方案中，使用者的參照物的位置可以附加地或替換地也由布置在使用者身上的位置傳感器來確定。在同樣未示出的變型方案中，控制器40附加地或替換地可以在確定使用者20的負(fù)荷時(shí)也考慮使用者20的通過布置在使用者身上的emg傳感器所確定的神經(jīng)活動(dòng)性和/或肌肉活動(dòng)性。
參照物可以具有相對(duì)于使用者運(yùn)動(dòng)器官的關(guān)節(jié)、例如膝關(guān)節(jié)的已知位姿。于是，控制器40可以基于參照物的被檢測(cè)到的位置來確定膝關(guān)節(jié)的位置，并基于該位置在考慮操縱面30a的加載的情況下來確定膝關(guān)節(jié)中的負(fù)荷。
在該實(shí)施例中，控制器40調(diào)節(jié)：機(jī)器人10施加到由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面30a上的力；以及基于使用者的被預(yù)先給定的和被確定的生物力學(xué)負(fù)荷通過機(jī)器人來調(diào)節(jié)由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面的運(yùn)動(dòng)。
如果例如基于操縱面30a的被確定的加載而確定了使用者20的膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)過載，那么控制器40可減少機(jī)器人10加載操縱面30a的力(尤其是與使用者的運(yùn)動(dòng)相反(同心訓(xùn)練))，和/或這樣地改變?cè)摿Φ姆较蚝?或操縱面30a的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得減少了膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)負(fù)荷，例如操縱面30a的運(yùn)動(dòng)與膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸線(更好地)相關(guān)聯(lián)。
訓(xùn)練系統(tǒng)具有安全裝置，該安全裝置具有安全控制器50，安全控制器用于監(jiān)視操縱面30a的加載、使用者的被確定的生物力學(xué)負(fù)荷和機(jī)器人10的狀態(tài)。
安全控制器50兩通道地借助于力/力矩傳感器12來檢測(cè)操縱面30a的加載以及借助于光柵71、72來檢測(cè)機(jī)器人10的狀態(tài)，尤其是位置、速度和/或加速度。附加地，該安全控制器將使用者20的被確定的生物力學(xué)負(fù)荷與膝蓋中的預(yù)先給定的允許的生物力學(xué)負(fù)荷、例如最大允許的力進(jìn)行比較。
如果安全控制器50檢測(cè)到操縱面30a的不允許的加載或機(jī)器人10的不允許的狀態(tài)、例如施加到操縱面30a上的力超過預(yù)先給定的邊界值或機(jī)器人10離開了由光柵71、72預(yù)先給定的工作空間，或者如果安全控制器50檢測(cè)到使用者20的不允許的生物力學(xué)負(fù)荷，那么該安全控制器執(zhí)行使由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面30a進(jìn)入預(yù)先給定的初始姿態(tài)中的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。
附加或替換于光柵71、71和/或攝像機(jī)70，安全控制器50也可以通過機(jī)器人關(guān)節(jié)上的位置或關(guān)節(jié)角度傳感器13來檢測(cè)機(jī)器人10的位置。
就像前面已經(jīng)提到的那樣，訓(xùn)練系統(tǒng)在本實(shí)施例中具有三個(gè)不同的操縱面30a-30c，這些操縱面能夠以可選方式與機(jī)器人10聯(lián)接。
控制器40識(shí)別分別由機(jī)器人引導(dǎo)的或聯(lián)接到機(jī)器人法蘭11上的操縱面(在本實(shí)施例中30a)并基于識(shí)別到的、由機(jī)器人引導(dǎo)的操縱面來調(diào)節(jié)機(jī)器人10。為此，不同的操縱面30a-30c分別具有rfid收發(fā)器32a、32b或32c，機(jī)器人10具有用于電磁式檢測(cè)分別聯(lián)接的rfid收發(fā)器的裝置31。
訓(xùn)練系統(tǒng)具有使用者定位裝置60，其具有能調(diào)節(jié)的坐面和靠背。
雖然在前面的描述中闡釋了示例性的實(shí)施方案，但是要指出的是很多變型方案是可行的。此外要指出的是，這些示例性實(shí)施方案僅僅是示例，它們不應(yīng)以任何方式限制保護(hù)范圍、應(yīng)用方案和結(jié)構(gòu)。確切地說，通過前面的描述給本領(lǐng)域技術(shù)人員提供了轉(zhuǎn)換至少一個(gè)示例性實(shí)施方案的教導(dǎo)，其中，可以在不離開就像從權(quán)利要求書中和與權(quán)利要求書等效的特征組合中所獲得的保護(hù)范圍的情況下進(jìn)行尤其關(guān)于所描述的組成部分的功能和布置的若干個(gè)改變方案。
附圖標(biāo)記列表
10機(jī)器人
11機(jī)器人法蘭
12力/力矩傳感器
13關(guān)節(jié)角度傳感器
20使用者
30a；
30b，
30c操縱面
31用于檢測(cè)rfid收發(fā)器的裝置
32a；
32b，
32crfid收發(fā)器
40(機(jī)器人)控制器(活動(dòng)性檢測(cè)和控制裝置)
50安全控制器
60使用者定位裝置
70攝像機(jī)(空間監(jiān)視傳感器)
71、72光柵