DE102010053114A1 - Hand prosthesis connected to forearm adapter for holding objects e.g. forceps, has driven rope wheels for fingers that are elastically connected with rotatable shaft - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Handprothese, wobei die Handprothese mehrere Finger und einen Daumen umfasst, wobei die Finger und der Daumen an einem Handgehäuse gelenkig angelenkt sind.The invention relates to a hand prosthesis, wherein the hand prosthesis comprises a plurality of fingers and a thumb, wherein the fingers and the thumb are hinged to a hand housing hinged.
Die menschliche Hand ist ein äußerst komplexes Gebilde. Sie besteht aus 27 Knochen, 36 Gelenken, 39 Muskeln mit jeweils 32 Freiheitsgraden und sie kann bis zu 50 kg Schließkraft erzeugen. Eine Prothese herzustellen, die Eigenschaften aufweist, die der einer menschlichen Hand entsprechen, erscheint unmöglich. Es ist allerdings vielfach versucht worden, Handprothesen bereitzustellen, die eine Vielzahl der Funktionen übernehmen können, die auch die menschliche Hand bewerkstelligen kann.The human hand is an extremely complex entity. It consists of 27 bones, 36 joints, 39 muscles, each with 32 degrees of freedom and it can generate up to 50 kg of clamping force. Making a prosthesis that has properties similar to that of a human hand seems impossible. However, many attempts have been made to provide hand prostheses that can perform a variety of functions that can be done by the human hand.
Eine Handprothese soll nicht nur die wesentlichen üblichen Bewegungen einer menschlichen Hand erlauben, sondern insbesondere dem Prothesenträger es auch ermöglichen am Arbeitsleben teilzunehmen. Die wesentlichen Griffe, die eine menschliche Hand in der Lage ist auszuführen, sind der sogenannte Flaschengriff, der Hakengriff, der Pinzettengriff und der Kugelgriff.A hand prosthesis should not only allow the essential usual movements of a human hand, but in particular allow the prosthesis wearer also participate in working life. The essential handles that a human hand is able to perform are the so-called bottle handle, the hook handle, the tweezer handle and the ball handle.
Prothesen, die die oben genannten Griffarten teilweise beherrschen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise aus der
Darüber hinaus sind sogenannte ”Sonntagshände” bekannt, die Tätigkeiten zulassen, so wie sie im häuslichen Bereich benötigt werden wie der Lateralgriff, um flächige Gegenstände zu halten oder der Palmalgriff, um beispielsweise Schreibgeräte zu halten. Darüber hinaus arbeitet die Wissenschaft an der Herstellung sogenannter myoelektrischer Hände, die in ihrer Erscheinungsform den menschlichen Händen nachgebildet sind, insbesondere im Hinblick auf ein der Haut ähnliches Oberflächenmaterial und auch hinsichtlich ihrer Funktionsweise. Die Fingerbewegungen werden durch kleine Elektromotoren, Sensoren und feinwerktechnische Getriebe gesteuert, die ihre Steuersignale aus Anspannungszuständen der Unterarmmuskeln beziehen und bestimmte Signale für eine bestimmte Greifart ausführen können. Aus diesem feinmechanischen Aufbau ergibt sich eine Haltekraft von etwa 10 kg, allerdings auch eine starke Abhängigkeit der Oberflächenströme von Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen in der Umgebung. Nachteilig ist darüber hinaus, dass derartige Handprothesen sehr teuer sind. Hinzu kommen hohe jährliche Wartungs- und Instandsetzungskosten. Allein aufgrund des Kostenrahmens ist der Einsatz solcher Handprothesen durchaus beschränkt; ganz sicher ist, dass solche Handprothesen nicht in Drittweltländer exportiert werden können, da sich solche Preise dort nicht realisieren lassen.In addition, so-called "Sunday hands" are known, the activities allow, as they are needed in the home, such as the Lateralgriff to hold flat objects or the Palmalgriff, for example, to hold writing instruments. In addition, science is working on the production of so-called myoelectric hands, which are modeled on the human hands in their appearance, in particular with regard to a skin-like surface material and also with respect to their functioning. The finger movements are controlled by small electric motors, sensors, and precision gears that can receive their control signals from forcing conditions of the forearm muscles and perform certain signals for a particular grip. From this fine mechanical structure results in a holding force of about 10 kg, but also a strong dependence of the surface currents of temperature and humidity fluctuations in the environment. Another disadvantage is that such hand prostheses are very expensive. There are also high annual maintenance and repair costs. Alone due to the cost, the use of such prosthetic hand is quite limited; It is quite certain that such hand prostheses can not be exported to third world countries, since such prices can not be realized there.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demzufolge darin, eine preiswerte und robuste Handprothese, insbesondere auch für schwere manuelle Tätigkeiten zur Verfügung zu stellen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Griffarten ermöglicht, so insbesondere den Flaschengriff, den Hakengriff, den Pinzettengriff, aber auch den Kugelgriff. Denn dies sind die Handbewegungen, die im Arbeitsleben üblicherweise bewerkstelligt werden müssen.The object underlying the invention is therefore to provide an inexpensive and robust hand prosthesis, especially for heavy manual activities available that allows a variety of different types of grip, so in particular the bottle handle, the hook handle, the tweezer handle, but also the ball handle. Because these are the hand movements that usually have to be done in working life.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Handprothese vorgeschlagen, wobei die Handprothese mehrere Finger und einen Daumen umfasst, wobei die Finger und der Daumen an einem Handgehäuse gelenkig angelenkt sind, wobei in dem Handgehäuse eine drehbare Welle vorgesehen ist, deren Achse sich quer zu der Anlenkung der Finger am Handgehäuse erstreckt, wobei die Welle ein Antriebsseilrad aufweist, das ein Wellenantriebsseil aufnimmt, wobei die Welle weiterhin zur Betätigung jedes Fingers und des Daumens jeweils ein Abtriebsseilrad zur Aufnahme jeweils eines Abtriebsseiles aufweist, wobei ein jedes Abtriebsseil mit jeweils einem Finger und einem Daumen in Verbindung steht, wobei zumindest die Abtriebsseilräder für die Finger elastisch mit der Welle in Verbindung stehen. Hieraus wird deutlich, dass sowohl jedem Finger als auch dem Daumen jeweils ein Antriebsteil zugeordnet ist. Durch eine zangenförmige Bewegung des Daumens mit dem Zeigefinger der Handprothese wird der sogenannte Pinzettengriff verwirklicht. Die Verwirklichung des Haken- sowie auch des Flaschengriffes wird ermöglicht, wenn sowohl die Finger als auch der Daumen eine gleichförmige sich schließende Bewegung ausführen. Problematisch ist die Verwirklichung des sogenannten Kugelgriffes. Der Kugelgriff ist ein Griff, bei dem zum Erfassen eines Gegenstandes beispielsweise eines Apfels oder eines Balles zumindest die einzelnen Finger einen jeweils unterschiedlichen Greifweg zurücklegen, eben bedingt durch die äußere Kontur des zu ergreifenden Gegenstandes, beispielsweise eines Apfels. Wären die Finger und der Daumen durch die Welle starr verbunden, dann würden die einzelnen Finger bei Rotation der Welle immer den gleichen Greifweg zurücklegen, was bewirkt, dass beispielsweise ein Hakengriff verwirklicht werden kann oder auch der Flaschengriff, wie er erforderlich ist, um zylindrische Gegenstände zu erfassen, nicht aber der Kugelgriff. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Abtriebsseilräder zumindest für die Finger jeweils elastisch mit der Welle in Verbindung stehen, wird erreicht, dass bei einer Drehung der Welle um einen bestimmten Winkel die einzelnen Finger bei Auftreffen auf den Gegenstand unterschiedliche Greifwege zurücklegen können. Dies ist bedingt durch die elastische Lagerung der Abtriebsseilrollen für die Finger der Handprothese auf der Welle. In diesem Zusammenhang ist wesentlich zu erwähnen, dass eine solche elastische Lagerung des Daumens als Gegenhalter nicht erforderlich ist; wenn die Finger selbst elastisch gelagert sind, ist dies ausreichend, um den Kugelgriff zu verwirklichen.To achieve the object, a hand prosthesis is proposed according to the invention, wherein the hand prosthesis comprises a plurality of fingers and a thumb, wherein the fingers and the thumb are articulated hinged to a hand housing, wherein in the hand housing, a rotatable shaft is provided, whose axis is transverse to the articulation the finger extends to the hand housing, the shaft having a drive pulley receiving a shaft drive cable, the shaft further having a driven pulley for receiving each of the finger and the thumb for receiving a respective drive cable, each drive cable having a finger and a thumb is in communication, wherein at least the driven pulleys for the fingers are elastically connected to the shaft. From this it is clear that both each finger and the thumb are each assigned a drive part. By a forceps-shaped movement of the thumb with the index finger of the hand prosthesis of the so-called tweezers handle is realized. The realization of the hook as well as the bottle handle is made possible when both the fingers and the thumb make a smooth, closing movement. The problem is the realization of the so-called ball handle. The ball handle is a handle in which, for detecting an object such as an apple or a ball at least the individual fingers cover each a different gripping path, just due to the outer contour of the object to be gripped, for example an apple. If the fingers and the thumb were rigidly connected by the shaft, then the individual fingers would always travel the same gripping path as the shaft rotates, causing, for example, a hook handle to be realized, or the bottle handle, as required, to cylindrical objects to capture, but not the ball handle. Due to the fact that according to the invention the output cable wheels are elastically connected with the shaft at least for the fingers, it is achieved that during a rotation the wave can cover different gripping paths by a certain angle the individual fingers when hitting the object. This is due to the elastic mounting of the driven pulleys for the fingers of the hand prosthesis on the shaft. In this context, it is important to mention that such an elastic support of the thumb is not required as a counter-holder; if the fingers themselves are elastically mounted, this is sufficient to realize the ball handle.
Vorteilhafte Merkmale zu der Erfindung und weitere Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous features of the invention and further embodiments can be found in the dependent claims.
So ist insbesondere zur elastischen Verbindung zwischen dem Abtriebsseilrad und der Welle ein Kissen aus einem Elastomer vorgesehen.Thus, a cushion made of an elastomer is provided in particular for the elastic connection between the driven pulley and the shaft.
Weiterhin weist die Welle im Bereich des Abtriebsseilrades einen vieleckigen Abschnitt auf, wobei das Kissen auf dem vieleckigen Abschnitt aufliegt. Entsprechend ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung das jeweilige Abtriebsseilrad im Bereich des Durchtritts der Welle ebenfalls vieleckig ausgebildet, sodass das Kissen zu beiden Seiten in einer vieleckigen Aufnahme aufliegt. Anstelle eines Kissens aus einem Elastomer ist auch der Einsatz einer Feder, z. B. einer Spiralfeder, möglich.Furthermore, the shaft in the region of the driven pulley on a polygonal section, wherein the cushion rests on the polygonal section. Accordingly, according to a further feature of the invention, the respective driven pulley in the region of the passage of the shaft is also polygonal, so that the pad rests on both sides in a polygonal receptacle. Instead of a pad made of an elastomer and the use of a spring, for. B. a coil spring, possible.
Nach einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung weist ein Finger mehrere Fingerglieder auf, die untereinander gelenkig verbunden sind. Durch die Verwendung mehrerer Fingerglieder und hier insbesondere dreier Fingerglieder, wie dies von der natürlichen Hand auch bekannt ist, wird die Greifbewegung insgesamt genauer, was die Möglichkeit eröffnet, auch kleine Gegenstände vollständig zu umgreifen. In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass das Abtriebsseil zur Betätigung des jeweiligen Fingers auf der Innenseite der Handprothese in den Fingergliedern verläuft. Das heißt, dass das Abtriebsseil unterhalb der Gelenke, durch die die einzelnen Fingerglieder miteinander in Verbindung stehen in den Fingergliedern verlaufend angeordnet ist.According to an advantageous feature of the invention, a finger on several phalanges, which are hinged together. By using multiple phalanges, and in particular three phalanges, as is also known from the natural hand, the gripping movement is more accurate overall, which opens up the possibility to fully embrace even small objects. In this context, it is provided in particular that the output cable for operating the respective finger runs on the inside of the hand prosthesis in the phalanges. That is, the output cable below the joints through which the individual phalanges are communicated with each other is arranged to extend in the phalanges.
Um zu gewährleisten, dass die Finger und auch die einzelnen Fingerglieder nach Entlastung des jeweiligen Abtriebsseiles in ihre Ausgangsstellung, d. h. eine möglichst gestreckte Stellung zurückgehen, ist vorgesehen, dass die einzelnen Fingerglieder durch Federelemente miteinander in Verbindung stehen. Gleiches gilt für die Anlenkung des Fingers insgesamt an dem Handgehäuse insofern, als auch dort eine Feder vorgesehen ist, die die Rückstellbewegung bewirkt. In gleicher Weise, wie die Ausbildung der Finger getroffen worden ist, gilt dies auch für den Daumen. Auch der Daumen weist mehrere Daumenglieder auf, die untereinander gelenkig verbunden sind. Auch das Antriebsseil zur Betätigung des Daumens verläuft im Bereich der Innenseite der Handprothese in den einzelnen Daumengliedern, wobei auch die einzelnen Daumenglieder sowie der Daumen selbst durch Federelemente miteinander in Verbindung stehen. Die Federelemente sind hierbei vorteilhaft als Spiralfedern ausgebildet, und hier insbesondere als sogenannte Schenkelfedern vorgesehen.To ensure that the fingers and the individual phalanxes after relief of the respective output cable in its initial position, d. H. go back as possible a stretched position, it is provided that the individual phalanges are connected by spring elements with each other. The same applies to the articulation of the finger as a whole on the hand housing insofar as there is provided a spring which causes the return movement. In the same way as the training of the fingers has been made, this also applies to the thumb. The thumb also has several thumb members, which are hinged together. Also, the drive cable for actuating the thumb extends in the region of the inside of the hand prosthesis in the individual thumb members, wherein the individual thumb members and the thumb itself are connected by spring elements. The spring elements are advantageously designed as spiral springs, and provided here in particular as so-called leg springs.
Nach einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist der Daumen seitlich verschwenkbar an dem Handgehäuse angeordnet. Durch eine Verschwenkung des Daumens seitlich um bis zu 90°C wird einerseits bewirkt, dass der Daumen zwischen den Fingern eintauchen kann und insofern ein sogenanntes momentfreies Greifen, beispielsweise von zylindrischen Körpern verwirklicht wird. Auch ist durch die Verschwenkung des Daumens und Zeigefinger aufeinander zu die Verwirklichung des sogenannten Pinzettengriffes möglich. Durch die Verschwenkung des Daumens nach außen, d. h. in einen Bereich außerhalb des eigentlichen Griffes ist die Verwirklichung des Hakengriffes möglich, was beispielsweise erforderlich ist, wenn der Griff eines Eimers erfasst werden soll.According to another particular feature of the invention, the thumb is arranged laterally pivotable on the hand housing. By a pivoting of the thumb laterally up to 90 ° C on the one hand causes the thumb can dive between the fingers and insofar as a so-called torque-free gripping, for example, is realized by cylindrical bodies. Also, by the pivoting of the thumb and forefinger toward each other to the realization of the so-called tweezers handle possible. By the pivoting of the thumb to the outside, d. H. in an area outside the actual handle, the realization of the hook handle is possible, which is required, for example, when the handle of a bucket to be detected.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Finger und der Daumen in jeder Lage feststellbar sind. Die Verwirklichung dieses Merkmals ist insbesondere von Interesse, wenn ein Gewicht über eine bestimmte Zeit zum Beispiel mit einem Hakengriff transportiert werden soll.Another feature of the invention is characterized in that the fingers and the thumb are detectable in any position. The realization of this feature is of particular interest when a weight is to be transported over a certain time, for example with a hook grip.
Die Betätigung der Handprothese wird durch eine Bewegung des Körpers, und hier insbesondere des Schulterbereichs des Arms, an dem die Handprothese durch einen Unterarmadapter angeordnet ist, relativ zur Handprothese bewirkt. Das heißt, das Wellenantriebsseil steht mit dem Körper des Prothesenträgers derart in Verbindung, dass bei Bewegung des Oberkörpers relativ zur Handprothese das Wellenantriebsseil gezogen oder nachgelassen wird, mithin die Finger in die Griffstellung übergehen oder in die gestreckte Stellung. Im Einzelnen wird dies dadurch bewerkstelligt, dass ein Schultergurt vorgesehen ist, der mit dem Wellenantriebsseil in Verbindung steht.The operation of the hand prosthesis is effected by a movement of the body, and in particular of the shoulder region of the arm, on which the hand prosthesis is arranged by a forearm adapter, relative to the hand prosthesis. That is, the shaft drive cable communicates with the body of the prosthesis wearer in such a way that when moving the upper body relative to the hand prosthesis, the shaft drive rope is pulled or released, thus pass the fingers in the grip position or in the extended position. Specifically, this is accomplished by providing a shoulder strap that communicates with the shaft drive cable.
Durch die Feststellbarkeit sowohl der Finger als auch des Daumens wird nun ermöglicht, dass nach Aufnahme einer bestimmten Last, beispielsweise durch Ergreifen des Griffes einer Aktentasche durch eine Bewegung des Schulterbereichs nach hinten, nach Arretierung der Finger und des Daumens der Prothesenträger die Schulter in die Ausgangsstellung zurückbringen kann, ohne dass sich der Griff löst. In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass die Welle eine Außenverzahnung aufweist, in die ein Riegel einschiebbar ist. Dieser Riegel sitzt auf dem Handgehäuse auf und verhindert insofern ein Drehen der Welle.By the detectability of both the fingers and the thumb it is now possible that after receiving a certain load, for example by grasping the handle of a briefcase by a movement of the shoulder area to the rear, after locking the fingers and the thumb of the prosthesis wearer's shoulder in the starting position can bring back without loosening the handle. In this context, it is particularly provided that the shaft has an external toothing, in which a bolt can be inserted. This latch sits on the hand-held housing and thus prevents rotation of the shaft.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Fingerkuppen des jeweiligen Finger- oder Daumengliedes ein Elastomerkissen aufweisen, um eine sichere Erfassung auch von Gegenständen mit glatter Oberfläche zu ermöglichen. Another feature of the invention is characterized in that the fingertips of the respective finger or thumb member have an elastomeric pad to allow safe detection of even objects with a smooth surface.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.With reference to the drawings, the invention will be explained in more detail below by way of example.
Aus
Die Handprothese
Neben den zuvor genannten Abtriebsseilrädern
Die Art der Ausbildung der Finger gibt sich in Anschauung von
Der Daumen
Der Kugelgriff wird in der Stellung des Daumens gemäß
Die Arretierung sowohl der Finger als auch des Daumens ergibt sich in Anschauung von
Die Fingerkuppen der Fingerglieder
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Unterarmadapterforearm adapter
- 88th
- Verbindungsseilconnecting cable
- 1010
- Handprothesehand prosthesis
- 1111
- Wellen- oder AntriebsseilShaft or drive rope
- 1313
- Wellewave
- 13a13a
- vieleckiger Abschnittpolygonal section
- 1515
- AntriebsseilradAntriebsseilrad
- 15a15a
- Nutgroove
- 1717
- AbtriebsseilradAbtriebsseilrad
- 1717
- Abtriebsseiloutput wire
- 1818
- AbtriebsseilradAbtriebsseilrad
- 18a18a
- Abtriebsseiloutput wire
- 1919
- AbtriebsseilradAbtriebsseilrad
- 19a19a
- Abtriebsseiloutput wire
- 2121
- Fingerfinger
- 21a21a
- Fingergliedphalanx
- 21b21b
- Fingergliedphalanx
- 21c21c
- Fingergliedphalanx
- 2222
- Fingerfinger
- 22a22a
- Fingergliedphalanx
- 22b22b
- Fingergliedphalanx
- 22c22c
- Fingergliedphalanx
- 2323
- Fingerfinger
- 23a23a
- Fingergliedphalanx
- 23b23b
- Fingergliedphalanx
- 23c23c
- Fingergliedphalanx
- 2525
- AbtriebsseilradAbtriebsseilrad
- 25a25a
- Abtriebsseiloutput wire
- 2727
- Daumenthumb
- 27a27a
- DaumengliedDaum link
- 27b27b
- DaumengliedDaum link
- 27c27c
- DaumengliedDaum link
- 2828
- Spiralfederspiral spring
- 2929
- Elastomerkissenelastomeric pad
- 29a29a
- Durchtrittpassage
- 3333
- Gelenkejoints
- 3535
- SchenkelfederLeg spring
- 35a35a
- Schenkel der SchenkelfederThighs of thigh feather
- 4040
- Pfeilarrow
- 4545
- Pfeilarrow
- 5050
- Riegelbars
- 5151
- Verzahnunggearing
- 5555
- Verzahnunggearing
- 5656
- Schiebegliedpusher member
- 5858
- Pfeilarrow
- 6060
- Elastomerauflage (Fingerkuppe)Elastomer support (fingertip)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20121214 |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |