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Dokumentenidentifikation DE102009051568A1 28.04.2011
Titel Mechanische Vorrichtung zur Arbeitserleichterung, Fahrradantrieb bzw. Exoskelett
Anmelder Universität Stuttgart Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, Forschungs- und Lehrgebiet Technisches Design, 70569 Stuttgart, DE
Erfinder Maier, Thomas, Prof. Dr.-Ing., 72669 Unterensingen, DE;
Petrov, Aleko, Dipl.-Ing., 70374 Stuttgart, DE;
Kostadinov, Metodi, 70176 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 23.10.2009
DE-Aktenzeichen 102009051568
Offenlegungstag 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse B62M 3/06  (2006.01)  A,  F,  I,  20091023,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die mechanischen Vorrichtungen zur Arbeitserleichterung, Fahrradantrieb bzw. Exoskelett sind dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion der Vorrichtung kinematisch optimiert und an den biomechanischen Gegebenheiten des Menschen angepasst ist, mit dem Ziel:
- Leistungsspitzen zu vermeiden
- Wirkungsgrad zu erhöhen
- Gelenke zu entlasten
- Belastung gleichmäßig zu verteilen
- Kraftabgabe konstant zu halten.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem Viergelenk- bzw. Siebengelenkketten eingesetzt werden, die entweder das Pedal lagern, oder direkt angetrieben werden. Das Siebengelenk ist integriert und dadurch gekennzeichnet, dass die menschlichen Glieder als Teil der kinematischen Kette fungieren.

Beschreibung[de]

Bei diversen Aktivitäten und besonders bei schwerer Arbeit werden die Gelenke stark beansprucht. Je größer und ungleichmäßiger diese Beanspruchung ist, desto größer ist der Verschleiß und die Zerstörung der Gelenkstruktur.

Vorhandene mechanische Vorrichtungen zur Unterstützung der Arbeit verwenden entweder elektrische Leistung oder haben einen geringen mechanischen Wirkungsgrad. Mechanische Vorrichtungen, die geringen Wirkungsgrad haben, nutzen die eingesetzte Kraft nicht optimal aus. Oft entstehen Kraftspitzen und die Gelenke werden so ungleichmäßig belastet.

Geräte mit elektrischer Unterstützung (Elektrofahrräder oder elektrisch angetriebene Exoskelette) verfügen über geringe Einsatzdauer bedingt durch die begrenzte Batteriekapazität.

Die vorgestellten Vorrichtungen können rein mechanisch eine Unterstützung bzw. eine verbesserte Kraftübertragung durch optimale Hebelarmverhältnisse gewährleisten.

Das Bewegungsmuster des Fußes bei den vorgestellten Lösungen entspricht einer ergonomisch optimierten Tretbewegung. Die untere und obere Beinmuskulatur nehmen auf eine optimale Weise an der Antriebsbewegung teil, was für eine verbesserte Aufteilung der Beanspruchung sorgt.

Durch die verbesserte Kraftübertragung wird weniger Kraft für die Antriebsbewegung benötigt. Das sorgt für gezielte und meßbare Entlastung der beteiligten Gelenke und Muskel.


Anspruch[de]
Mechanische Vorrichtung, die zur Übertragung menschlicher Leistung dient,

dadurch gekennzeichnet,

dass

die Übertragungsfunktion der Vorrichtung kinematisch optimiert und an den biomechanischen Gegebenheiten des Menschen angepasst ist, mit dem Ziel:

– Leistungsspitzen zu vermeiden

– Wirkungsgrad zu erhöhen

– Gelenke zu entlasten

– Belastung gleichmäßig zu verteilen

– Kraftabgabe konstant zu halten

Am Beispiel eines Fahrradantriebs werden hier drei Lösungsansätze vorgestellt.
Mechanische Vorrichtung zur Erzeugung ergonomischer Bewegungsbahnen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet

dass

das Pedal auf der Koppel einer Viergelenkkette gelagert ist.

1.1 und 1.2 zeigen eine Viergelenkkette, die zur Erzeugung ergonomisch optimierten Bahnen verwendet wird. Diese kinematische Kette ist dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien zwischen den festen Gestelllagerpunkten und den Drehpunkten an der Koppel (4) sich schneiden. Der Bewegungsbahn kann vollständig oder teilweise für einen Antrieb ausgenutzt werden. Das Pedal (3) ist an der Koppel (4) drehbar gelagert und beschreibt, wie dargestellt, eine elliptische Bewegungskurve (7). Die Drehbewegung wird von einem der beiden gelagerten Gelenke abgegriffen und über konventionelle Kettenschaltung oder über einen Freilauf bei einer schwing- oder umlauffähige Bewegung nach hinten übertragen.
Mechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Erzeugung ergonomischer Bewegungsbahnen mittels Viergelenkketten:

In 2.1 ist die kinematische Struktur nur auf der rechten Seite eines Fahrrades in der höchsten Position dargestellt. Die umlauffähige Kurbel (2) ist über einen Freilauf mit einem Planetensatz-Nabengetriebe in (1) verbunden und drehbar an der Koppel (4) gelagert. Die Fußplatte (3) bewegt sich kinematisch mit dem Lenker (4). Über eine Winkeleinstellung kann sie aber in ihrer Lage gegenüber (4) eingestellt werden. Vorteilhaft ist die optimale Kraftübertragung und verhältnismäßig hohe Beteiligung der unteren Beinmuskulatur.

Der Schwinghebel (5) ist drehbar am Fahrradgestell gelagert und dadurch gekennzeichnet,

dass

er die Fußplatte (3) bzw. ihre Verlängerung (4) so steuert, dass ein vorderer Punkt der Fußplatte eine ovale Bewegungsbahn (9) beschreibt, die dadurch gekennzeichnet ist,

dass

sie eine größere geschlossene Fläche aufweist als die Bewegungsbahn von einem hinteren Punkt (8) auf der Koppel (4). Durch die verbesserte Kraftübertragung wird weniger Kraft für die Antriebsbewegung benötigt. Das sorgt für Entlastung der beteiligten Gelenke und Muskel. Dadurch, dass kein Kettenantrieb eingesetzt wird, soll auch kein Tretlager vorhanden sein, was mehr Freiheit für die Gestaltung des Fahrradrahmens gewährleistet.

In 2.2 ist die unterste Position der Kinematik dargestellt. Die Lage der Fußplatte (3) kann über eine Winkeleinstellung und über eine weitere Einstellung des Punktes (7) variiert werden. Weiterhin kann eine Anpassung der Geschwindigkeitsverteilung der Antriebsbewegung mit Änderung der Lage vom Punkt (7) erreicht werden.

3.1 und 3.2 zeigen die untere und obere Stellung einer weiteren Ausführung des gleichen Konzepts, wobei der Unterschied zur ersten Variante nur in der Lagerung der Schwinge (5) in (7) liegt. Die Lage von (7) ist entlang der Schwinge (5) relativ frei wählbar.
Eine Mehrgelenkkette ist nach Anspruch 1 an den unteren Beinextremitäten integriert und gewährleistet eine verbesserte Kraft und Momentenübertragung bei der Beug- und Streckarbeit des Beines.

4.1 (a) zeigt die geschlossene kinematische Kette mit sieben Drehpunkte und sechs Bauteile, die dadurch gekennzeichnet ist,

dass

die kinematischen Gelenke (12) und (23) im Bereich jeweils der Knie und Fußgelenk liegen. Weiterhin existieren folgende Verbindungen: Der Fuß ist mit dem Bauteil (3) fest oder einseitig kinematisch verbunden. Zwischen Unterschenkel und Bauteil (2) besteht auch eine feste oder einseitige Verbindung. Der Oberschenkel und Bauteil (1) sind auch fest oder einseitig miteinander verbunden. Die Lenker (4), (5) und (6) sind so angeordnet und drehbar gelagert, dass die kinematische Kette geschlossen wird. Im Drehpunkt (25) findet eine Einstellung zwischen (2) und (5) statt, um die kinematische Abhängigkeit zwischen Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß steuern zu können. Zwischen (1) und (6) befindet sich eine Federdämpfereinheit (7).

4.1 (b) und (c) zeigen zwei Lagen der kinematischen Kette, die Menschen bei verschiedenen Tätigkeiten nur mechanisch oder mechanisch und elektrisch unterstützen kann. 4.2 zeigt ein Beispiel eines Einsatzes des Exoskeletts beim Fahrradfahren.






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