DE102021117835A1 - Orthopedic joint device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil 10 und einem Unterteil 20, die um eine Gelenkachse 15 schwenkbar miteinander verbunden sind, mit einem Aktuator 30, der eine erste Aktuatorkomponente 31 und eine zweite Aktuatorkomponente 32 aufweist, die relativ zueinander verlagerbar sind, wobei die erste Aktuatorkomponente 31 an dem Oberteil 10 und die zweite Aktuatorkomponente 32 an dem Unterteil 20 gelagert ist, wobei eine Sperreinrichtung 40 einer der Aktuatorkomponenten 31, 32 oder einer an einer der Aktuatorkomponenten 31, 32 gelagerten Kopplungskomponente 33 zugeordnet ist, die Sperreinrichtung 40 sperrt in einer Bewegungsrichtung eine Relativbewegung der Aktuatorkomponente 31, 32 oder der Kopplungskomponente 33 zu der Sperreinrichtung 40 und lässt eine Relativbewegung in entgegengesetzter Richtung zu. The invention relates to an orthopedic joint device with an upper part 10 and a lower part 20, which are connected to one another so that they can pivot about a joint axis 15, with an actuator 30, which has a first actuator component 31 and a second actuator component 32, which can be displaced relative to one another, the first actuator component 31 is mounted on the upper part 10 and the second actuator component 32 is mounted on the lower part 20, with a locking device 40 being assigned to one of the actuator components 31, 32 or to a coupling component 33 mounted on one of the actuator components 31, 32, the locking device 40 locking in one Direction of movement relative movement of the actuator component 31, 32 or the coupling component 33 to the locking device 40 and allows a relative movement in the opposite direction.
Description
Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Gelenkachse schwenkbar miteinander verbunden sind, mit einem Aktuator, der eine erste Aktuatorkomponente und eine zweite Aktuatorkomponente aufweist, die relativ zueinander verlagerbar sind, wobei die erste Aktuatorkomponente an dem Oberteil und die zweite Aktuatorkomponente an dem Unterteil gelagert ist. Der Aktuator kann einen Widerstand gegen eine Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil bereitstellen, ggf. diese Verschwenkung komplett unterbinden.The invention relates to an orthopedic joint device with an upper part and a lower part which are connected to one another so that they can pivot about a joint axis, with an actuator which has a first actuator component and a second actuator component which can be displaced relative to one another, the first actuator component being attached to the upper part and the second actuator component is mounted on the lower part. The actuator can provide a resistance to pivoting of the upper part relative to the lower part, if necessary completely prevent this pivoting.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen sind insbesondere Orthesen oder Prothesen, die ein Oberteil und einem gelenkig daran gelagertes Unterteil aufweisen. Bei Orthesen werden das Oberteil und das Unterteil an einer noch vorhandenen Gliedmaße festgelegt, beispielsweise durch Schalen, Gurte, Riemen, Manschetten oder andere Befestigungseinrichtungen. Über Orthesen können Bewegungen geführt, Verschwenkung um eine Gelenkachse begrenzt, Verschwenkbewegungen verhindert oder eine Ausrichtung von Gliedmaßen zueinander unterstützt oder festgelegt werden. Darüber hinaus können Orthesen mit Brems- oder Dämpferelementen versehen sein, um eine Verschwenkbewegung um die Gelenkachse zu bremsen, dämpfen oder zu blockieren. Die Brems- oder Dämpfereinrichtungen können mit einer Steuerung versehen sein, sodass in Abhängigkeit von Sensordaten eine veränderte Dämpfung in Flexionsrichtung und/oder Extensionsrichtung bereitgestellt werden kann. Ebenfalls ist es bekannt, Kraftspeicher dem Oberteil bzw. dem Unterteil zuzuordnen, sodass eine Bewegungsunterstützung über eine Freigabe der gespeicherten Energie aus dem Kraftspeicher erfolgen kann.Orthopedic joint devices are, in particular, orthoses or prostheses that have an upper part and a lower part that is articulated to it. In the case of orthoses, the upper part and the lower part are fixed to a limb that is still present, for example by means of shells, straps, straps, cuffs or other fastening devices. Orthoses can be used to guide movements, limit pivoting about a joint axis, prevent pivoting movements, or support or fix the alignment of limbs to one another. In addition, orthoses can be provided with braking or damping elements in order to brake, dampen or block a pivoting movement about the joint axis. The braking or damping devices can be provided with a controller so that a modified damping in the direction of flexion and/or direction of extension can be provided depending on sensor data. It is also known to assign an energy storage device to the upper part or the lower part, so that movement can be supported by releasing the stored energy from the energy storage device.
Prothesen ersetzen eine nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gliedmaße und dienen zur Bereitstellung einer Funktionalität, die der Funktionalität der natürlichen Gliedmaße möglichst angenähert ist. Darüber hinaus dienen Prothesen dazu, ein möglichst natürliches Erscheinungsbild für den Prothesennutzer bereitzustellen. Ein Prothesenoberteil ist beispielsweise als ein Prothesenschaft oder als eine an einem Prothesenschaft befestigte Komponente ausgebildet, bei der der Prothesenschaft zur Festlegung an einer Gliedmaße oder einem Gliedmaßenstumpf dient. Das Prothesengelenk, beispielsweise ein Prothesenkniegelenk, ein Prothesenknöchelgelenk oder ein Prothesen-Ellenbogengelenk, verbindet das Oberteil mit einem Unterteil, das wiederum weitere prothetische Komponenten aufweisen kann, beispielsweise ein Unterschenkelrohr, einen Prothesenfuß oder eine Prothesenhand.Prostheses replace a non-existent or no longer existing limb and serve to provide a functionality that is as close as possible to the functionality of the natural limb. In addition, prostheses serve to provide the most natural possible appearance for the prosthesis user. An upper part of a prosthesis is designed, for example, as a prosthesis socket or as a component fastened to a prosthesis socket, in which case the prosthesis socket is used for fixing to a limb or a limb stump. The prosthetic joint, for example a prosthetic knee joint, a prosthetic ankle joint or a prosthetic elbow joint, connects the upper part to a lower part, which in turn can have further prosthetic components, for example a lower leg tube, a prosthetic foot or a prosthetic hand.
Insbesondere bei Orthesenkniegelenken und Prothesenkniegelenken sind zwischen dem Oberteil und dem Unterteil Dämpfer, insbesondere hydraulische Dämpfer, oder Widerstandseinrichtungen angeordnet, die auf Grundlage von Sensordaten unterschiedliche Widerstände in einzelnen Gangsituationen bereitstellen. Solche Widerstandseinrichtungen sind häufig als Linearaktuatoren ausgebildet, die einen definierten Widerstand gegen eine Flexionsbewegung oder Extensionsbewegung bereitstellen. Der Widerstand wird durch eine Veränderung der Stellung von Ventilen verändert. Bei der Verringerung des Strömungsquerschnittes erhöht sich der entsprechende Widerstand gegen eine Bewegung. Solche Stellventile, die beispielsweise für die Standphasendämpfung eingesetzt werden, können mechatronisch über Servoventile oder mechanisch über ein Drosselventil eingestellt werden. In der Schwungphase werden dagegen andere Widerstände benötigt, was meist durch eine Änderung des Strömungsquerschnitts in einem der Ventile erreicht wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Extensionsbewegung stets möglich ist, auch wenn eine Sperrung oder hohe Dämpfung einer Flexionsbewegung als Standardkonfiguration im Notfall aus Sicherheitsgründen anzustreben ist. Bei fluiddynamischen Systemen wir dies meist über Rückschlagventile realisiert.In particular in the case of orthotic knee joints and prosthetic knee joints, dampers, in particular hydraulic dampers, or resistance devices are arranged between the upper part and the lower part, which provide different resistances in individual gait situations on the basis of sensor data. Such resistance devices are often designed as linear actuators that provide a defined resistance to a flexion movement or extension movement. The resistance is changed by changing the position of valves. When the flow cross-section is reduced, the corresponding resistance to movement increases. Such control valves, which are used, for example, for damping the stance phase, can be adjusted mechatronically via servo valves or mechanically via a throttle valve. In the swing phase, on the other hand, other resistances are required, which is usually achieved by changing the flow cross section in one of the valves. In particular, it is provided that an extension movement is always possible, even if blocking or high damping of a flexion movement is to be aimed at as the standard configuration in an emergency for safety reasons. In the case of fluid dynamic systems, this is usually implemented using non-return valves.
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfach funktionierende, kostengünstige orthopädietechnische Gelenkeinrichtung bereitzustellen, mit der die wesentlichen Funktionalitäten sicher verwirklicht werden können.The object of the present invention is to provide a simply functioning, cost-effective orthopedic joint device with which the essential functionalities can be reliably implemented.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.According to the invention, this object is achieved by an orthopedic joint device with the features of the main claim. Advantageous refinements and developments of the invention are disclosed in the dependent claims, the description and the figures.
Die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Gelenkachse schwenkbar miteinander verbunden sind, mit einem Aktuator, der eine erste Aktuatorkomponente und eine zweite Aktuatorkomponente aufweist, die relativ zueinander verlagerbar sind, wobei die erste Aktuatorkomponente an dem Oberteil und die zweite Aktuatorkomponente an dem Unterteil gelagert ist und der Aktuator ggf. einen Widerstand gegen eine Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil bereitstellt, sieht vor, dass eine Sperreinrichtung einer der Aktuatorkomponenten oder einer an einer der Aktuatorkomponenten gelagerten Kopplungskomponente zugeordnet ist, die Sperreinrichtung sperrt in einer Bewegungsrichtung eine Relativbewegung der Aktuatorkomponente oder der Kopplungskomponente zu der Sperreinrichtung und lässt eine Relativbewegung in entgegengesetzter Richtung zu. Dadurch wird gewährleistet, dass die Gelenkeinrichtung in der einen Bewegungsrichtung immer beweglich ist, also keine Sperrwirkung auftritt, in der entgegengesetzten Bewegungsrichtung jedoch eine Sperrwirkung möglich ist, insbesondere eine mechanische Sperre bereitgestellt wird. Die Sperrung, die beispielsweise im Rahmen einer Standphasensicherung notwendig ist, wird nicht über eine Umschaltung von Ventilen innerhalb der Hydraulikeinrichtung oder der anderen Widerstandseinrichtungen des Aktuators bewirkt, sondern durch eine Fixierung der Anbindung einer Aktuatorkomponente relativ zu dem Oberteil bzw. dem Unterteil. Es wird also eine mechanische Sperre der Verlagerung einer Aktuatorkomponente bewirkt. Die Sperreinrichtung sperrt eine Bewegung dabei nur in genau einer Bewegungsrichtung und lässt eine Bewegung in die andere Bewegungsrichtung zu. Durch die serielle Anordnung der Sperreinrichtung und der Aktuatorkomponente kann, bei einer schaltbaren Sperreinrichtung, die Wirkung der Aktuatorkomponente aktiviert werden, mit einer blockierenden Sperreinrichtung, oder deaktiviert werden, nämlich mit einer freigeschalteten Sperreinrichtung. Damit können die wesentlichen Funktionalitäten eines prothetischen oder orthetischen Kniegelenks sicher verwirklicht werden, insbesondere das Bereitstellen einer sicheren Standphase und einer dynamischen Schwungphase.The orthopedic joint device with an upper part and a lower part, which are connected to each other so that they can pivot about a joint axis, with an actuator, which has a first actuator component and a second actuator component, which can be displaced relative to one another, the first actuator component on the upper part and the second actuator component is mounted on the lower part and the actuator provides a resistance to pivoting of the upper part relative to the lower part, provides that a blocking device is assigned to one of the actuator components or to a coupling component mounted on one of the actuator components, the blocking device blocks a movement in one direction Relative movement of the actuator component or the coupling component to the locking device and allows a relative movement in the opposite direction. This ensures that the joint device is always movable in one direction of movement, ie no locking effect occurs, but that a locking effect is possible in the opposite direction of movement, in particular a mechanical lock is provided. The blocking, which is necessary for example when securing a stance phase, is not effected by switching valves within the hydraulic device or the other resistance devices of the actuator, but by fixing the connection of an actuator component relative to the upper part or the lower part. A mechanical blocking of the displacement of an actuator component is thus effected. The blocking device blocks a movement in exactly one direction of movement and allows a movement in the other direction of movement. Due to the serial arrangement of the blocking device and the actuator component, in the case of a switchable blocking device, the effect of the actuator component can be activated with a blocking blocking device or deactivated, namely with an unlocked blocking device. The essential functionalities of a prosthetic or orthotic knee joint can thus be reliably implemented, in particular the provision of a secure stance phase and a dynamic swing phase.
In einer Ausgestaltung ist eine Aktuatorkomponente beweglich an dem Oberteil oder dem Unterteil gelagert, insbesondere verschwenkbar, wobei die Aktuatorkomponente sowohl als Linearaktuator als auch als Rotationsaktuator ausgestaltet sein kann und optional über eine Widerstandseinrichtung verfügt. Die Sperreinrichtung sperrt dabei die bewegliche Lagerung des Oberteils oder Unterteils entweder relativ zu der Lagerungsstelle an dem Oberteil bzw. Unterteil oder aber relativ zu dem entgegengesetzten Teil der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, an der die andere Aktuatorkomponente oder eine Widerstandseinrichtung gelagert ist.In one embodiment, an actuator component is movably mounted on the upper part or the lower part, in particular pivotable, wherein the actuator component can be designed both as a linear actuator and as a rotary actuator and optionally has a resistance device. The blocking device blocks the movable mounting of the upper part or lower part either relative to the mounting point on the upper part or lower part or relative to the opposite part of the orthopedic joint device on which the other actuator component or a resistance device is mounted.
Die beweglich gelagerte Aktuatorkomponente ist in einer Ausgestaltung in einer Führung geführt, beispielsweise in einem Langloch, in einem Bogen, einer Kulisse oder eine Teleskopführung, die nicht linear ausgebildet zu sein braucht. Die Sperrung der Beweglichkeit der Aktuatorkomponente in dieser Führung erfolgt über die Sperreinrichtung.In one configuration, the movably mounted actuator component is guided in a guide, for example in a slot, in an arc, in a connecting link or a telescopic guide, which need not be of linear design. The mobility of the actuator component in this guide is blocked via the blocking device.
Die Kopplungskomponente kann über ein Federelement gegenüber einer Aktuatorkomponente abgestützt sein. Das Federelement kann als Wendelfeder, Spiralfeder, Tellerfeder, Elastomer, Gaskissen, Druckspeicher oder ein anderes mechanisches oder pneumatisches Energiespeicherelement ausgebildet sein, das in der Lage ist, Verformungskräfte aufzunehmen und in entgegengesetzter Richtung wieder abzugeben. Dieses Federelement wirkt entgegen der Sperrrichtung und ermöglicht auch bei einer Sperrung einer Relativverlagerung der Aktuatorkomponente eine Kompression und damit eine begrenzte Rotation um die Gelenkachse, sodass beispielsweise bei Ausgestaltung als Prothesenkniegelenk oder Orthesenkniegelenk bei einer aktivierten Sperreinrichtung ein geringer Flexionsweg im Rahmen der Standphasenflexion bereitgestellt werden kann, da das Federelement komprimiert wird und damit die Verschwenkung von Oberteil zu Unterteil ermöglicht. Alternativ kann die Kopplungskomponente auch über ein Dämpferelement, beispielsweise einen hydraulischen, magnetorheologischen oder pneumatischen Dämpfer gegenüber der Aktuatorkomponente abgestützt seinThe coupling component can be supported by a spring element in relation to an actuator component. The spring element can be designed as a helical spring, spiral spring, disc spring, elastomer, gas cushion, pressure accumulator or another mechanical or pneumatic energy storage element that is able to absorb deformation forces and release them again in the opposite direction. This spring element acts in the opposite direction to the blocking direction and, even when a relative displacement of the actuator component is blocked, enables compression and thus limited rotation about the joint axis, so that, for example when configured as a prosthetic knee joint or orthotic knee joint, with an activated blocking device, a small flexion path can be provided within the scope of the stance phase flexion. since the spring element is compressed and thus allows pivoting from the upper part to the lower part. Alternatively, the coupling component can also be supported in relation to the actuator component via a damper element, for example a hydraulic, magnetorheological or pneumatic damper
In einer Ausgestaltung ist die Sperreinrichtung schaltbar ausgebildet und von einer Sperrstellung in eine Freigabestellung schaltbar, in der eine Relativbewegung der Aktuatorkomponenten in beiden Richtungen möglich ist. Dadurch ist es möglich, die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung zur Beeinflussung einer Bewegung entsprechend zu schalten oder zu steuern. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der Aktuator einen Widerstand gegen eine Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil bereitstellt.In one embodiment, the blocking device is switchable and can be switched from a blocking position to a release position, in which a relative movement of the actuator components in both directions is possible. This makes it possible to correspondingly switch or control the orthopedic joint device for influencing a movement. This is possible in particular when the actuator provides a resistance to pivoting of the upper part relative to the lower part.
Dem Aktuator kann ein Federelement zugeordnet sein, das in einer Ausgestaltung über die Sperreinrichtung zuschaltbar ist. Dadurch kann der Aktuator parallel zu dem Federelement oder in Serie zu dem Federelement geschaltet werden.A spring element can be assigned to the actuator, which in one embodiment can be switched on via the blocking device. As a result, the actuator can be connected in parallel with the spring element or in series with the spring element.
Die Sperreinrichtung kann über ein Federelement gegenüber einer Aktuator Komponente abgestützt sein, wobei das Federelement entgegen der Sperreinrichtung wirkt.The locking device can be supported by a spring element in relation to an actuator component, with the spring element acting against the locking device.
In einer Ausgestaltung weist die Sperreinrichtung eine Betätigungseinrichtung auf, die die Sperreinrichtung außer Eingriff mit der Aktuatorkomponente und/oder der Kopplungskomponente hält oder die Sperreinrichtung außer Eingriff mit einer dieser Komponenten oder mit beiden Komponenten bewegt. Ein Stellelement für diese Betätigungseinrichtung kann als motorischer Antrieb ausgebildet sein, beispielsweise als ein Elektromotor, ein Piezoelement, als ein Solenoid oder ein anderer mechanischer Antrieb. Alternativ kann die Betätigungseinrichtung als ein von dem Nutzer manuell betätigtes oder betätigbares Element ausgebildet sein, beispielsweise als ein Hebel, als ein Seilzug, Bowdenzug, als Kolben oder dergleichen. Über die Betätigungseinrichtung ist die wahlweise Sperrung oder Freigabe der Sperreinrichtung zur Ermöglichung der Schwenkbewegung, insbesondere der Flexionsbewegung, möglich. Beispielsweise kann in bestimmten Bewegungssituationen oder Nutzungssituation eine Sperrung grundsätzlich unerwünscht sein, beispielsweise beim Sitzen, sodass eine dauerhafte Deaktivierung der Sperreinrichtung gewünscht ist. Bei einer Ausführung des Stellelementes als Bewegungsübertragungselement, beispielsweise Bowdenzug, Pneumatiksystem oder Hydrauliksystem, kann die Betätigungseinrichtung auch abhängig von der Bewegung anderer Gelenke am Körper, z.B. Knöchelgelenk, verstellt werden. Durch ein zwischengeschaltetes elastisches Element oder Dämpferelement kann die Betätigungskraft limitiert werden.In one embodiment, the locking device has an actuating device which keeps the locking device out of engagement with the actuator component and/or the coupling component or moves the locking device out of engagement with one of these components or with both components. A control element for this actuating device can be in the form of a motor drive, for example an electric motor, a piezoelectric element, a solenoid or another mechanical drive. Alternatively, the actuating device can be designed as an element that is manually actuated or can be actuated by the user, for example as a lever, as a cable pull, Bowden cable, as a piston or the like. The actuating device can be used to selectively block or release the blocking device to enable the pivoting movement, in particular the flexing movement. For example, in certain movement situations or usage situations, a blocking can be fundamentally undesirable, for example when sitting, so that a permanent deactivation of the blocking device is desired. If the actuating element is designed as a movement transmission element, for example a Bowden cable, pneumatic system or hydraulic system, the actuating device can also be adjusted depending on the movement of other joints in the body, e.g. the ankle joint. The actuating force can be limited by an interposed elastic element or damping element.
Die Sperreinrichtung weist in einer Ausgestaltung zumindest einen beweglich gelagerten Klemmkörper auf, über den es möglich ist, entweder die Aktuatorkomponente oder die Kopplungskomponente so zu sperren, sodass keine Relativbewegung zu dem Oberteil bzw. dem Unterteil ermöglicht wird.In one configuration, the blocking device has at least one movably mounted clamping body, via which it is possible to block either the actuator component or the coupling component in such a way that no relative movement to the upper part or the lower part is permitted.
Die Sperreinrichtung kann in Richtung auf eine Sperrstellung vorgespannt sein, beispielsweise über eine Druckfeder, Zugfeder, ein Elastomerelement, Druckspeicher oder auch über eine entsprechend orientierte Magnetkraft. Dadurch wird die Sperrstellung als Standardeinstellung vorgesehen, eine Freigabe ist dann nur durch die bewusste Verstellung des Betätigungselements, beispielsweise eine willentliche oder über einen Sensor gesteuerte, automatische Freigabebewegung möglich.The blocking device can be pretensioned in the direction of a blocking position, for example via a compression spring, tension spring, an elastomer element, pressure accumulator or via a correspondingly oriented magnetic force. As a result, the blocking position is provided as the standard setting, and release is then only possible through the deliberate adjustment of the actuating element, for example an automatic release movement that is voluntary or controlled by a sensor.
Die Aktuatorkomponente ist in einer Ausgestaltung als ein Gehäuse, beispielsweise ein Zylindergehäuse, eine Kolbenstange, ein Lagerbolzen, ein Teleskopführung oder eine Verlängerung ausgebildet. Sie kann an einem Bauteil an dem Gehäuse, der Kolbenstange, dem Lagerbolzen oder der Teleskopführung ausgebildet sein. An derjenigen Stelle, an der die Sperreinrichtung mit der Aktuatorkomponente in Eingriff tritt, können entsprechende Eingriffsbereiche oder Wechselwirkungsbereiche vorgesehen sein, die eine besonders gute Sperrwirkung der Sperreinrichtung in der Sperrstellung gewährleisten.In one configuration, the actuator component is designed as a housing, for example a cylinder housing, a piston rod, a bearing bolt, a telescopic guide or an extension. It can be formed on a component on the housing, the piston rod, the bearing bolt or the telescopic guide. At the point at which the locking device engages with the actuator component, corresponding engagement areas or interaction areas can be provided, which ensure a particularly good locking effect of the locking device in the locking position.
In einer Ausgestaltung ist das Kopplungselement als eine Hülse oder als ein Hebel ausgebildet, andere Kraftübertragungseinrichtungen zur mechanischen Weiterleitung von Kräften sind ebenfalls möglich.In one embodiment, the coupling element is designed as a sleeve or as a lever; other force transmission devices for mechanical transmission of forces are also possible.
Der Aktuator kann als Linearhydraulik, Rotationshydraulik, Elektromotor, magnetorheologischer Dämpfer, Pneumatik, Kupplung oder mechanische Widerstandseinrichtung ausgebildet sein.The actuator can be in the form of linear hydraulics, rotary hydraulics, an electric motor, a magnetorheological damper, pneumatics, a clutch or a mechanical resistance device.
In einer Ausgestaltung ist das Unterteil gegenüber dem Oberteil entgegen einer Relativbewegung in Sperrrichtung mit einer Federkraft vorgespannt und verschwenkbar gelagert.In one embodiment, the lower part is pre-stressed relative to the upper part against a relative movement in the blocking direction with a spring force and is pivotably mounted.
Die Sperreinrichtung kann insbesondere an der Komponente der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung angeordnet sein, an der die Aktuatorkomponente nicht unmittelbar gelagert ist. Ist beispielsweise bei einem linear wirkenden Hydraulikzylinder das Gehäuse an dem Oberteil und die Kolbenstange an dem Unterteil gelagert, ist die Sperreinrichtung an dem Oberteil gelagert und wirkt auf die Kolbenstange. Die Sperreinrichtung wirkt somit parallel zum Hydraulikzylinder, wodurch dessen Bewegung blockiert werden kann. Alternativ ist die Sperreinrichtung an dem Unterteil gelagert und wirkt auf das Kolbengehäuse. In diesem Fall wirkt die Sperreinrichtung seriell zum Hydraulikzylinder. Bei freigeschalteter Sperre wird verliert der Hydraulikzylinder die Verbindung zur Gelenkeinrichtung. Dadurch wird er im Kraftfluss überbrückt, wodurch eine freie Bewegung von Oberteil und Unterteil zueinander ermöglicht wird. Bei einer Sperrung einer beweglichen Lagerung wirkt die Sperreinrichtung an dem Ort, an dem die jeweilige Aktuatorkomponente oder die Kupplungskomponente angeordnet ist. Bei einer Lagerung der Kolbenstange in einem Langloch an dem Unterteil ist die Sperreinrichtung an dem Unterteil gelagert und sperrt eine Verlagerung der Lagerstelle an dem Unterteil.The blocking device can in particular be arranged on the component of the orthopedic joint device on which the actuator component is not mounted directly. If, for example, in the case of a linearly acting hydraulic cylinder, the housing is mounted on the upper part and the piston rod on the lower part, the locking device is mounted on the upper part and acts on the piston rod. The blocking device thus acts parallel to the hydraulic cylinder, as a result of which its movement can be blocked. Alternatively, the locking device is mounted on the lower part and acts on the piston housing. In this case, the blocking device acts in series with the hydraulic cylinder. When the lock is unlocked, the hydraulic cylinder loses the connection to the articulation device. As a result, it is bridged in the power flow, which allows free movement of the upper and lower parts in relation to one another. When a movable bearing is blocked, the blocking device acts at the location at which the respective actuator component or the clutch component is arranged. When the piston rod is mounted in a slot on the lower part, the blocking device is mounted on the lower part and blocks a displacement of the bearing point on the lower part.
Die Kopplungskomponente ist in einer Ausgestaltung über ein Dämpferelement, das insbesondere eine Festkörperdämpfung, eine hydraulische Dämpfung oder eine magnetorheologische Dämpfung bereitstellt, gegenüber einer Aktuatorkomponente abgestützt, wobei das Dämpferelement entgegen der Sperrrichtung wirkt. Alternativ ist auch ein elastisches Element, eine Pneumatik, eine mechanische Widerstandseinrichtung oder eine motorische Antriebseinheit als Abstützung der Kopplungskomponente denkbar.In one embodiment, the coupling component is supported in relation to an actuator component via a damping element, which in particular provides solid-state damping, hydraulic damping or magneto-rheological damping, with the damping element acting counter to the blocking direction. Alternatively, an elastic element, a pneumatic, a mechanical cal resistance device or a motorized drive unit conceivable as a support for the coupling component.
Der Sperreinrichtung ist in einer Variante ein Betätigungsmechanismus zugeordnet, über den die Sperrung aufhebbar ist, so dass eine freie oder nahezu freie Beweglichkeit bereitgestellt werden kann, wenn die Sperrung aufgehoben ist. Der Betätigungsmechanismus kann motorisch betrieben sein, ebenso ist eine magnetische oder manuelle Betätigung als alternativer Antrieb des Betätigungsmechanismus vorgesehen.In one variant, the blocking device is assigned an actuating mechanism, via which the blocking can be canceled, so that free or almost free mobility can be provided when the blocking is canceled. The actuating mechanism can be motor-operated, and magnetic or manual actuation is also provided as an alternative drive for the actuating mechanism.
Die zum Umschalten in den freien Zustand erforderliche Kraft an der Betätigungseinrichtung ist vorteilhafterweise gering, sofern keine Last entgegen der Sperrrichtung anliegt. Liegt hingegen eine Last entgegen der Sperrrichtung an, erhöht sich die zum Umschalten in den freien Zustand erforderliche Kraft an der Betätigungseinrichtung, insbesondere erhöht sich die erforderliche Kraft mit der Zunahme der Last.The force required to switch to the free state on the actuating device is advantageously low, provided no load is applied in the opposite direction to the blocking direction. If, on the other hand, a load is applied in the opposite direction to the blocking direction, the force required to switch to the free state on the actuating device increases, in particular the force required increases as the load increases.
Die durch die Betätigungseinrichtung aufgebrachte Kraft kann begrenzt sein oder begrenzbar, insbesondere einstellbar sein. Dadurch kann gewährleistet werden, dass keine ungewollte Umschaltung durch den Aktuator bei einem oder ab einem bestimmten Lastniveau erfolgt. Die Betätigungseinrichtung ist aufgrund der Leistungsbegrenzung nicht in der Lage, bei einer kritischen Last in die Freigabestellung zu schalten, was eine erhöhte Sicherheit gewährleistet.The force applied by the actuating device can be limited or can be limited, in particular it can be adjustable. It can thereby be ensured that the actuator does not switch unintentionally at or above a specific load level. Due to the power limitation, the actuating device is not able to switch to the release position at a critical load, which ensures increased safety.
Der Umstand, dass die von einer Betätigungseinrichtung aufzubringende Kraft an dem Betätigungselement einstellbar und begrenzbar ist, lässt sich zur Steuerung oder Anpassung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung verwenden. Über die eingestellte Betätigungskraft, die auch durch die Auswahl der Betätigungseinrichtung erfolgen kann, wird eine Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Umschalten in den freien Zustand bei Belastung entgegen der Sperrrichtung erreicht. Der Belastungszustand der Sperreinrichtung wird beispielsweise anhand des Zustands oder der Energieaufnahme der Betätigungseinrichtung erfasst oder abgeschätzt. Diese Art der Steuerung ist unabhängig von dem konkreten Aufbau der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung.The fact that the force to be applied by an actuating device on the actuating element can be adjusted and limited can be used to control or adapt the orthopedic joint device. About the set actuating force, which can also be done through the selection of the actuating device, security against unintentional switching to the free state when loaded against the blocking direction is achieved. The load condition of the locking device is detected or estimated, for example, based on the condition or the energy consumption of the actuating device. This type of control is independent of the specific structure of the orthopedic joint device.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 - zwei Darstellungen einer Gelenkeinrichtung; -
2 - eine Detaildarstellung eines Aktuators mit Sperreinrichtung und elastische Kopplungskomponente; -
3 - eine Variante mit Linearführung und Kopplungselement; -
4 - eine Ausgestaltung einer Sperreinrichtung mit Klemmring; -
5 - eine Variante mit einer Sperreinrichtung an einem Gehäuse; -
6 - eine Variante mit einer Sperreinrichtung an einer Kolbenstange; -
7 - eine Ausführung mit einer Verschiebewegbegrenzung -
8 - eine Ausführung mit einer Sperreinrichtung an einer Kopplungskomponente; -
9 - eine Ausführung mit Klemmkeilen in Konusform; -
10 - eine Betätigungseinrichtung mit einem Solenoid; -
11 - eine Betätigungseinrichtung mit einem Motor; -
12 -eine Variante der 11 ; sowie -
13 - Anwendungsbeispiele der Gelenkeinrichtung.
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1 - Two representations of a joint device; -
2 - A detailed view of an actuator with locking device and elastic coupling component; -
3 - A variant with linear guide and coupling element; -
4 - An embodiment of a locking device with a clamping ring; -
5 - A variant with a locking device on a housing; -
6 - A variant with a locking device on a piston rod; -
7 - a version with a displacement limiter -
8th - An embodiment with a locking device on a coupling component; -
9 - a version with clamping wedges in the form of a cone; -
10 - an actuator with a solenoid; -
11 - an actuator with a motor; -
12 - a variant of11 ; such as -
13 - Application examples of the joint device.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 30 als ein Linearaktuator ausgestaltet, der ein Gehäuse mit einem Zylinder und einem darin längs beweglichen Kolben aufweist. Der Kolben ist über eine Kolbenstange an dem Unterteil 20 gelagert, der Zylinder ist an dem Oberteil 10 gelagert. Das Verhalten des Aktuators 30 gegen eine Beugung und/oder Streckung kann einstellbar sein, sodass ein angepasster Bewegungswiderstand vorhanden ist. Die jeweiligen Bewegungswiderstände können an den Patienten und/oder die jeweilige Gangsituation oder das Benutzungsumfeld angepasst werden. Der Aktuator 30 ist in einer Ausgestaltung mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt, die auf der Grundlage von Sensordaten eine Verstellung des Aktuatorverhaltens bewirkt. Die Sensoren können Raumlage, Kräfte, Momente, Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Winkel und andere Einflussgrößen oder Zustandsgrößen der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung oder dessen Nutzer erfassen und auf Grundlage der Sensorwerte eine angepasste Verstellung bewirken.In the exemplary embodiment shown, the
Auch wenn in der
Das Unterteil 20 ist in dem Ausführungsbeispiel über eine Feder 80, in dem Ausführungsbeispiel eine Blattfeder mit der Beinschale 21 als Unterteilkomponente und Anbindung an den Unterschenkel gekoppelt. Die Feder 80 ist mit ihrem proximalen Ende an dem Unterteil 20 der Gelenkeinrichtung und mit ihrem distalen Ende an der Beinschale 21 befestigt. Erfolgt eine Verriegelung einer Verschwenkbewegung um die Gelenkachse durch eine Sperrung des Aktuators 30, kann bei einer entsprechenden Belastung der Unterschenkel eine geringfügige Flexionsbewegung ausführen, was in der rechten Darstellung der
Der Aktuator 30 ist mit einem distalen Ende in Gestalt der Kolbenstange an dem Unterteil 20 der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung gelagert, das proximale Ende des Aktuators 30 ist entweder unmittelbar an der Oberschenkelschale 11 oder einer daran befestigten Stützstruktur des Oberteils 10 gelagert.The
In der
Innerhalb der Führung ist eine Sperreinrichtung 40 mit zwei Klemmblöcken 41, die über einen Klemmbereich 35 auf die zweite Aktuatorkomponente 32 wirken, dargestellt. Die in dieser Darstellung als exzentrische Nocken ausgeführten Klemmblöcke 41 erlauben, aufgrund ihrer exzentrischen Aufhängung eine Relativbewegung der zweiten Aktuatorkomponente 32 gegenüber der Sperreinrichtung 40 in eine Richtung, während ebendiese Relativbewegung in die andere Richtung gesperrt wird. Über ein nicht dargestelltes Betätigungselement 50 können die Klemmblöcke 41 von dem Klemmbereich 35 abgehoben werden, wodurch die Klemmwirkung aufgehoben, die Sperreinrichtung 40 deaktiviert und eine freie Bewegung in beide Richtungen ermöglicht wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sperreinrichtung 40 über ein Federelement 60 an die erste Aktuatorkomponente 31 gekoppelt. Im gesperrten Zustand der Sperreinrichtung 40 erfolgt bei Druckbelastung eine elastische Kraftübertragung zwischen den Aktuatorkomponenten 31 und 32, wodurch ein elastisches Verhalten des Aktuators 30 in diesem Lastfall realisiert wird. Eine Extensionsbewegung, auch über die entspannte Lage des Federelements 60 hinaus, ist aufgrund der Eigenschaften der Sperreinrichtung 40 immer möglich. Wird die Sperreinrichtung 40 über das Betätigungselement 50 deaktiviert, so können sich die beiden Aktuatorkomponenten 31, 32 frei zueinander bewegen.A locking
Das Betätigungselement 50 kann über verschiedene nicht dargestellte Stellelemente, beispielsweise elektromechanisch, hydraulische oder pneumatische Stellelemente, sowie mechanische Bewegungsübertragungselemente Bowdenzug, Hydraulikkopplung verstellt werden. Alternativ zum Federelement 60 kann auch eine andere Widerstandseinrichtung, z.B. ein Dämpfungselement, eine Antriebseinheit oder eine Kombination dieser Elemente vorgesehen werden.The
In der
In der
In der
Eine Variante der
In der
In der
Eine weitere konstruktive Variante ist in der
In der unteren Darstellung ist eine Entriegelung der Sperreinrichtung 40 gezeigt, bei der über eine Betätigungseinrichtung 50 Kräfte entgegen der Bewegungsrichtung der Aktuatorkomponente 31 und entgegen der Federkraft der Federn 44 aufgebracht werden, beispielsweise über einen Motor oder einen anderen Antrieb. Der dargestellte Aufbau weist eine geringe Komplexität auf. Die Klemmelemente 41 sind gleichzeitig eine Führung für die Aktuatorkomponente 31 oder eine Kopplungskomponente. Die Klemmelemente 41 werden ohne weitere Befestigungselemente in der richtigen Position gehalten. Die Klemmelemente oder Klemmkeile 41 werden umfänglich in einer einzigen, ringförmigen, konisch zulaufenden Halterung 45, die als Stützring ausgebildet ist und auch als separate Komponente ausgebildet sein kann, gehalten. Die Halterung kann gleichzeitig als zweite Aktuatorkomponente dienen. Aufgrund der geringen Flächenpressung ist es möglich, die Bauteile klein auszuführen, wodurch die Baugröße insgesamt verringert werden kann. Sinngemäß ist die Konstruktion auch auf nicht kreisrunde Querschnitte der Aktuatorkomponenten anwendbar. Hierbei bieten sich speziell plane Kontaktflächen für die Klemmkeile an, z.B. bei Polygonquerschnitt der Aktuatorkomponenten, da diese leicht zu fertigen sind. Zusätzlich wird bei so einer Konstruktion eine Verdrehsicherung erreicht.The lower illustration shows an unlocking of the
In der
Die
In der
Eine Variante der
In der
Eine Eigenschaft all dieser Ausführungen ist, dass sie, sofern keine Belastung entgegen der Sperrrichtung anliegt, mit geringer Betätigungskraft in den freien Zustand umgeschaltet werden können. Bei Belastung in Sperrrichtung steigt die hierfür erforderliche Schaltkraft stark an. Dies kann als Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Umschalten unter Last genutzt werden, indem beispielsweise die Kraft der Betätigungseinrichtung zur Betätigung der Umschaltung begrenzt wird. Dadurch kann die Steuerung eine auf der Gelenkeinrichtung basierenden Orthesen- oder Prothesengelenks vereinfacht werden. Aufgrund dieser Eigenschaft kann in vielen Fällen auf eine zusätzliche Sensorik zur Messung des Belastungszustands verzichtet werden, da dieser auch z.B. über die Energieaufnahme oder den Zustand des Aktuators oder der Betätigungseinrichtung abgeschätzt werden kann.A characteristic of all these designs is that they can be switched to the free state with little actuating force, provided there is no load applied in the opposite direction to the blocking direction. When loaded in the blocking direction, the shifting force required for this increases sharply. This can be used as security against unintentional switching under load, for example by limiting the force of the actuating device for actuating the switching. As a result, the control of an orthotic or prosthetic joint based on the joint device can be simplified. Due to this property, in many cases there is no need for additional sensors to measure the load status, since this can also be estimated, for example, via the energy consumption or the status of the actuator or the operating device.
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