SE526430C2 - Artificiell fleraxlig knäled - Google Patents

Description

00 0 0 0 0 0000 00 0000 0000 0000 0 0 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 00 0000 0 00 0 10 15 20 25 30 35 0 0 0000 0 0 0 0 0 0000 0 0 0000 0 000 0 0 0 0 00 000000 0 526 450 gsg 'lïdigare kända knäleder av den aktuella typen har emellertid en rad nackdelar. Dessa är först och främst att en sådan knäled försedd med en hydraulcylinder blir mer skrymmande och vidare bidrar hydraulcylinderns vikt till en lägre tyngdpunkt hos knäleden vilket är ogynnsamt vid användning av knäleden. En annan nackdel är att det krävs särskilda fästen för anordnandet av hydraulcylindern hos knäleden. Vidare är hos dessa knäleder, beroende på geometriska samband, funktionen hos den för bromsning av knäledens vridning anordnade hydraulcylindern inte anpassad till förflyttningens olika faser på ett optimalt sätt, eller med andra ord; hydraulcylindern ger upphov till ett relativt högt vridmotstånd under en del av gångförloppet då vridmotståndet med fördel skulle kunna vara förhållandevis lågt, och hydraulcylindern ger upphov till ett relativt lågt vridmotstånd, eller inget vridmotstånd överhuvudtaget, under en del av gångförloppet då vridmotståndet med fördel skulle kunna vara förhållandevis högt.

UPPFINNINGENS SYFTE OCH SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att reducera åtminstone något av ovan nämnda problem hos tidigare kända sådana knäleder väsentligt.

Ovanstående syfte uppnås med en knäled enligt patentkrav 1. Genom att styrmedlet, såsom t.ex. en hydraulcylinder, är integrerat i någon av den främre länken och nämnda åtminstone ena bakre länk kan en knäled som är mindre skrymmande och som inte kräver särskilda fästen för styrmedlet tillhandahållas. Vidare finns möjlighet att utforma knäleden så att den uppvisar en för användning av knäleden mer gynnsam tyngdpunktsplacering.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Under hänvisning till bifogade ritningar följer nedan en närmare beskrivning av såsom exempel anförda utföranden av uppfinningen.

På ritningarna är: Fig. 1 en schematisk illustration av en fyraxlig knäled försedd med en hydraulcylinder i enlighet med tidigare känd teknik, Fig. 2a en perspektiwy snett framifrån av en uppfinnlngsenlig knäled, Fig. 2b en perspektiwy snett bakifrån av knäleden i figur 2a, 0 I i 0000 b 0 10 15 20 25 30 35 3 Fig. 3a en sidovy av knäleden illustrerad i figur 2a och 2b, varvid knäleden är i ett neutralläge, d.v.s. I ett icke böjt tillstånd, Fig. 3b en vy enligt figur 3a, varvid knäleden är böjd cirka 45°, Fig. 3c en vy enligt figur 3a, varvid knäleden är böjd cirka 90°, Fig. 3d en vy enligt figur 3a, varvid knäleden är böjd cirka 135°, Fig. 4a en skuren vy av knäleden i figur 3a, Fig. 4b en vy enligt figur 4a, varvid knäleden bildar enpositiv vinkel, Fig. 4c en vy enligt figur 4a, varvid knäleden är maximalt böjd, Fig. 5 en sprängskiss med komponenter hos ett styrmedel i ett utförande av den uppfinningsenliga knäleden, Fig. 6 en skuren vy av ventilskivan enligt figurer 4a-4c och 5, varvid skivan är sedd i axiell riktning med avseende på dess geometriska vridaxel, och Fig. 7 en schematisk illustration av samverkan mellan olika komponenter hos ett styrmedel i ett utförande av den uppfinningsenliga knäleden.

DETAUERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRANDEN AV UPPFINNINGEN I figur 1 illustreras schematiskt en artificieil knäled i enlighet med tidigare känd teknik.

Knäleden uppvisar en övre bendel A och en undre bendel B, och främre C och bakre D länkar som är vridbart förbundna med den övre A och undre B bendelen för att medelst dessa länkar som uppvisar fyra geometriska vridaxlar E, F, G, H åstadkomma en fyraxilg knäled. Vidare innefattar knäleden en hydraulcylinder I för svingfaskontroll vilken hydraulcylinder I är vridbart förbunden med den övre A och undre B bendelen kring ytterligare två geometriska vridaxlar J, K.

I figurer 2a och 2b är en uppfinningsenlig artificieil knäled illustrerad i perspektivvyer.

Knäleden innefattar en övre bendel 1 och en undre bendel 2. Den övre bendelen 1 och den undre bendelen 2 är vridbart förbundna med varandra medelst en främre länk 3 och åtminstone en bakre länk 4. I det illustrerade exemplet är knäleden försedd med två sådana bakre länkar 4. Fastän det visat sig vara fördelaktigt med en främre länk Il 0 0 0 0 :QIO lo! c I I I 0 0000 I O I 00 O 000 n I O I II 0000 in 0000 OI 0 I 0 0 0 0 0 I 0 0 II O! 10 15 20 25 30 35 ooøoøc och två bakre länkar, varvid benämningarna "främre" och ”bakre” syfiar på länkarnas inbördes positioner med avseende på hur knäleden är riktad vid användning när en användare förflyttar sig framåt, ska det betonas att knäleden i ett annat utförande skulle kunna uppvisa exempelvis två främre länkar och en bakre länk eller två främre länkar och två bakre länkar.

Den främre länken 3 är i sin ena ände vridbart förbunden med den övre bendelen 1 för inbördes vridning av den främre länken och den övre bendelen kring en första geometrisk vridaxel 5 och i sin andra ände vridbart förbunden med den undre bendelen 2 för inbördes vridning av den främre länken och den undre bendelen kring en andra geometrisk vridaxel 6. Nämnda åtminstone ena bakre länk 4 är i sin ena ände vridbart förbunden med den övre bendelen 1 för inbördes vridning av nämnda åtminstone ena bakre länk och den övre bendelen kring en tredje geometrisk vridaxel 7 och I sin andra ände vridbart förbunden med den undre bendelen 2 för inbördes vridning av nämnda åtminstone ena bakre länk och den undre bendelen kring en fjärde geometrisk vridaxel 8. Den främre länken 3 och nämnda åtminstone ena bakre länk 4 vilka uppvisar nämnda första, andra, tredje och fjärde vridaxel 5, 6, 7, 8 skapar knäledens vridcentrum. Vidare innefattar knäleden ett utöver den främre länken 3 och nämnda åtminstone ena bakre länk 4 ytterligare medel 9 för att styra knäledens böjegenskaper.

Det ytterligare styrmedlet 9 kan vara olika typer av mekanismer som har olika utformning för styrning av knäledens olika böjegenskaper. Fastän även andra funktioner hos knäleden är möjliga att styra är i det nedan beskrivna exemplet styrmedlet anordnat för styrning av det för böjning av knäleden kring dess vridcentrum erforderliga vridmomentet. Hos den uppfinningsenliga knäleden år styrmedlet 9 integrerat i någon av den främre länken 3 och nämnda åtminstone ena bakre länk 4. I det illustrerade exemplet är styrmedlet 9 integrerat i den främre länken 3 och anordnat invändigt i denna främre länk 3 för att styra det för böjning av knäleden erforderliga vridmomentet. Med ett integrerat styrmedel 9 avses att styrmedlet, eller åtminstone en väsentlig del därav, är anordnat på eller inuti den aktuella länken, varvid styrmedlet också skulle kunna bilda den aktuella länken eller en väsentlig del av denna, och att styrmedlet i sig inte kräver någon ytterligare geometrisk vridaxel hos knäleden utöver de vridaxlar som den aktuella länken skulle kräva även om den var utan detta ytterligare styrmedel för att länken ska vara vridbart förbunden med den övre och undre bendelen. Jämför exempelvis med den tidigare kända tekniken illustrerad i figur 1 där styrmedlet, d.v.s. hydraulcylindern I, kräver två stycken ytterligare vridaxlar J, K utöver de vridaxlar som krävs hos länkarna för knäledens funktion. 10 15 20 25 30 35 526 430 rat; ':== 5 Fastän det nedan kommer att beskrivas ett utförande då det integrerade styrmedlet för styrning av knäiedens vridmotstånd lämpligen samverkar med ett elektroniskt styrsystem, skulle även ett uppfinningsenligt integrerat styrmedel kunna ingå i ett väsentligen helt mekaniskt system. Det ska dock påpekas att i det fall exempelvis ett elektroniskt styrsystem används kan viss kringutrustning som utgör del av eller samverkar med styrmedlet, såsom olika sensorer, givare, signalbehandlings- och/eller strömförsörjningsutrustning, mycket väl vara anordnad på annan plats än i den aktuella länken.

I figurer 3a-3d illustreras knäleden i fyra sidovyer för att visa knäiedens böjning kring vridaxlarna 5, 6, 7, 8. I dessa figurer är av tydlighetsskäl den undre bendeien 2 fixerad för att illustrera hur den övre 1 och undre 2 bendeien rör sig i förhållande till varandra vid böjning av knäleden. Härav följer att positionen för nämnda andra vridaxel 6 och positionen för nämnda fjärde vridaxel 8 är fixerade, medan positionerna för nämnda första vridaxel 5 och nämnda tredje vridaxel 7 ändras då knäleden vrides kring sitt vridcentrum. I figur 3a är knäleden i ett neutralläge där den övre 1 och undre 2 bendeien inte är vridna i förhållande till varandra (motsvarar läget då en användare av protesen har benet sträckt). I figur 3b är den övre bendeien 1 vriden cirka 45° i förhållande till den undre bendeien 2, i figur 3c är den övre bendeien 1 vriden cirka 90° och slutligen i figur 3d är den övre bendeien 1 vriden cirka 135° l förhållande till den undre bendeien 2.

I figurer 4a-4c visas den uppflnnlngsenliga knäleden i skurna vyer. I utförandet enligt figurer 4a-4c innefattar styrmedlet 9 en i den främre länken 3 integrerad cylinder 10 för styrning av det vid böjning av knäleden erforderliga vridmomentet. I cylindern 10 finns ett arbetsmedlum, såsom t.ex. hydraulolja, och en i cylindern 10 flyttbart anordnad kolv 11 för rätlinjig rörelse i cylindern 10. Cylindern 10 är försedd med en slinga 41 för arbetsmediet vilken slinga 41 förbinder två på ömse sidor om kolven bildade kamrar 12, 13. Det innebär att systemet är slutet l den bemärkelse att vid förflyttning av kolven 11 i en första riktning strömmar arbetsmediet från en första 12 av kamrarna till den andra kammaren 13 och vid förflyttning av kolven 11 i den andra riktningen strömmar arbetsmediet i motsatt riktning från nämnda andra kammare 13 till den första kammaren 12.

Uppfinningen kan med fördel tillämpas tillsammans med ett enventilsystem, d.v.s. en styrinråttning baserad på endast en ventil anordnad för att variera vridmotståndet som åstadkommes medelst styrmedlet 9. Användning av endast en ventil hos styrmedlet 9 medför en mycket enkel konstruktion som förenklar de styrfunktloner som erfordras för att styra knäiedens vridmotstånd och ge knäleden de egenskaper som önskas. Medelst OO .CIO OOOO O O O I I I I I I O.

OO IC OO OO O O I O O I I C O O I O I OI IOOI OO II I I 0 I I O O 00 0 10 15 20 25 30 35 5 2 6 4 3 0 6 en ventil som kan öppnas och slutas för att styra arbetsmediets flöde i en första riktning, då arbetsmediet transporteras från den första kammaren 12 till den andra kammaren 13, och i en andra riktning, då arbetsmediet transporteras från den andra kammaren 13 till den första kammaren 12, kan knäledens vrldmotstånd regleras inom ett givet intervall för knäledens båda vridningsriktningar. En sådan reglering kan utföras väsentligen steglöst inom det givna intervallet.

I en snittvy A-A i figur 4A visas en första del 41a av slingan 41 som förbinder den första (övre) kammaren 12 med en ventil 19, och en andra del 41b som förbinder ventilen 19 med den andra (undre) kammaren 13.

En första bendel av den övre och undre bendeien, här den övre bendelen 1, är anordnad .att medelst en vevaxel 14 överföra en inbördes vridrörelse hos denna första bendel och den andra av den övre och undre bendeien, här således den undre bendelen 2, till en rätlinjig rörelse hos kolven 11 i cylindern 10 vid böjning av knäleden. Det innebär att det för böjning av knäleden erforderliga vridmomentet är en funktion av den kraft som åtgår att flytta kolven 11 i cylindern 10.

I det illustrerade exemplet är vevaxelns 14 rotationsaxel 15 anordnad utmed den första geometriska vridaxeln 5 och förbunden med den övre bendelen 1 för att vid vridning av den övre bendelen 1 i förhållande till den undre bendelen 2 åstadkomma vridning av vevaxeln 14. Vidare har vevaxeln 14 i sin andra ände en excenter 16, såsom en skiva 17 försedd med en axeltapp 18 som är anordnad för sammankoppling av vevaxeln 14 och kolvens 11 kolvstång 40, vilket innebär att vid böjning av knäleden kring dess vridcentrum kommer även excentern 16 att vridas och således kommer kolven 11 att förflyttas i cylindem 10.

Det motstånd som måste övervinnas för att flytta kolven 11 kan i sin tur styras medelst ventilen 19 anordnad hos nämnda slinga 41 för att reglera flödet hos arbetsmediet i slingan 41. Genom att slingan är försedd med ventilen 19 för reglering av arbetsmediets flöde i slingan 41 kan således det för böjning av knäleden erforderliga vridmomentet styras. Styrmedlet 9 kan vidare innefatta en motor 20 för inställning av ventilen 19.

Detta illustreras också schematiskt i figur 7 där cylindern 10 med nämnda båda kamrar 12, 13 och kolven 11 är visade tillsammans med slingan 41, ventilen 19 och motorn 20.

I det illustrerade utförandet innefattar styrmedlet 9 således en ventil 19 och en motor 20 för inställning av ventilen 19. Det ska dock framhållas att i ett annat utförande skulle t.ex. ventilen och i förekommande fall motorn kunna vara anordnade på en annan position skild från den främre länken. I sådant fall skulle huvuddelen av styrmedlet, uucaoo 1 Q ooouoo I 0 I I O Û 0 OO 10 15 20 25 30 35 52f t)\ -l> (N CD 7 d.v.s. cylindern med kolven, vara anordnad i den främre länken såsom beskrivet tidigare och vidare skulle cylindern lämpligen vara förbunden med ventilen medelst slangar eller liknande. Motorn 20, som i det illustrerade utförandet har motoraxeln 21 anordnad parallell med cylindems 10 utsträckningsriktning i längdled, är anordnad att via en växel 22 driva en i ventilhuset 23 anordnad vridbar skiva 24 vars vridpositlon relativt ventilhuset 23 bestämmer ventilens 19 öppningsgrad och således styr flödet i slingan. Skivan 24 har en radiellt riktad periferiyta 25 vars avstånd till skivans geometriska vridaxel 26 varierar utmed skivans omkrets, se figur 5 som är en sprängskiss illustrerande olika komponenter hos styrmedlet 9 och figur 6 som illustrerar i en skuren vy skivan 24 sedd i axiell riktning med avseende på dess geometriska vridaxel 26.

Företrädesvis har skivans 24 kontur utmed dess omkrets med avseende på nämnda periferiyta 25 formen av en evolvent. Såsom är visat närmare i figurer 5 och 6 kan medelst en sådan skiva 24, samverkande med ett cylindriskt utrymme hos ventilhuset 23, och med ett inlopp 27 och ett utlopp 28 hos ventilhuset 23, ventilens öppningsgrad regleras steglöst i intervallet från helt stängd till helt öppen. Skivan 24 är försedd med ett spår 29 utmed skivans periferi. Spårets 29 djup ökar gradvis utmed periferin från noll till ett maximalt värde för att sedan via ett språng åter bli noll. Arbetsmediet kan då skivans 24 inställning så medger strömma från lnloppet 27, ln i spåret 29 hos skivan 24 och vidare ut genom utloppet 28. Inloppet 27 och utloppet 28 står i förbindelse med en respektive nämnd kammare 12, 13 hos cylindern 10 för bildande av slingan 41.

Beroende på skivans 24 inställning relativt ventilhuset 23, d.v.s. relativt inloppet 27 och utloppet 28, kommer olika strypning av arbetsmediets flöde att tillhandahållas på grund av att storleken på tvärsnittsytan hos den mellan periferiytan 25 och ventilhuset 23 bildade strömningskanalen 30 för arbetsmediet ändras med ändrad inställning av skivan 24. Fastän de båda öppningarna hos ventilhuset ovan är kallade lnloppet 27 och utloppet 28, så är det givetvis så att dessa fungerar både som inlopp och utlopp, och då cylinderns arbetsmedium strömmar i den ena riktningen kan den ena öppningen betraktas som ett inlopp och den andra öppningen som ett utlopp till strömningskanalen 30, medan vid strömning av arbetsmediet i den motsatta riktningen kan den första öppningen betraktas som ett utlopp och den andra öppningen som ett inlopp till strömningskanalen 30.

För att tillhandahålla en knäled som i så stor utsträckning som möjligt efterliknar en mänsklig knäled vad det avser funktionen vid användning, d.v.s. möjliggör en ”normal” gång, är det önskvärt att knäledens motstånd mot vridning kring vridcentrumet kan varieras under olika delar av förloppet då benet ska förflyttas i syfte att stödja på benet, tonas: 0 c bossen 10 15 20 25 30 35 f, 2 6 4 3 0 g; ~;:= g- gå eller springa. Medelst en styrenhet kan motorn styras så att en naturlig och följsam benrörelse erhålles.

Det finns givetvis andra sätt, än de som är beskrivna i denna ansökning, att utforma den uppfinningsenliga anordningen inom ramen för uppflnnlngstanken och det betonas att uppfinningen endast är begränsad till det skyddsomfång som definieras av de efterföljande patentkraven. Exempelvis skulle istället för en hydraulcylinder en pneumatisk cylinder kunna användas som styrmedel för knäledens böjegenskaper. Ett annat tänkbart styrmedel för att styra knäledens böjegenskaper som skulle kunna integreras i enlighet med uppflnningen är en inrättning baserad på rotationshydraulik.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 526 430 =' PATE NTKRAV En artificiell fleraxlig knäled innefattande en övre bendel (1) och en undre bendel (2), varvid den övre bendelen och den undre bendelen är vridbart förbundna med varandra medelst en främre länk (3), vilken främre länk (3) i sin ena ände är vridbart förbunden med den övre bendelen (1) för inbördes vridning av den främre länken och den övre bendelen kring en första geometrisk vridaxel (5) och i sin andra ände är vridbart förbunden med den undre bendelen (2) för inbördes vridning av den främre länken och den undre bendelen kring en andra geometrisk vridaxel (6), och medelst åtminstone en bakre länk (4), vilken bakre länk (4) i sin ena ände är vridbart förbunden med den övre bendelen (1) för inbördes vridning av nämnda åtminstone ena bakre länk och den övre bendelen kring en tredje geometrisk vridaxel (7) och i sin andra ände är vridbart förbunden med den undre bendelen (2) för inbördes vridning av nämnda åtminstone ena bakre länk och den undre bendelen kring en fjärde geometrisk vridaxel (8), varvid knäleden vidare innefattar ett utöver den främre länken (3) och nämnda åtminstone ena bakre länk (4) ytterligare medel (9) för att styra knäledens böjegenskaper, kännetecknad därav, att styrmedlet (9) är integrerat i någon av den främre länken (3) och nämnda åtminstone ena bakre länk (4) genom att styrmedlet (9) är anordnat invändigt hos den främre länken (3) eller nämnda åtminstone ena bakre länk (4). Knäled enligt krav 1, kännetecknad därav, att styrmedlet (9) är integrerat i den främre länken (3). Knäled enligt något föregående krav, kännetecknad därav, att styrmedlet (9) är anordnat att styra det för böjning av knäleden erforderliga vridmomentet. Knäled enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att knäleden uppvisar för skapande av knäledens geometriska vridcentrum och anordnande av nämnda styrmedel (9) hos knäleden totalt fyra nämnda geometriska vridaxlar (5, 6, 7, 8). Knäled enligt krav 3, kännetecknad därav, att styrmedlet (9) innefattar en cylinder (10) med ett arbetsmedium och en i cylindern flyttbart anordnad kolv (11) för styrning av det vid böjning av knäleden erforderliga vridmomentet. 10 15 20 25 30 35 10. 11. 12. 13. 5 2 s f' 5 0 än. 10 Knäled enligt krav 5, kännetecknad därav, att en första bendel (1) av den övre och undre bendelen är anordnad att medelst en vevaxel (14) överföra en inbördes vridrörelse hos denna första bendel (1) och den andra (2) av den övre och undre bendelen till en rätlinjig rörelse hos kolven (11) i cylindern (10) vid böjning av knäleden. Knäled rotationsaxel (15) sträcker sig utmed en nämnd geometrisk vridaxel (5) hos enligt krav 6, kännetecknad därav, att vevaxelns (14) en första länk (3) av den främre länken och nämnda ena bakre länk vid nämnda första bendel (1). Knäled enllgt krav 7, kännetecknad därav, att cylindern (10) är vridbart förbunden med nämnda andra bendel (2) för inbördes vridning av cylindern (10) och nämnda andra bendel kring en nämnd geometrisk vridaxel (6) hos nämnda första länk (3). Knäled enligt något av kraven 5-8, kännetecknad därav, att cylindern (10) är försedd med en slinga (41) för arbetsmediet vilken slinga förbinder cylinders båda kamrar (12, 13) på ömse sidor om kolven (11). Knäled enligt krav 9, kännetecknad därav, att nämnda slinga (41) är försedd med en ventil (19) för reglering av arbetsmediets flöde i slingan och styrning av det för böjning av knäleden erforderliga vridmomentet. Knäled enligt krav 10, kännetecknad därav, att styrmedlet (9) innefattar en motor (20) för inställning av ventilen (19). Knäled enligt krav 10 eller 11, kännetecknad därav, att ventilen (19) innefattar ett ventilhus (23) och en i ventilhuset anordnad vridbar skiva (24) vars vridposition relativt ventilhuset (23) bestämmer ventilens (19) öppningsgrad och således styr flödet i slingan. Knäled enligt krav 12, kännetecknad därav, att skivan (24) har en radiellt riktad periferiyta (25) vars avstånd till skivans (24) geometriska vridaxel varierar utmed skivans omkrets. øøtnøo 0 nunnan 10 15 20 25 30 35 14. 15. 16. 17. en ro ch 4:- w o I o oo oo o o :..o zflo: z . o o o I I I 00 0 I o o o o o o 0 o 0 o I I I I O ooo o o o o o o ooou o o I ooo o o o o o o o o o o o I O I I o o I o o o oo Io lo! 11 Knäled enligt krav 13, kännetecknad därav, att skivans kontur utmed dess omkrets med avseende på nämnda periferiyta (25) har formen av en evolvent. Knäled enligt krav 11 och något av kraven 12-14, kännetecknad därav, att motorn (20) är anordnad att driva ventilskivan (24) och vrida denna för inställning av ventilens (19) öppningsgrad. Knäled enligt något av kraven 10-15, kännetecknad därav, att knäleden är försedd med endast en ventil (19) för att medelst styrmedlet (9) styra det för böjning av knäleden erforderliga vridmomentet. Knäled enligt något av föregående krav, kännetecknad därav, att knäleden uppvisar två på avstånd från varandra anordnade bakre länkar (4) som båda är vridbart förbundna med den övre bendelen (1) och den undre bendelen (2) för vridning kring den tredje (7) respektive den fjärde (8) geometriska vridaxeln. oI!IIo I o I oooooo