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Dokumentenidentifikation DE3909672C2 04.02.1993
Titel Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese
Anmelder Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel Ltd.), Kobe, JP;
Hyogo-Ken Shakaifukushijigyodan, Kobe, Hyogo, JP
Erfinder Yoshida, Katsuhiko, Takasago, Hyogo, JP;
Takeda, Masaru;
Nakane, Toshio, Akashi, Hyogo, JP;
Horiguchi, Shiro, Hyogo, JP;
Yuki, Shigero, Nishinomiya, Hyogo, JP;
Sawamura, Seishi, Kobe, Hyogo, JP;
Nakajima, Sakuya, Nishinomiya, Hyogo, JP;
Amemori, Kunio, Kobe, JP;
Oku, Hidehisa, Akashi, Hyogo, JP;
Nakagawa, Akio, Itami, Hyogo, JP;
Kitayama, Ichiro, Kobe, Hyogo, JP;
Matsuda, Hiromu, Akashi, Hyogo, JP
Vertreter Tiedtke, H., Dipl.-Ing.; Bühling, G., Dipl.-Chem.; Kinne, R., Dipl.-Ing.; Grupe, P., Dipl.-Ing.; Pellmann, H., Dipl.-Ing.; Grams, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 23.03.1989
DE-Aktenzeichen 3909672
Offenlegungstag 19.10.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 04.02.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.02.1993
IPC-Hauptklasse A61F 2/62

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein künstliches Bein wird im allgemeinen so gestaltet und konstruiert, daß nicht ohne weiteres zu erkennen ist, daß eine Person ein solches künstliches Bein trägt, um physische und psychische Belastungen zu vermeiden.

Die beigefügte Fig. 15 zeigt schematisch die aufeinanderfolgenden Änderungen in der Körperhaltung einer Person, betrachtet von deren rechter Seite, wobei die Ferse a, das Knie b, die Hüfte c, der Unterschenkel d, der Oberschenkel e und die Zehen g angedeutet sind. In einer Haltungsphase zwischen dem Aufsetzen der Ferse a am Boden und dem Abheben der Zehen g vom Boden wirkt auf den Unterschenkel d im wesentlichen eine vertikale Gegenkraft f des Bodens ein. Eine Phase zwischen dem Abheben der Zehen g vom Boden und dem nächsten Aufsetzen der Ferse a am Boden ist eine Schwung- oder Pendelphase.

In der beigefügten Fig. 16 ist eine herkömmliche Oberschenkelprothese dargestellt, die in der JP-Patentschrift Nr. 52 - 47 638 offenbart ist und einen pneumatischen Zylinder z enthält. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus. Ein Oberschaft h und ein Unterschaft i sind gelenkig durch eine Kniewelle j verbunden, wobei das oberste Ende der Kolbenstange des Zylinders z schwenkbar an den Oberschaft h und das untere Ende des Zylindergehäuses des Luftzylinders z schwenkbar an den Unterschaft i angeschlossen sind. Da der Unterschaft i in einer Schwungphase wie ein Pendel schwingt, dienen ein Widerstand gegen die Luftströmung und die Expansionskraft der im Zylinder z komprimierten Luft als Ersatz für Muskeln. Insofern unterdrückt der Zylinder z den Aufwärtsschwung der Ferse im Anfangszustand einer Schwungphase, er erlaubt den anschließenden freien Vorwärtsschwung des Unterschaftes i und er bremst den Vorwärtsschwung des Unterschaftes i im Schlußzustand der Schwungphase, um einem Stoß im Endzustand entgegenzuwirken. In einer an die Schwungphase anschließenden Standphase kommen der Oberschaft h und der Unterschaft i mit einem Anschlag k zur Anlage, wodurch das Kniegelenk an einem Abfallen gehindert wird.

Die Fig. 17a-17d zeigen eine weitere Oberschenkelprothese, wie sie in der japanischen Fachzeitschrift BIOMECHANISM 8, FUNKTIONS AND SUBSTITUTES IN THE BIOLOGICAL SYSTEM im September 1986 beschrieben wurde. Gemäß Fig. 17c wird ein Druckschalter 1, der aus Metallplatten m1 sowie m2 besteht, und eine druckleitende Gummiplatte n zwischen den Metallplatten m1 sowie m2 umfaßt, geschlossen, wenn ein einen vorbestimmten Wert überschreitender Druck auf diesen wirkt. Dann gibt ein Mikrocomputer o (Fig. 17d) ein Signal an einen Treiberkreis p, um ein Drehsolenoid q anzutreiben, wodurch die Öffnung des Ventils r eines pneumatischen Zylinders z geregelt wird. Der Versorung der elektrischen Einrichtung dient die Energiequelle s.

Die Bewegung des Unterschaftes i mit Bezug zum Oberschaft h in einer Schwungphase wird in einer Mehrzahl von Geschwindigkeiten gemäß einem Steuerprogramm geregelt, welches auf der Grundlage von simulierten Ergebnissen aus der dynamischen Analyse von verschiedenen Körperhaltungen normaler Personen organisiert ist. Deshalb kann die Bewegung des Unterschaftes i geregelt werden, so daß eine Anpassung an unterschiedliche Körperhaltungen von normalen Personen erlangt wird, nämlich eine Haltung für ein normales Gehen, eine Haltung für ein Wandern und eine Haltung für ein schnelles Gehen. Diese Obeschenkelprothese ist in bezug auf die Bewegung vergleichsweise zufriedenstellend.

Bei der beschriebenen Prothese werden verschiedene Bewegungsabläufe für unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten, individuell auf den Träger angepaßt, fest abgespeichert.

Von diesen abgespeicherten Bewegungsabläufen kann während der Benutzung der Prothese nicht abgewichen werden.

Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, eine schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese der eingangs genannten Art mit verbesserter Prothesensteuerung zu schaffen, die eine spontane Anpassung der Bewegungsabläufe, gemäß den momentanen Erfordernissen des Trägers, zuläßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Mit den genannten technischen Merkmalen wird der Bewegungsablauf des Unterschafts von der Länge einer Standphase abhängig gemacht; dadurch hat der Träger die Möglichkeit, die Gehgeschwindigkeit der Prothese über die Standzeit den momentanen Erfordernissen anzupassen.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese gemäß der Erfindung umfaßt ein Playback- Lehrprogramm, einen Oberschaft, einen über eine Kniegelenkwelle verschwenkbar verbundenen Unterschaft, einen die beiden Schäfte verbindenden Luftzylinder, der mit einer Regulierschraube zur Einstellung der Öffnung des Ventils des Luftzylinders auf eine Mehrzahl von Gradstellungen jeweils für eine Mehrzahl von während eines versuchsweisen Gehens ausgewählten Gehgeschwindigkeiten versehen ist, eine Betriebsart-Wähleinrichtung mit einer Mehrzahl von Stellungen einschließlich jener, die in einem Programmeingabebetrieb zur Einstellung von Öffnungsgraden des Ventils des Luftzylinders jeweils für die Mehrzahl von Gehgeschwindigkeiten zu wählen sind, und einschließlich jener, die für einen Playbackbetrieb zu wählen ist, eine die Öffnung des Ventils des Luftzylinders erfassende Ermittlungseinrichtung, eine eine Mehrzahl von Öffnungsgraden dieses Luftzylinderventils, welches für die Mehrzahl von Gehgeschwindigkeiten festgesetzt sind, speichernde Einrichtung, eine Schwung- sowie Standphasen erfassende Phasenermittlungseinrichtung, eine Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung, die eine tatsächliche Gehgeschwindigkeit auf der Grundlage der jeweiligen Zeitspannen der von der Phasenermittlungseinrichtung erfaßten Schwung- sowie Standphasen feststellt, und eine Regel- oder Steuereinrichtung, die den Öffnungsgrad des Luftzylinderventils auf einen der vorbestimmten Öffnungsgrade entsprechend der von der Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung erfaßten tatsächlichen Gehgeschwindigkeit einregelt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zwischen einer Standphase sowie einer Schwungphase durch Ermitteln des Winkels zwischen dem Oberschaft und dem Unterschaft durch einen Winkelfühler unterschieden.

Eine Weiterbildung der Erfindung umfaßt eine Fall- oder Abfallbewegung des Unterschaftes bremsende Bremsvorrichtung mit einer Bremsscheibe, mit einem bewegbaren Bremsschuh und mit einer den Bremsschuh von der Bremsscheibe wegdrückenden Rückstellfeder, einen pneumatischen Stellantrieb mit einer hermetisch abgeschlossenen Kammer, der mit dem Bremsschuh in Wirkverbindung steht, eine die obere Kammer des Luftzylinders mit der hermetisch abgeschlossenen Kammer des Stellantriebs verbindende Luftleitung, in der sich ein Rückschlagventil befindet, eine die hermetisch abgeschlossene Stellantriebkammer mit der unteren Kammer des Luftzylinders verbindende Luftleitung, in der ein Rückschlagventil sowie ein Bemessungsventil angeordnet sind, und einen die untere sowie obere Kammer des Luftzylinders verbindenden Luftkanal, der mit einem Rückschlag- sowie einem Meßventil versehen ist.

Gemäß der Erfindung werden in einem Training des die erfindungsgemäße Oberschenkelprothese tragenden Trägers durchschnittliche Standphasendauern und Öffnungen des Ventils des Luftzylinders jeweils für unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten in einem Speicher gespeichert. Wenn der Prothesenträger mit einer willkürlichen Geschwindigkeit geht, so wird eine tatsächliche Standphasendauer durch eine Phasenermittlungs- oder durch eine Winkeländerung-Ermittlungseinrichtung erfaßt und dann eine der tatsächlichen Standphasendauer entsprechende Öffnung gewählt, so daß die Bewegung der Oberschenkelprothese in Übereinstimmung mit der Gehgeschwindigkeit des Prothesenträgers geregelt wird.

Der Kolben des pneumatischen Zylinders erreicht seine oberste Lage im Zylindergehäuse in einer Standphase, um Luft von der oberen Zylinderkammer in den Stellantrieb zu überführen. Dadurch verkürzt sich der Stellantrieb in seiner Länge, um die Kniebremseinheit durch Anziehen des bewegbaren Bremsschuhs tätig werden zu lassen, so daß das Kniegelenk für eine vorbestimmte Zeitspanne gebremst ist, um ein Abfallen zu verhindern. Die in den Stellantrieb eingeführte Luft wird allmählich in die untere Zylinderkammer durch das Meß- sowie Rückschlagventil abgeführt, so daß sich die Bremskraft in einer vorgegebenen Zeit auf Null vermindert.

Die Erfindung wird in der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Oberschenkelprothese detailliert beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines pneumatischen Zylinders der schwungphasengeregelten Oberschenkelprothese mit einer Playback-Lehrprogrammeingabe in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Druckschalters, der bei der Oberschenkelprothese von Fig. 1 zur Anwendung kommt;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems, das in die Oberschenkelprothese von Fig. 1 eingegliedert ist;

Fig. 4 einen abgebrochenen Längsschnitt eines wesentlichen Teils einer Oberschenkelprothese einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 5 die Frontansicht zu Fig. 4;

Fig. 6 einen Flußplan zur Erläuterung einer Arbeitsweise der Regelung der Oberschenkelprothese von Fig. 4;

Fig. 7 einen Schnitt einer Abwandlung einer Oberschenkelprothese von Fig. 4;

Fig. 8a und 8b einen Flußplan bzw. ein Diagramm zur Erläuterung eines Regelvorgangs bei der Prothese von Fig. 7;

Fig. 9 einen abgebrochenen Längsschnitt einer Oberschenkelprothese in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine Seitenansicht zu Fig. 9;

Fig. 11 die Draufsicht zu Fig. 9;

Fig. 12a und 12b schematische Darstellungen eines bei der Prothese von Fig. 9 verwendeten Stellantriebs in einem entlüfteten sowie einem aufgeblasenen Zustand;

Fig. 13 einen abgebrochenen Längsschnitt eines in die Prothese von Fig. 9 eingegliederten Luftzylinders;

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der Prothese von Fig. 9;

Fig. 15 die eingangs bereits besprochene schematische Darstellung der aufeinanderfolgenden Änderung der Körperhaltung einer normalen Person während des Gehens;

Fig. 16 eine Seitenansicht der bereits erläuterten herkömmlichen Oberschenkelprothese;

Fig. 17a eine Seitenansicht einer Oberschenkelprothese nach dem Stand der Technik, auf die eingangs bereits eingegangen wurde;

Fig. 17b die Frontansicht der Prothese von Fig. 17a;

Fig. 17c eine schematische Darstellung eines Druckschalters, der in die Prothese von Fig. 17a eingegliedert ist;

Fig. 17d ein Blockbild eines Regelsystems, das bei der Prothese von Fig. 17a zur Anwendung kommt.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele für eine Oberschenkelprothese gemäß der Erfindung beschrieben.

1. Ausführungsform (Fig. 1-3)

Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt eine Oberschenkelprothese gemäß der Erfindung einen (nicht gezeigten) Oberschaft, einen (nicht gezeigten) Unterschaft, einen pneumatischen Druckzylinder 5 mit einem oberen Anschlußstück 32, das gelenkig mit dem Oberschaft verbunden ist, und mit einem unteren Anschlußstück 33, das gelenkig mit dem Unterschaft verbunden ist, eine von außen einstellbare Reguliereinrichtung 34, die am oberen Anschlußstück 32 vorgesehen ist, eine (nicht gezeigte) Schraubspindel, die mit der Reguliereinrichtung 34 in Eingriff ist, und ein Regelsystem. Der Druckzylinder 5 ist am Unterschaft befestigt. Die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 wird durch die Reguliereinrichtung 34 eingeregelt, um die Geschwindigkeit in der Bewegung der Oberschenkelprothese zu justieren.

Das Regelsystem umfaßt eine Betriebsartwähleinrichtung 35 mit einer Mehrzahl von Einstellpositionen, nämlich eine Playback-Position, eine Position für ein langsames Gehen, eine Position für ein Gehen mit mittlerer Geschwindigkeit und eine Position für ein schnelles Gehen. Die Betriebsartwähleinrichtung 35 ist unter der Reguliereinrichtung 34 vorgesehen, während oberhalb der Reguliereinrichtung 34 ein Erfassungseinrichtung 36 angeordnet ist, um die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 durch ein Erfassen der Stellung der Reguliereinrichtung 34 zu ermitteln. Oberhalb der Erfassungseinrichtung 36 ist ein Schrittmotor 37 angeordnet. Ein am Unterschaft angebrachter Druckschalter 38 (Fig. 3) dient der Ermittlung einer auf den Unterschaft wirkenden Belastung. Für den Antrieb des Schrittmotors 37 ist ein Treiberkreis 39 vorgesehen. Ein A/D-Wandler 40 dient der Umwandlung des analogen Ermittlungssignals der Erfassungseinrichtung 36 in entsprechende Digitalsignale. Ein RAM als speichernde Einrichtung 41 speichert von der Erfassungseinrichtung 36 sowie vom Druckschalter 38 erhaltene Daten. Des weiteren sind eine Steuereinrichtung 42 und eine Energiequelle 43 vorhanden. Der Schrittmotor 37 regelt die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 gemäß Befehlen von der Steuereinrichtung 42. Der Druckschalter 38 ist am Unterschaft angebracht. Der Treiberkreis 39, der A/D-Wandler 40, der RAM 41, die Steuereinrichtung 42 und die Energiequelle 43 des Regelsystems sind mit einem Mikrocomputer integriert zusammengefaßt und im Zylindergehäuse des Druckzylinders 5 aufgenommen.

Bei der Bestimmung der Arbeitszustände der Oberschenkelprothese, die für einen Prothesenträger geeignet sind, wird die Betriebsartwähleinrichtung 35 auf eine Langsam-Position eingestellt. Dann wird die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 auf einen geeigneten Wert SL für ein langsames Gehen durch Betätigen der Reguliereinrichtung 34 eingeregelt. Die Öffnung SL für ein langsames Gehen wird durch den Erfassungseinrichter 36 erfaßt und im RAM 41 gespeichert. Dann beginnt der Prothesenträger mit einem Gehen bei einer langsamen Geschwindigkeit. Während des Gehens wird eine Standphasenperiode, d.h. eine Zeitspanne, in der der Druckschalter 38 geschlossen ist, gemessen, und es werden die gesamten Standphasenperioden durch die Anzahl der Gehschritte dividiert, um eine mittlere Langsamgang-Haltungsphasenperiode TL zu bestimmen, welche im RAM 41 gespeichert wird.

Dann wird die Betriebsart-Wähleinrichtung 35 auf eine Position für eine mittlere Geschwindigkeit eingestellt sowie die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 auf einen geeigneten Wert SM für ein Gehen mit mittlerer Geschwindigkeit justiert, worauf der Prothesenträger mit einer mittleren Geschwindigkeit geht. Während der Prothesenträger mit dieser mittleren Geschwindigkeit geht, wird in der gleichen Weise, wie oben beschrieben wurde, eine durchschnittliche Mitteltempo-Haltungsphasenperiode TM bestimmt. Die Öffnung SM für ein Gehen mit mittlerem Tempo und die durchschnittliche Mitteltempo-Haltungsphasenperiode TM werden im Speicher 41 gespeichert.

In gleichartiger Weise werden eine Öffnung SS und eine mittlere Schnellgang-Haltungsphasenperiode TS für ein schnelles Gehen bestimmt und im RAM 41 gespeichert.

Anschließend wird die Betriebsart-Wähleinrichtung 35 auf die Playback-Position gebracht, die Öffnung des Ventils des Zylinders 5 wird auf die Stellung SL eingestellt, und dann beginnt der Prothesenträger mit einem Gehen bei einer willkürlichen Geschwindigkeit. Während dieses Gehens werden Schließperioden des Druckschalters 38, die Standphasenperioden T wiedergeben, in Aufeinanderfolge im RAM 41 gespeichert. Die Steuereinrichtung 42 vergleicht die Standphasenperioden T in Aufeinanderfolge mit der mittleren Langsamgang-Haltungsphasenperiode TL, mit der durchschnittlichen Mitteltempo-Haltungsphasenperiode TM und mit der mittleren Schnellgang-Haltungsphasenperiode TS, und es gibt einen Befehl an den Treiberkreis 39, um die Öffnung des Ventils des Zylinders 5 auf einen für die Standphasenperiode T geeigneten Öffnungswert ST durch den Schrittmotor 37 zu justieren. Die geeignete Öffnung ST wird in der folgenden Weise bestimmt:

  • (1) Wenn T<(TL+TM)/2 ist, wird ST auf SL justiert.
  • (2) Wenn (TM+TS)/2>T>(TL+TM)/2 sind, wird ST auf SM justiert.
  • (3) Wenn T>(TM+TS)/2 ist, ST auf SS justiert.


Wenn das Gefühl der Gangarten oder Haltungen bei jeweils den den Öffnungen SL, SM und SS entsprechenden Gehgeschwindigkeiten unterschiedlich ist zu demjenigen, das jeweils den Gangarten oder Haltungen bei den ursprünglich eingestellten Öffnungen entspricht, so werden die Öffnungen in geeigneter Weise erneut justiert.

Somit werden die Bewegung der Oberschenkelprothese beeinflussende Faktoren auf der Grundlage der Ganghaltungen des Prothesenträgers festgesetzt und nicht auf der Grundlage von simulierten Ergebnissen aus einer großen Menge von Daten von Ganghaltungen normaler Personen, wie das bei einer herkömmlichen Oberschenkelprothese der Fall ist. Demzufolge ist der Prothesenträger imstande, mit Ganghaltungen zu gehen, die exakt den physischen Eigenschaften des Prothesenträgers angepaßt sind. Da ferner die Art der Bewegung der Oberschenkelprothese selbsttätig entsprechend der tatsächlichen Ganghaltung des Prothesenträgers geregelt wird, kann dieser mit einer seinem physischen Zustand angepaßten Ganghaltung gehen. Darüber hinaus kann eine Justierung der Oberschenkelprothese durch den Träger selbst vorgenommen werden, ohne andere Personen in Anspruch zu nehmen.

2. Ausführungsform (Fig. 4-8)

Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, ist ein Oberschaft 1 mit einem Unterschaft 2 über eine Kniegelenkwelle 3 verschwenkbar verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist die Kniegelenkwelle 3 am Unterschaft 2 befestigt und drehbar in eine Buchse 4, die am Oberschaft 1 fest angebracht ist, eingepaßt, so daß der Oberschaft 1 um die Gelenkwelle 3 mit Bezug zum Unterschaft 2 drehen kann.

Das äußerste Ende der Kolbenstange eines pneumatischen Druckzylinders 5 ist schwenkbar an eine rückwärtige Verlängerung des Oberschaftes 1 angeschlossen, während das untere Ende des (nicht gezeigten) Zylindergehäuses des Druckzylinders 5 verschwenkbar mit dem Unterschaft 2 verbunden ist. Der Druckzylinder 5 weist ein (nicht gezeigtes) Ventil, um die Luftströmung zu regeln, und ein Drehsolenoid 6 für das Betreiben des Ventils auf. Gummikissen 7 sind jeweils an den einander gegenüberliegenden Seiten des oberen Endes des Unterschaftes 2 angebracht und werden zwischen einem am unteren Ende des Oberschaftes 1 sowie am oberen Ende des Unterschaftes 2 befindlichen Ansatz zusammengedrückt, wenn der Unterschaft 2 mit Bezug zum Oberschaft 1 vorwärts schwingt, um die Schwungbewegung des Unterschaftes 2 an einer bestimmten Grenze anzuhalten. Ein Winkelfühler 8 (ein Näherungsschalter) ist vor der Kniegelenkwelle 3 angeordnet und an der Innenfläche des Frontteils des oberen Endes des Unterschaftes befestigt. An dem frontseitigen Ansatz des Oberschaftes 1 ist eine mit dem Winkelfühler 8 übereinstimmende Metallplatte 9 fest angebracht. Der Winkelfühler 8 ermittelt einen Winkel zwischen dem Oberschaft 1 sowie dem Unterschaft 2 aus der Stellung der Metallplatte 9 mit Bezug zum Winkelfühler 8. Ein Steuergerät entscheidet aus der Änderung der Ermittlungssignale, die die Änderung des Kniewinkels wiedergeben und dem Steuergerät vom Winkelfühler 8 zugeführt werden, ob die Oberschenkelprothese in einer Stand- oder Schwungphase ist. Dann gibt das Steuergerät Steuersignale zur Regelung der Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 durch das Drehsolenoid 6 in mehreren Schritten ab, so daß die Schwungbewegung des Unterschaftes 2 in geeigneter Weise für eine Schwungphase geregelt wird. Der Winkelfühler 8 kann von irgendeiner Bauart sein und an irgendeiner geeigneten Position angebracht werden, wobei vorausgesetzt wird, daß dieser Winkelfühler 8 imstande ist, den Winkel zwischen dem Oberschaft 1 und dem Unterschaft 2 zu ermitteln, wenn der Unterschaft 2 sich in einer Winkellage in einem vorbestimmten Winkelbereich von einer Position, in der die Oberschenkelprothese gestreckt ist, befindet. Beispielsweise kann der Winkelfühler 8 ein lichtelektrischer Schalter oder ein Berührungs-Grenzschalter sein. Das Steuergerät umfaßt einen Mikrocomputer und Ein-/Ausgabe- Vorrichtungen oder eine gleichartige Hardware-Logikschaltung.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Abwandlung kommt eine Kombination eines Potentiometers 10 als Winkelfühler mit einem Kontaktelement 11 anstelle der Kombination eines Näherungsschalters und der Metallplatte 9 zur Anwendung. Das Potentiometer 10 ist an der Kniegelenkwelle 3 vorgesehen, während das Kontaktelement 11 am Oberschaft 1 angebracht ist. Da das Potentiometer 10 in der Lage ist, kontinuierlich den veränderlichen Kniewinkel zu ermitteln, wird durch die Verwendung eines Potentiometers 10 ein kontinuierliches Öffnen des Ventils des Druckzylinders 5 ermöglicht. Da jedoch lediglich die genaue Ermittlung der Periode der Standphase, in welcher der Kniewinkel innerhalb eines festen Winkelbereichs liegt, notwendig ist, um die mit der Erfindung verfolgten Ziele zu erreichen, wird die Periode einer Standphase durch Messen einer Zeitspanne t (Fig. 8b), in welcher der Kniewinkel sich unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertwinkels TH befindet, bestimmt.

Die Oberschenkelprothese in der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist imstande, in geeigneter Weise die Bewegung des Unterschaftes 2 in Übereinstimmung mit der Änderung der Gehgeschwindigkeit des Prothesenträgers zwischen einer langsamen, einer mittleren und einer schnellen Gehgeschwindigkeit zu regeln. Da ferner die Notwendigkeit für einen Druckschalter, um eine Belastung am Unterschaft zu ermitteln, beseitigt ist, kann die Oberschenkelprothese in einer kompakten Konstruktion von geringem Gewicht ausgebildet werden, so daß der Erfindungsgegenstand in wirksamer und leistungsfähiger Weise auf kleine Oberschenkelprothesen für Kinder und kleinwüchsige Personen anwendbar ist. Weil des weiteren die Funktion des Kniewinkelfühlers 8 nicht durch den Zustand des Bodens beeinflußt wird und dieser Fühler eine hohe Zuverlässigkeit für eine sehr lange Gebrauchszeit aufrechterhält, frei von einer Fehlfunktion ist sowie die Einstellung und Wartung erleichtert, weil der Kniewinkelfühler 8 keine gleitenden Bauelemente aufweist, und weil dieser Fühler ohne Schwierigkeiten auf dem Markt verfügbar ist, kann die erfindungsgemäße Oberschenkelprothese mit verminderten Kosten hergestellt werden.

3. Ausführungsform (Fig. 9-14)

Eine Oberschenkelprothese in der dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung enthält eine Vorrichtung, um ein Abfallen des Knies zu verhindern.

Diese Oberschenkelprothese hat einen Oberschaft 1 und einen mit seinem oberen Ende am unteren Ende des Oberschaftes 1 durch eine Kniegelenkwelle 3 gelenkig verbundenen Unterschaft 2. Die Kniegelenkwelle 3 ist am Oberschaft 1 befestigt, so daß der Unterschaft 2 daran schwenken kann. Der Unterschaft 2 kann an der Kniegelenkwelle 3 eine Rückwärts-Schwenkbewegung aus einer gestreckten Lage ausführen und ist nicht imstande, eine Schwenkbewegung nach vorne über die gestreckte Lage hinaus auszuführen. Die Schwenkbewegung des Unterschaftes nach vorne über die gestreckte Lage hinaus wird durch ein Gummikissen 44 (Fig. 10), das an der Vorderseite des oberen Endes des Unterschaftes 2 angebracht ist, begrenzt.

Ein pneumatischer Druckzylinder 5 mit einem Zylindergehäuse 46, einem Kolben 47 und einer Kolbenstange 48 ist in Längsrichtung in einen Raum innerhalb des Unterschaftes 2 angeordnet. Die Kolbenstange 48 ist mit dem Oberschaft 1 durch ein Gelenk 49 verbunden, jedoch kann sie auch unmittelbar am Oberschaft 1 angebracht sein.

An der Kniegelenkwelle 3 ist eine Unterschaft-Bremsvorrichtung 50 befestigt, die eine an der Kniegelenkwelle 3 feste Bremsscheibe 51, einen am Unterschaft 2 angebrachten unteren Bremsschuh 12, der sich gegen den unteren Teil der Bremsscheibe 51 anlegen kann, einen mit dem Oberschaft 1 über einen Stift 14 gelenkig verbundenen oberen Bremsschuh 13, der sich an den oberen Teil der Bremsscheibe 51 anlegen kann, und eine zwischen den freien Enden des unteren sowie oberen Bremsschuhs 12 bzw. 13 angeordnete Druckfeder 15, die den oberen Bremsschuh 13 von der Bremsscheibe 51 trennt, umfaßt.

Ein Stellantrieb 16, um den oberen Bremsschuh 13 mit der Bremsscheibe 51 in Anlage zu bringen, ist in einem Raum innerhalb des Unterschaftes 2 angeordnet. Das eine Ende des Stellantriebs 16 ist mit dem freien Ende des oberen Bremsschuhs 13 durch einen Seilzug 17 verbunden, während das andere Ende an den Unterschaft 2 durch einen Seilzug 18 angeschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Stellantrieb 16 eine Gummiblase oder -röhre (Fig. 12a), die sich seitwärts ausdehnt und in ihrer Länge verringert, wenn Luft eingeführt wird, wie in Fig. 12b gezeigt ist. Der Stellantrieb 16 kann beispielsweise ein bereits bekannter Antrieb sein.

Der Stellantrieb 16 ist mit der oberen Kammer 19 des Druckzylinders 5 durch eine ein Rückschlagventil 21 enthaltende Leitung 22 und mit der unteren Kammer 20 des Zylinders 5 durch eine ein Meßventil 23 sowie ein zweites Rückschlagventil 24 enthaltende Leitung 25 verbunden. Das Rückschlagventil 21 läßt lediglich eine Luftströmung von der oberen Kammer 19 des Druckzylinders 5 in den Stellantrieb 16 zu. Das Rückschlagventil 24 ermöglicht nur eine Luftströmung vom Stellantrieb 16 in die untere Kammer 20 des Druckzylinders 5. Wie am besten der Fig. 13 zu entnehmen ist, stehen die obere Kammer 19 und die untere Kammer 20 des Luftzylinders 5 miteinander durch einen durch den Kolben 47 hindurch ausgebildeten Luftkanal 28 in Verbindung, der mit einem veränderlichen Meßventil 26 und einem modifizierten Rückschlagventil 27 versehen ist. Dieses Rückschlagventil 27 läßt lediglich eine Luftströmung durch den Kanal 28 von der oberen Kammer 19 in die untere Kammer 20 zu. Der Luftkanal 28 kann auch ein außerhalb des Zylindergehäuses 46 ausgebildeter externer Kanal sein, der die obere Kammer 19 und die untere Kammer 20 miteinander verbindet.

Wenn der Unterschaft 2 aus der obersten Position vorwärts schwingt, so bewegt sich der Kolben 47 aufwärts, und es werden das Rückschlagventil 27 geschlossen sowie das Rückschlagventil 21 geöffnet, um eine Strömung der in der oberen Kammer 19 enthaltenen Luft in den Stellantrieb 16 zu ermöglichen. Demzufolge kann der Unterschaft 2 leicht in der Anfangsstufe einer Vorwärts-Schwingbewegung schwenken. Das Meßventil 23 begrenzt die Durchsatzmenge der Luft, um die Schwinggeschwindigkeit des Unterschaftes 2 bei dessen Schwenken nach vorne in geeigneter Weise zu regeln. Da die Menge der in den Stellantrieb 16 eingeführten Luft ansteigt, dehnt sich dieser Stellantrieb 16 seitwärts aus und verringert sich in seiner Länge, um den oberen Bremsschuh 13 durch den Seilzug 17 allmählich zum Zapfen 14 hin zu schwenken, so daß sich der obere Bremsschuh 13 fortschreitend gegen die Bremsscheibe 51 anlegt. Am Ende der Schwingbewegung des Unterschaftes 2 nach vorne hält der obere Bremsschuh 13 die Bremsscheibe 51 fest, um das Abfallen der Oberschenkelprothese, nachdem die Ferse der Prothese am Boden aufgekommen ist, zu verhindern. In der letzten Stufe einer Standphase fließt die auf diese Weise im Stellantrieb 16 angesammelte Luft allmählich durch das Rückschlagventil 24 mit einer durch das Meßventil 23 begrenzten Durchflußmenge in die untere Kammer 20 des Luftzylinders 5 ab, so daß sich der Druck innerhalb des Stellantriebs 16 fortschreitend vermindert und dieser zu seiner ursprünglichen Gestalt zurückkehrt. Demzufolge wird der obere Bremsschuh 13 von der Bremsscheibe 51 durch die elastische Kraft der Druckfeder 15 getrennt. Eine Bremsperiode, während welcher die Bremsvorrichtung 50 tätig ist, wird durch das Meßventil 23 geregelt.

Während der Schwingbewegung des Unterschaftes 2 nach rückwärts, nachdem sich die Ferse der Oberschenkelprothese vom Boden gelöst hat, führt der Kolben 47 eine Abwärtsbewegung aus. Dann strömt die im Zylindergehäuse 46 des Zylinders 5 enthaltene Luft von der oberen Kammer 19 durch das Rückschlagventil 27 und das Meßventil 26 in die untere Kammer 20. Die Durchsatzmenge der von der unteren Kammer 20 in die obere Kammer 19 strömenden Luft wird durch das Meßventil 26 begrenzt, um die Geschwindigkeit der Schwingbewegung des Unterschaftes 2 unter einen vorbestimmten Pegel zu begrenzen.

Bei der in Fig. 14 gezeigten Abwandlung wird anstelle der Gummiröhre oder -blase als Stellantrieb 16 ein weiterer pneumatische Zylinder 30 verwendet, der mit einer Druckfeder 29 in der unteren Kammer ausgestattet ist, um einen Kolben 31 aufwärts zu drücken. Die Funktion des Zylinders 30 ist die gleiche wie diejenige des Stellantriebs 16.

Die Unterschaft-Bremsvorrichtung 50 ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt, sondern kann von irgendeiner geeigneten Art sein.

Somit wird bei der dritten Ausführungsform die Schwenkbewegung des Unterschaftes 2 in geeigneter Weise geregelt, und dieser Schaft wird während einer Standphase gebremst, so daß eindeutig das Abfallen der Oberschenkelprothese verhindert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese mit einem Oberschaft (1), der mit einem Unterschaft (2) gelenkig über eine Kniegelenkwelle (3) verbunden ist und einem diesen bewegenden Druckzylinder (5), der über ein Ventil angesteuert wird, dessen Öffnungsgrad über Einrichtungen eingestellt wird, gekennzeichnet durch eine Reguliereinrichtung (34), die den Öffnungsgrad in Abhängigkeit von mehreren während Gehversuchen ausgewählten Gehgeschwindigkeiten (SL, SM, SS) einstellt,

    eine Betriebsart-Wähleinrichtung (35) zur Wahl verschiedener Öffnungsgrade für mehrere unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten in einem Lehrprogrammeingabebetrieb sowie für einen Playbackbetrieb,

    eine die Öffnungsgrade ermittelnde Erfassungseinrichtung (36),

    eine die Öffnungsgrade der Betriebsart-Wähleinrichtung (35) speichernde Einrichtung (41),

    eine Schwung- und Standphasen erfassende Phasenermittlungseinrichtung (8, 9, 10, 11),

    eine Gehgeschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung, die die tatsächliche Gehgeschwindigkeit aufgrund der jeweiligen Zeitspannen der durch die Phasenermittlungseinrichtung (8, 9, 10, 11) erfaßten Schwung- und Standphasen ermittelt,

    eine Steuereinrichtung (6, 42), die die tatsächlich von der Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung ermittelte Gehgeschwindigkeit mit den entsprechenden gespeicherten Öffnungsgraden der Betriebsart-Wähleinrichtung vergleicht und den Öffnungsgrad des Ventils einstellt.
  2. 2. Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenermittlungseinrichtung ein Winkelfühler (8; 10) ist, der den Winkel zwischen Oberschaft (1) und Unterschaft (2) mißt.
  3. 3. Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterschaftbremseinrichtung (50) vorgesehen ist.






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