DE102005051495A1

DE102005051495A1 - Sensoranordnung für die Messung von Kräften und/oder Momenten und Verwendung der Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102005051495A1
Application number: DE102005051495A
Authority: DE
Inventors: Martin Pusch
Original assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-03
Also published as: TW200731958A; US8464597B2; EP1940326B1; TWI360409B; CA2627007A1; ATE474530T1; RU2391944C2; DE502006007498D1; BRPI0617920A2; CN101296674A; US20080276725A1; JP2009513955A; CN101296674B; WO2007048375A1; JP5173821B2; RU2008120595A; EP1940326A1

Abstract

Eine Sensoranordnung für die Messung von Kräften und/oder Momenten, die mittels eines starren Übertragers übertragen werden, wobei die Sensoranordnungen mittels eines ersten Anschlusses (2) mit einem ersten Teil des Übertragers und mittels eines zweiten Anschlusses (10) mit einem zweiten Teil des Übertragers verbindbar und mit mechanisch-elektrischen Sensorelementen (21) zur Umsetzung mechanischer Parameter in elektrische Parameter ausgestattet ist, ermöglicht exakte Messungen bei kleinen Abmessungen dadurch, dass die Sensoranordnung ausgehend von dem ersten Anschluss (2) einen den ersten Anschluss (2) umgebenden ersten Flansch (3) aufweist, der über senkrecht zum ersten Flansch (3) stehende Stege (13) mit einem parallel zum ersten Flansch (3) ausgerichteten zweiten Flansch (12) verbunden ist, wobei der Zwischenraum (15) zwischen den Stegen (13) größer als Breitenabmessungen der Stege (13) ist, dass auf dem zweiten Flansch (12) der zweite Anschluss (10) angeordnet ist und dass die Sensorelemente zur Bestimmung von Dehnungen oder Stauchungen ausgelegt und auf wenigstens einer der beiden Oberflächen des zweiten Flansches (12) neben den Stegen (13) angeordnet sind. Bevorzugt wird die Sensoranordnung in einem künstlichen Glied, insbesondere in einem künstlichen Bein, verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für die Messung von Kräften und/oder Momenten, die mittels eines starren Übertragers übertragen werden, wobei die Sensoranordnung mittels eines ersten Anstoßes mit einem ersten Teil des Übertragers und mittels eines zweiten Anschlusses mit einem zweiten Teil des Übertragers verbindbar ist und mit mechanisch-elektrischen Sensorelementen zur Umsetzung mechanischer Parameter in elektrische Parameter ausgestattet ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer derartigen Sensoranordnung in einem künstlichen Glied, insbesondere in einem künstlichen Bein.

Es sind Sensoranordnungen bekannt, mit denen eine Ganganalyse für einen Patienten durchgeführt werden soll. Da die Sensoranordnungen sehr großvolumig sind, müssen sie in Testprothesen eingebaut werden, die den in der Praxis benutzten Prothesen möglichst gut entsprechen sollen. Aufgrund der anderen Konstruktion der Testprothese und der durch die Sensoranordnung veränderten Gewichtsverhältnisse sind jedoch nur Ganganalysen möglich, die dem Gangverhalten mit einer in der Praxis benutzten Prothese u. U. nur sehr unvollkommen entsprechen.

Es ist ferner versucht worden, den Patienten an der mit einer Prothese versorgten Extremität mit einer Sensoranordnung zu versehen, die mit Beschleunigungsmessern aufgebaut ist. Eine derartige Anordnung kann für die Analyse der Gangdynamik verwendbar sein, erlaubt jedoch keine Messung von Belastungen der Prothese im Stand oder bei quasi statischen Bewegungen.

Durch die DE 101 39 333 A1 ist eine Prothese mit einem Oberschenkelteil, einem Kniegelenk, einem Unterschenkelteil und einem Fußteil bekannt, bei der das Unterschenkelteil zur Aufnahme einer Sensoranordnung ausgebildet ist. Die Sensoranordnung ist zur messtechnischen Trennung von axialen Belastungen von Biegebelastungen eingerichtet. Sie besteht aus einem Rahmen mit gebogenen Seitenstegen zur Messung der Biegebelastung und einem mittigen dünnen Steg zur Messung der vertikalen (axialen) Belastung.

Ein Bedürfnis, Kräfte und/oder Drehmomente zu bestimmen, besteht nicht nur für Prothesen, sondern für zahlreiche andere Anwendungsgebiete, beispielsweise für die Auslegung und Steuerung von Roboterarmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die auf kleinem Raum aufbaubar ist und eine zuverlässige Messung von statischen wie dynamischen Belastungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Sensoranordnung der eingangs erwähnten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoranordnung ausgehend vom ersten Anschluss einen den ersten Anschluss umgebenden ersten Flansch aufweist, der über senkrecht zum ersten Flansch stehende Stege mit einem parallel zum ersten Flansch ausgerichteten zweiten Flansch verbunden ist, wobei der Zwischenraum zwischen den Stegen größer als Breitenabmessungen der Stege ist, dass auf dem zweiten Flansch der zweite Anschluss angeordnet ist und dass die Sensorelemente zur Bestimmung von Drehnungen oder oder Stauchungen ausgelegt und auf wenigstens einer der beiden Oberflächen des zweiten Flansches neben den Stegen angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung erlaubt eine sichere Übertragung der Kräfte von dem ersten Anschluss zum vorzugsweise zentrisch auf dem zweiten Flansch angeordneten zweiten Anschluss und umgekehrt, wobei die übertragenen Kräfte durch Messung von kleinsten Verformungen an dem zweiten Flansch erkennbar sind. Aufgrund der Übertragung der Kräfte zwischen den beiden Flanschen mittels der Stege werden die Verformungen in den Bereichen der den Stegen benachbarten Oberfläche des zweiten Flansches konzentriert und können dort mit den auf Dehnung oder Stauchung reagierenden Sensorelementen detektiert werden. Die Stege, deren Länge vorzugsweise ihre Breitenabmessungen übersteigt, bewirken eine Entkopplung der beiden Flansche, die einer Übertragung der Kräfte ermöglicht, andererseits die Verformungen auf einen der Flansche, hier auf den zweiten Flansch, konzentriert, sodass bezüglich der Verformungen, also bezüglich des Messeffektes, eine Entkopplung der beiden Flansche erreicht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorelemente zur Aufnahme von Dehnungen und Stauchungen auf beiden Oberflächen des zweiten Flansches angeordnet. Durch die dadurch ermöglichte Differenzierung zwischen Dehnungen und Stauchungen kann die Art der übertragenen Kräfte und/oder Momente mit höherer Zuverlässigkeit bestimmt werden. Ferner ist es möglich, vergrößerte Messsignale zu erhalten, wenn die auf der Oberseite und auf der Unterseite des zweiten Flansches befindlichen Sensorelemente in geeigneter Weise miteinander verschaltet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sensoranordnung zweiteilig mit einem den ersten Flansch aufweisenden ersten Teil und einen den zweiten Flansch und die Stege aufweisenden zweiten Teil aufgebaut, wobei die beiden Teile starr miteinander verbindbar sind, beispielsweise durch eine Schraubverbindung. Die Schraubverbindung kann bevorzugt über die Stege erfolgen, wenn diese mit einer Gewindebohrung zur Aufnahme einer Befestigungsschraube versehen sind.

Der erste Anschluss der Sensoranordnung ist vorzugsweise hutförmig mit einem zylindrischen Querschnitt ausgebildet, an den sich der erste Flansch anschließt. Der hutförmige Anschluss kann vorzugsweise eine bekannte Justierpyramide übergreifen und mit Durchgangs-Gewindebohrungen für an den Planflächen der Justierpyramide angreifenden Justierschrauben versehen sein.

Der zweite Anschluss kann beispielsweise mit einer Justierpyramide ausgebildet sein, die über eine konvexe Wölbung in den zweiten Flansch übergeht.

Vorzugsweise sind die Sensorelemente Dehnungsmessstreifen, die in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme linienförmiger Dehnungen oder Stauchungen positioniert sind.

Die vorzugsweise linienförmigen Dehnungs- bzw. Stauchungsbereiche können auf dem zweiten Flansch durch die Anbringung von Ausnehmungen in ihrer Position beeinflusst werden. Die Ausnehmungen können kreisrunde Bohrungen, aber auch Durchgangsöffnungen mit einer beliebigen, beispielsweise etwa dreieckigen Außenkontur sein.

Vorzugsweise weisen der erste und der zweite Flansch eine viereckige Kontur auf und es sind vier Stege zur Verbindung der beiden Flansche an deren Ecken vorgesehen. Die Ausnehmungen, die zur Positionierung der Dehnungs- bzw. Stauchungsbereiche in dem zweiten Flansch vorgesehen sind, befinden sich vorzugsweise zwischen dem zweiten Anschluss und den Stegen, also in einer diagonalen Richtung des vorzugsweise quadratischen zweiten Flansches.

Mit einer derartigen Konstruktion gelingt es, parallel zu den Kanten des zweiten Flansches von den Ausnehmungen verlaufende linienförmige Dehnungs- oder Stauchungsbereiche parallel zu den Kanten des zweiten Flansches auszubilden, sodass hierfür die Dehnungsmessstreifen positioniert werden.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung lässt sich auf einem sehr kleinen Raum realisieren und benötigt eine Bauhöhe von nicht mehr als 2 bis 3 cm.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung lässt sich somit an die Größe und das Gewicht beispielsweise eines Rotationsadapters anpassen, der in einer Beinprothese unmittelbar oberhalb des künstlichen Kniegelenks angeordnet wird. Der eine zusätzliche Rotation ermöglichende Rotationsadapter einer derartigen Prothese kann ge gen die erfindungsgemäße Sensoranordnung ohne weiteres ausgetauscht werden, sodass die für eine Ganganalyse benötigten Kräfte und Momente an der für den Patienten für den anschließenden Gebrauch hergestellten Prothese bestimmt werden können. Die Bestimmung der Belastungen kann somit an der endgültigen Prothese vorgenommen werden, wobei eine Optimierung durch Justierungen der Prothese möglich ist.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist auch für einen Langzeit-Einbau in eine Prothese geeignet, um Langzeituntersuchungen durchzuführen.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine perspektivische Seitenansicht auf ein erstes Teil einer Sensoranordnung;
2 eine perspektivische Ansicht von schräg unten auf das erste Teil gemäß 1;
3 eine perspektivische Seitenansicht des zweiten Teils einer Sensoranordnung;
4 eine perspektivische Ansicht von schräg unten des zweiten Teils gemäß 3;
5 eine perspektivische Seitenansicht der aus den beiden Teilen zusammengesetzten Sensoranordnung;
6 eine perspektivische Ansicht von schräg unten der Sensoranordnung gemäß 5;
7 eine schematische Schnittdarstellung der Sensoranordnung für eine axiale Belastung (z-Richtung) mit einer schematischen Darstellung linienförmiger Stauchbereiche auf dem zweiten Flansch;
8 eine Darstellung gemäß 7 für ein Drehmoment um eine horizontale Achse (x-Achse);
9 eine schematische Darstellung gemäß 7 für eine einwirkende Seitenkraft;
10 eine schematische Darstellung gemäß 7 für ein Drehmoment um eine vertikale Achse (z-Achse).
Die 1 bis 6 verdeutlichen den Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Diese besteht aus einem erste Teil 1, das aus einem hutförmigen zylindrischen Anschluss 2 und einem sich daran anschließenden quadratischen Flansch 3 aufgebaut ist. Der quadratische Flansch 3 weist an seinen Ecken Durchgangslöcher 4 für (nicht dargestellte) Befestigungsschrauben auf.
Der hutförmige Anschluss 2 ist mit einer zylindrischen Mantelwandung 5 aufgebaut, in der sich, jeweils um einen Drehwinkel von 90° versetzt, Gewindebohrungen 6 befinden. Der hutförmige Anschluss 2 weist an seiner Oberseite einen kreiszylindrischen Boden 7 und an seiner Unterseite eine kreisringförmige Krempe 8 auf, die einstückig mit dem rechteckigen Flansch 3 verbunden ist und diesen verstärkt.
2 verdeutlicht, dass der hutförmige Anschluss 2 einen angenähert rechteckig ausgebildeten Aufnahmeraum 9 aufweist, der zur Aufnahme eines Justieradapters dient der vier schräg liegende Justierflächen aufweist, gegen die die durch die Gewindebohrungen 6 hindurch geschraubten Justierschrauben drücken.
Ein derartiger Justieradapter 10 ist an einem zweiten Teil 11 der Sensoranordnung ausgebildet. Das zweite Teil 11 weist einen zweiten, quadratischen Flansch 12 auf, dessen Abmessungen den Abmessungen des ersten Flansches 3 entsprechen. Die beiden Flansche 3, 12 werden durch am zweiten Teil einstückig angeformte Stege 13 miteinander verbunden, die sich an den Ecken des zweiten Flansches 12 nach unten erstrecken, sodass die Stege radial außen von dem huförmigen Anschluss 12 auf dem ersten Flansch 3 aufliegen. Die Stege 13 sind jeweils mit einer Gewinde-Sackbohrung von ihrer Unterseite aus versehen, die mit den Durchgangsbohrungen 4 des ersten Flansches 3 fluchten können.
Die 3 und 4 lassen noch erkennen, dass die Stege 12 einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und sich zu ihren freien Enden hin, also nach unten durch eine zu einem Zwischenraum 15 zwischen zwei Stegen 13 zeigende Schräge 16 verjüngen.
Der Justieradapter 10 befindet sich auf der von den Stegen 13 abgewandten Oberseite 17 des zweiten Flansches 12. Er ist in an sich bekannter Weise in Form eines umgekehrten Pyramidenstumpfes ausgebildet und weist somit vier schräg verlaufende plane Justierflächen 18 auf, die zum Zwecke der Justierung mit Justierschrauben zusammenwirken können. Der Justieradapter 10 geht in einen Sockel 19 mit vergrößertem Durchmesser über, der mit einer gewölbten Fläche einen Übergang zu dem quadratischen zweiten Flansch 12 herstellt.
Der Justieradapter 10 bildet einen zweiten Anschluss der Sensoranordnung. Zwischen diesem zweite Anschluss 10 und den in den Ecken des zweiten Flansches 12 angeordneten Stegen 13 befindet sich, somit in Diagonalrichtung des zweiten quadratischen Flansches 12, jeweils eine Ausnehmung 20 in Form einer Durchgangsbohrung, durch die die unten näher beschriebene Ausbildung von Spannungs- bzw. Dehnungsbereichen beeinflussbar ist.
Die 5 und 6 zeigen die aus den beiden Teilen 1, 11 zusammengesetzte Sensoranordnung im montierten Zustand (jedoch ohne Befestigungsschrauben). Es ist erkennbar, dass zwischen dem Aufnahmeraum 9 des ersten Anschlusses zwei und dem den zweiten Anschluss bildenden Justieradapter 10 nur eine geringe Bauhöhe von 2 bis 3 cm benötigt werden.
Die 7 bis 10 zeigen schematisch jeweils einen Vertikalschnitt durch die Sensoranordnung gemäß den 1 bis 6, jedoch mit einer schematischen Darstellung der auf beide Oberflächen des Flansches 12 geklebten Dehnungsmessstreifen 21 als Sensorelemente.
Die in den 7 bis 10 jeweils darunter befindliche Draufsicht verdeutlicht die Positionierung der Dehnungsmessstreifen 21 derart, dass sie durch linienförmige Stauchungsbereiche 22 oder Dehnungsbereiche 23 in ihrer Länge verändert werden, sodass sich ein geänderter Widerstand ergibt.
7 verdeutlicht den Fall einer Krafteinwirkung in z-Richtung, also in Axialrichtung einer Rohrskelettprothese für einen Unterschenkel. Die an der Oberseite 17 des zweiten Flansches 12 befindlichen Dehnungsmessstreifen 21 befinden sich dabei in Stauchungsbereichen 22, die sich linienförmig von den Durchgangsbohrungen 20 parallel zu den Kanten des zweiten Flansches 12 jeweils zur benachbarten Kante hin erstrecken. Die dementsprechend ausgerichteten Dehnungsmessstreifen 21 verändern somit ihren Widerstandswert in Richtung Stauchung.
Gemäß 8 wird der Justieradapter 10 mit einem Drehmoment um eine senkrecht zur Zeichenebene (x-Richtung) stehende Achse beaufschlagt. Das Drehmoment führt für die auf der Oberseite 17 befindlichen Dehnungsmessstreifen 21 auf der Seite, zu der das Drehmoment hin gerichtet ist (vgl. den eingezeichneten Pfeil Mx in 8) zu einer Stauchung, während sie auf der gegenüberliegenden Seite zur Ausbildung von Dehnungsbereichen 23 führt.
9 zeigt eine auf den Justieradapter 10 einwirkende seitliche Kraft in der Zeichenebene (y-Richtung), durch die nur senkrecht zu der angreifenden Kraft stehende Dehnungsbereiche 23 und Stauchungsbereiche 22 gebildet werden, während die übrigen Dehnungsmessstreifen 21 auf der Oberseite 17 des zweiten Flansches 12 ohne Messsignal bleiben.
Bei einem in 10 dargestellten angreifenden Drehmoment Mz in z-Richtung entstehen an jeder Ausnehmung 20 ein Stauchungsbereich 23 und ein Dehnungsbe reich 22, wobei in Richtung des Drehmoments Mz gesehen, der Stauchungsbereich 23 jeweils um 90° dem Dehnungsbereich 22 vorläuft.
Anhand der dargestellten Beispiele ist erkennbar, dass mit den Dehnungsmessstreifen 21 als Sensorelemente die verschiedenen auftretenden Kräfte und Momente eindeutig detektierbar sind.
Die Dehnungsmessstreifen 21 an der Unterseite des zweiten Flansches 12 ergeben jeweils Signale, die komplementär zu den Signalen der Dehnungsmessstreifen 21 an der Oberseite 17 des zweiten Flansches 12 sind, sodass sie bei einer geeigneten Addition zu einem verstärkten Messsignal beitragen können.

Claims

Sensoranordnung für die Messung von Kräften und/oder Momenten, die mittels eines starren Übertragers übertragen werden, wobei die Sensoranordnungen mittels eines ersten Anschlusses (2) mit einem ersten Teil des Übertragers und mittels eines zweiten Anschlusses (10) mit einem zweiten Teil des Übertragers verbindbar und mit mechanisch-elektrischen Sensorelementen (21) zur Umsetzung mechanischer Parameter in elektrische Parameter ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung ausgehend von dem ersten Anschluss (2) einen den ersten Anschluss (2) umgebenden ersten Flansch (3) aufweist, der über senkrecht zum ersten Flansch (3) stehende Stege (13) mit einem parallel zum ersten Flansch (3) ausgerichteten zweiten Flansch (12) verbunden ist, wobei der Zwischenraum (15) zwischen den Stegen (13) größer als Breitenabmessungen der Stege (13) ist, dass auf dem zweiten Flansch (12) der zweite Anschluss (10) angeordnet ist und dass die Sensorelemente zur Bestimmung von Dehnungen oder Stauchungen ausgelegt und auf wenigstens einer der beiden Oberflächen des zweiten Flansches (12) neben den Stegen (13) angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (21) zur Aufnahme von Dehnungen oder Stauchungen auf beiden Oberflächen des zweiten Flansches (12) angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zweiteilig mit einer den ersten Flansch (3) aufweisenden ersten Teil (1) und einem den zweiten Flansch (12) aufweisenden zweiten Teil (11) aufgebaut ist und dass die Teile (1, 11) starr miteinander verbindbar sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (13) mit einer Gewindebohrung (14) zur Aufnahme einer Befestigungsschraube versehen sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (2) hutförmig mit einem zylindrischen Querschnitt ausgebildet ist, an den sich der erste Flansch (3) anschließt.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (10) mit einer konvexen Wölbung in den zweiten Flansch (12) übergeht.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (21) Dehnungsmessstreifen sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (21) zur Aufnahme linienförmiger Dehnungen oder Stauchungen positioniert sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Flansch (12) Ausnehmungen (20) zur Positionierung von Dehnungsbereichen (23) und Stauchungsbereichen (22) aufweist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Flansch (3) und der zweite Flansch (12) eine viereckige Kontur aufweisen und dass vier Stege (13) vorgesehen sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier Ausnehmungen (20) in diagonaler Richtung zwischen dem zweiten Anschluss (10) und den Stegen (13) angeordnet sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen (21) zur Aufnahme von parallel zu den Kanten des zweiten Flansches (12) von den Ausnehmungen (20) verlaufenden Dehnungen oder Stauchungen positioniert sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschluss (10) zentrisch zum zweiten Flansch (12) angeordnet ist.
Verwendung der Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem künstlichen Glied, insbesondere in einem künstlichen Bein, anstelle eines ausbaubaren Bauteils des künstlichen Glieds, an dessen Abmessungen die Sensoranordnung angepasst ist.
Verwendung der Sensoranordnung gemäß Anspruch 14 anstelle eines Rotationsadapters des künstlichen Beines.