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Die
Erfindung betrifft eine orthopädische Anordnung mit einem
Oberteil und einem gelenkig daran gelagerten Unterteil sowie einer
Hydraulikeinheit mit einem Fluid zwischen dem Oberteil und dem Unterteil,
und einer Umwandlungseinrichtung, die kinetische Energie während
einer Relativbewegung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil in
elektrische Energie umwandelt und/oder umgekehrt sowie ein Verfahren
zum Betreiben einer solchen Anordnung. Insbesondere sind diese Anordnung
und das Verfahren für Protheseneinrichtungen an unteren
Extremitäten geeignet, auch wenn sie nicht darauf beschränkt
sind.
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Das
Gehen mit Protheseneinrichtungen an einer unteren Extremität
erfordert von dem Prothesennutzer neben einem erhöhten
Konzentrationsaufwand auch einen erhöhten energetischen
Aufwand, da die Protheseneinrichtung während des Gehens beschleunigt
werden muss, also aus einer Ruhestellung in Gehrichtung nach vorne
bewegt und vor dem Absetzen abgebremst werden muss. Um ein möglichst
natürliches Gangbild zu erzeugen, sind in Protheseneinrichtungen
Dämpfer vorgesehen, die vielfältige Aufgaben übernehmen.
Neben einer Standphasendämpfung, die eine erhöhte
Stabilität des Prothesengelenkes während der Standphase
bereitstellt, ist eine Schwungphasendämpfung vorgesehen,
die ein ungebremstes nach vorn Schwingen vermeidet und so verhindert,
dass der Prothesenunterschenkel mit dem Prothesenfuß ungebremst
an den Streckanschlag anschlägt. Die Bewegungsenergie wird
durch die Dämpfer in Wärme umgewandelt.
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Weiterhin
sind aus dem Stand der Technik angetriebene Protheseneinrichtungen
bekannt, die ein Verschwenken eines Unterteils relativ zu dem Oberteil
aktiv unterstützen. Die
WO 2004/017872 A1 beschreibt eine angetriebene
Prothese mit einem Prothesenkniegelenk, dem eine Dämpfereinheit
zugeordnet ist. Ebenfalls ist ein Linearaktuator vorgesehen, der
den Unterschenkelschaft gegenüber dem Oberteil verschwenkt.
Die Energieversorgung erfolgt über einen flexiblen Batteriegurt.
Der Linearmotor und der Dämpfer sind strukturell voneinander
getrennt.
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Die
WO 2006/112774 A1 betrifft
eine Kombination aus einer aktuierten und einer passiven Beinprothese
sowie ein Verfahren zum Durchführen einer Bewegung mit
einem entsprechenden Prothesensystem. Das Prothesensystem weist
zumindest ein bewegliches Gelenk und eine Antriebseinheit zum Antreiben
des beweglichen Gelenkes auf. Die Antriebseinheit ist im Hinblick
auf die Kraftübertragung trennbar von dem beweglichen Gelenk
ausgebildet. Der Antrieb wird abgeschaltet und getrennt, wenn ein Bremsen
der Bewegung notwendig wird oder eingeleitet ist. Der Antrieb selbst
wird über eine Batterie mit Energie versorgt. Eine Umwandlung
von Bewegungsenergie in elektrische Energie ist weder vorgesehen
noch möglich, da eine strikte Trennung zwischen Dämpfer
und Antrieb ausgebildet ist.
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Die
WO 2005/050812 A1 beschreibt
eine kompakte Energieversorgungseinheit mit Speicherelementen. Über
eine Umschaltung kann ein Motor zu einem Generator werden, so dass
mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und in den Speicherelementen
gespeichert werden kann.
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Die
WO 2007/025116 A2 beschreibt
eine Protheseneinrichtung mit einem elektronisch gesteuerten Prothesenkniegelenk
und einer elektrischen Bremseinrichtung, die kinetische Energie
in elektrische Energie umwandelt und in einem Akkumulator oder Kondensator
speichert. Durch eine Umschaltung der Steuerung wird aus dem Generator
ein Elektromotor, über den ein distales Prothesenelement
relativ zu einem Oberteil verschwenkt werden kann. Die gespeicherte
Energie kann auch weiteren Einrichtungen zugeführt werden.
Ebenfalls ist eine separate Dämpfereinheit vorgesehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine orthopädische Anordnung
und ein Verfahren zum Betreiben einer orthopädischen Anordnung
bereitzustellen, die möglichst vielseitig und effizient
einsetzbar sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch
eine Protheseneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße orthopädische Anordnung
mit einem Oberteil und einem gelenkig daran gelagerten Unterteil
sowie einer Hydraulikeinheit mit einem Fluid zwischen dem Oberteil
und dem Unterteil, und einer Umwandlungseinrichtung, die kinetische
Energie während einer Relativbewegung zwischen dem Oberteil
und dem Unterteil in elektrische Energie umwandelt und/oder umgekehrt
sieht vor, dass die Umwandlungseinrichtung von dem Fluid der Hydraulikeinheit
angetrieben ist. Das Fluid wird während der Relativbewegung
von Oberteil und Unterteil so geleitet, dass die Umwandlungseinrichtung
angetrieben wird, beispielsweise durch Drehen eines Antriebsrades
oder durch Verlagern eines Kolbens, wodurch neben einer zusätzlichen
Dämpfungswirkung durch die Umwandlungseinrichtung elektrische
Energie bereitgestellt wird. Diese elektrische Energie kann dann
einer Speichereinheit zugeführt und bei Bedarf abgerufen
werden, ebenfalls ist es grundsätzlich möglich,
diese elektrische Energie unmittelbar einem Verbraucher zuzuleiten,
sofern eine Kopplung zwischen dem Verbrauch und dem Grad der Umwandlung
in elektrische Energie besteht. Alternativ oder ergänzend
ist vorgesehen, dass das von der Umwandlungseinrichtung geförderte
Fluid die Hydraulikeinheit antreibt, so dass eine Relativbewegung
zwischen Oberteil und Unterteil unterstützt oder bewirkt
wird. Die Umwandlungseinheit arbeitet somit einmal als Generator
und einmal als Antrieb, z. B. als Pumpe. Die Ausdrücke „Oberteil” und „Unterteil” stehen
veranschaulichend für zwei verschenkbar zueinander verlagerbare
Komponenten einer orthopädischen Anordnung, z. B. einer
Prothese oder Orthese. Das Oberteil und das Unterteil können
insbesondere als Schenkel oder Gelenkkomponenten ausgebildet sein
und in jeder beliebigen Orientierung angeordnet werden. Die Ausdrücke „oben” oder „unten” sind
nicht einschränkend im Hinblick auf einer Anordnung in vertikal
unterschiedlichen Ebenen zu verstehen.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Umwandlungseinrichtung
und die Hydraulikeinheit parallel geschaltet sind. Dadurch ist es
möglich, das die Umwandlungseinheit gesteuert das Bewegungsbild
konstruiert und einen Teil der Dämpferarbeit leistet, während
die Hydraulikeinheit, z. B. als hydraulische Dämpfereinheit
ausgebildet, nur bei Bedarf aktiviert und prozentual zu und abgeschaltet werden
können. Dadurch ist es möglich, dass eine Dämpfung
in einer Protheseneinrichtung oder Ortheseneinrichtung realisiert
wird, die einer jeden Situation angepasst ist. Die von der Umwandlungseinrichtung
maximal umzuwandelnde Energie kann situationsbedingt aufgenommen
und umgewandelt werden, sollte eine noch höhere Dämpfung
benötigt werden, kann die hydraulische Dämpfereinrichtung
aktiviert und eingreifen, beispielsweise beim Stolpern oder beim
Gehen auf einer Gefällstrecke. Alternativ zu einer Parallelschaltung
können die Umwandlungseinrichtung und die Hydraulikeinheit
auch seriell geschaltet sein,
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Das
Fluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit, insbesondere eine
Hydraulikflüssigkeit, um eine unmittelbare Kraftübertragung
aufgrund der im Wesentlichen vorhandenen Inkompressibilität
einer Flüssigkeit, zu erhalten. So kann insbesondere in
Notfällen, beispielsweise beim Stolpern, durch Zuschalten
einer hydraulischen Dämpfereinheit schnell reagiert werden
oder bei aktiv zu steuernden Armprothesen eine schnelle Aktuierung
erfolgen. Ebenfalls wird bei einem Generatorbetrieb eine unmittelbare Übertragung
der kinetischen Energie ohne Kompressionsverluste vorgenommen, was
die Effektivität steigert.
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Der
Umwandlungseinrichtung, insbesondere wenn sie als Pumpe mit Antrieb
ausgebildet ist, ist bevorzugt ein Bremse zugeordnet, z. B. eine
mechanische oder elektrische Bremse. Die Pumpe kann als Ventil fungieren,
so dass in diesem Fall die Pumpe gebremst werden muss. Alternativ
kann zu jeder Pumpe ein separates Ventil angeordnet werden, das separat
geschaltet werden kann, so dass bei Bedarf ein entsprechender Widerstand
dem Fluid entgegengesetzt werden kann.
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Als
Antrieb für die orthopädische Anordnung ist insbesondere
ein Elektromotor vorgesehen, der gespeicherte elektrische Energie
in kinetische Energie rückumwandelt. Alternative Motoren
können ebenfalls vorgesehen sein, die eine ausreichende Verlagerung
und Leistung bereitstellen können. Der Elektromotor ist
insbesondere als Servomotor oder Spindelmotor ausgebildet, um entweder
unmittelbar oder über ein mechanisches oder hydraulisches
Getriebe eine Verlagerung des Unterteils relativ zu dem Oberteil
zu bewirken. Der Elektromotor kann dabei in dem Oberteil, in dem
Unterteil oder in der Gelenkeinrichtung angeordnet sein und ist
zur Nutzung des begrenzten Bauraumes bevorzugt auch als Umwandlungseinrichtung
ausgebildet. Da Elektromotoren grundsätzlich auch als Generatoren
betrieben werden können, ist eine Steuerschaltung zum Umschalten
von Ladebetrieb auf Arbeitsbetrieb vorgesehen, um den Motor je nach
Situation entweder als Aktuator oder als Generator einsetzen zu
können. Entsprechende Schutzschaltungen sind ebenfalls
vorgesehen, um ein Überladen der Speichereinrichtung oder einen
falschen Betriebsmodus auszuschließen.
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In
der Umwandlungseinrichtung kann eine Pumpe zur Förderung
des Fluides vorhanden sein, so dass die Hydraulikeinheit, z. B.
der Dämpfer ein Dämpfereinrichtung, gleichzeitig
als ein Teil des Antriebes genutzt werden kann. Die Umwandlungseinrichtung
ist dementsprechend mit einer Turbine, einer Zahnradpumpe, Membranpumpe
oder mit einer Kolbenpumpe gekoppelt und wirkt je nach Arbeitsmodus als
Antriebs- oder Abtriebsmittel. Soll elektrische Energie in kinetische
Energie umgewandelt werden, wirkt der Antrieb als Pumpe, soll kinetische
Energie in elektrische Energie umgewandelt werden, wirkt die Pumpe
als eine Turbine oder als Schaufelrad.
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Der
Elektromotor kann mit einem Getriebe mit der Pumpe gekoppelt sein,
um eine günstige Übersetzung zu erzielen, umgekehrt
kann die als Turbine arbeitende Pumpe über das Getriebe
den als Generator in einem günstigen Drehzahlbereich antreiben.
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Eine
Speichereinrichtung zur Speicherung erzeugter elektrischer Energie
kann als Akkumulator und/oder als Kondensator ausgebildet sein,
um einerseits große Energiemengen speichern und um andererseits
hohe Spitzenlasten bereitstellen zu können.
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Die
Hydraulikeinheit selbst kann als eine herkömmliche Kolbenhydraulik
oder als Rotationshydraulik ausgebildet sein, je nach Aufbau der
orthopädischen Anordnung. Das Gelenk zwischen dem Oberteil
und dem Unterteil kann dabei als ein einachsiges oder als ein Mehrlenker-Gelenk
ausgebildet sein, je nach Anordnung des Gelenkes an der orthopädischen
Anordnung. Insbesondere sind Fußgelenkseinrichtungen und
Kniegelenkseinrichtungen vorgesehen, um die kinetische Energie in
elektrische Energie umzuwandeln. Grundsätzlich kann jedoch auch
ein Hüftgelenk eingesetzt werden, um die Umwandlung auszuführen.
Die Elektrik-Hydraulik-Kopplung ist jedoch nicht auf eine Prothetik
der untern Extremitäten beschränkt, vielmehr kann
sie auch im Bereich der Orthetik und im Bereich der oberen Extremitäten
eingesetzt werden. Dabei wird einer Strömung einer Hydraulikeinheit,
z. B. einem Dämpfer oder einem hydraulischen Aktuator,
entweder Energie entzogen oder zugeführt, um die gewünschten
Effekte, also Dämpfung oder Unterstützung der
Bewegung, zu bewirken.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Reservoir des Fluids
mit der Hydraulikeinheit und einem Antrieb über eine Ventilkombination gekoppelt
ist, um Volumenschwankungen ausgleichen und eine ausreichende Menge
an Fluid bereitstellen zu können. Die Ventilkombination
dient dazu, einen entsprechend gewichteten Parallelbetrieb zwischen
der Hydraulikeinheit und dem Generator bzw. der Umwandlungseinrichtung
zu gewährleisten.
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Um
für besondere Situationen zusätzliche Energie
bereitstellen zu können, ist vorgesehen, dass ein Druckspeicher
mit der Hydraulikeinheit über eine Ventilkombination gekoppelt
ist, beispielsweise einen federbelasteten Kolben, der im Verlauf
der Bewegung entgegen der Federkraft vorgespannt wird, um beispielsweise
eine Unterstützung beim Aufstehen oder einer anderen Bewegung
zu ermöglichen, wenn die gespeicherte Energie abgerufen
wird.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass zumindest eine einstellbare Drossel parallel
und/oder in Serie zu dem Fluidstrom der Umwandlungseinrichtung angeordnet
ist, damit die Umwandlungseinrichtung unabhängig von dem
maximal auftretenden Volumenströmen ausgelegt werden kann.
Ist die Umwandlungseinrichtung in Serie zu der Hydraulikeinheit
geschaltet, müsste sie den gesamten Volumenstrom bewältigen
können, der bei großen Bewegungen erzeugt wird,
zum Beispiel bei der Schwungphase des Kniegelenkes. Durch die Anordnung
einer Drossel oder eines Drosselventils ist es möglich,
dass der wesentliche Strömungswiderstand von der Drossel
erzeugt wird, so dass eine relativ klein ausgelegte Umwandlungseinrichtung
nicht überlastet wird. Bei einer Parallelschaltung der
verstellbaren Drossel zu der Umwandlungseinrichtung kann der Durchfluss
des Fluides, das von der Hydraulikeinheit durch die Leitungen gedrückt
wird, in einem weiten Rahmen erweitert werden. Wird das parallel
geschaltete Ventil geschlossen, wird der gesamte Widerstand des
hydraulischen Systems über die Umwandlungseinrichtung aufgebracht.
Bezogen auf eine Anordnung in einem Kniegelenk bedeutet dies, dass
die energiereiche Standphase den maximalen Umwandlungsgrad erzeugt.
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Eine
besonders wirkungsvolle, wenn auch steuerungstechnisch anspruchsvolle
Anordnung besteht in der Kombination von Parallelschaltung und Serienschaltung
mit mehreren Drosseln, so dass stets der optimale Betriebsmodus
gewählt werden kann. Soll eine richtungsabhängige
Umwandlung und Steuerung erfolgen, ist es vorteilhaft, die Drosseln
mit Rückschlagventilen zu koppeln, um nur in der jeweils
gewünschten Schwenkrichtung die Fluidströmung
zuzulassen.
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Das
Verfahren zum Betreiben einer orthopädischen Anordnung
mit einem Oberteil und einem gelenkig daran gelagerten Unterteil,
zwischen denen eine Hydraulikeinheit mit einem Fluid angeordnet
ist und bei dem das Oberteil relativ zu dem Unterteil über
eine Umwandlungseinrichtung verschwenkt wird, sieht vor, dass die
Umwandlungseinrichtung von dem Fluid angetrieben wird und kinetische
Energie während der Relativbewegung in elektrische Energie
umwandelt und/oder die Hydraulikeinheit über das von der
Umwandlungseinrichtung geförderte Fluid angetrieben wird.
Statt einer Umwandlung der kinetischen Energie in thermische Energie
wird elektrische Energie bereitgestellt, die einem Antrieb wieder zugeführt
werden kann, um in verschiedenen Bewegungssituationen eine Unterstützung
des Nutzers der orthopädischen Anordnung bereitstellen
zu können. Ebenfalls wird dadurch der Grad der Autonomie
eines Nutzers erhöht, da eine Wechselspeichereinheit in
Gestalt einer Ersatzbatterie in der Regel nicht mehr mitgeführt
werden muss, die bei herkömmlichen, motorisch unterstützten
oder angetriebenen orthopädischen Anordnungen wie Prothesen
oder Orthesen erforderlich sind. Die Einsatzzeiten der orthopädischen
Einrichtungen werden signifikant verlängert, so dass elektronische
gesteuerte Hydraulikeinheiten und motorische Antriebe nahezu unabhängig
von einer externen Energiequelle betrieben werden können.
Die Energieversorgung erfolgt über die Bewegung, z. B.
das Gehen, also durch den Nutzer selbst.
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Der
Generator bzw. die Umwandlungseinheit und die Hydraulikeinheit werden
entweder im Seriellbetrieb oder in einem Parallelbetrieb, insbesondere in
einem gewichteten Parallelbetrieb betrieben, bei dem die Energieumwandlung
das Bewegungsbild nicht beeinträchtigt.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 – eine
schematische Darstellung einer Hydraulikeinheit mit einem gekoppelten
Antrieb;
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2 – eine
alternative Lösung mit einer Rotationshydraulik;
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3 – eine
Variante der 1 mit einer Pumpe;
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4 – eine
Variante mit einem mechanischen Kraftspeicher
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5 – eine
serielle Anordnung eines Drosselventils;
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6 – eine
parallele Anordnung eines Drosselventils;
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7 – eine
serielle und parallele Anordnung von Drosselventilen; sowie
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8 – parallele
Drosselventile mit Rückschlagventilen.
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In
der 1 ist ein Teil einer orthopädischen Anordnung
in Gestalt einer Protheseneinrichtung zum Einsatz an einer unteren
Extremität dargestellt. Die Protheseneinrichtung weist
ein Oberteil und ein Unterteil auf. An dem Oberteil sind Anschlussmittel zur
Kopplung an einen Prothesenträger angeordnet, beispielsweise
Adapter zur Befestigung an einem Oberschenkelstumpf oder an der
Hüfte eines Prothesenträgers. Weiterhin weist
die Protheseneinrichtung ein Unterteil auf, das mit dem Oberteil über
eine Gelenkeinrichtung verbunden ist. Diese Gelenkeinrichtung kann
als einachsiges oder polyzentrisches Gelenk ausgebildet sein und
ermöglicht ein Verschwenken des Unterteils relativ zu dem
Oberteil. An dem Unterteil sind weitere, distale Prothesenelemente
angeordnet, beispielsweise ein Prothesenfuß.
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Der
dargestellte Teil der Protheseneinrichtung sieht Anschlusselementen 11 zur
Befestigung an einem Oberteil sowie Anschlusselemente 21 zur Befestigung
an einem Unterteil vor. Dargestellt ist eine Hydraulikeinheit 30 als
eine Dämpfereinrichtung in Gestalt einer Kolbenhydraulik 32,
die aus einem Zylinder 320 und einem längsbeweglich
darin geführten Kolben 321 ausgebildet ist. An
dem Kolben 321 ist eine Kolbenstange 322 befestigt, über
die das Anschlusselement 21 mit dem Unterteil gekoppelt
ist. Der Hydraulikzylinder 320 ist an dem Oberteil 10 über das
obere Anschlusselement 11 festgelegt. Die beiden durch
den Kolben 321 abgeteilten Druckkammern sind über
Leitungen und Ventile 80, 81 miteinander verbunden
und an einem Reservoir 50 für das Fluid 31 angeschlossen,
das Fluid 31 ist insbesondere als eine Hydraulikflüssigkeit
ausgebildet. Beim Verlagern des Unterteils 20 relativ zu
dem Oberteil 10 wird die Kolbenstange 322 gemäß dem
Doppelpfeil nach oben oder unten bewegt, wodurch ein Fluidstrom
des Fluides 31 von der oberen Dämpferkammer in
die untere Dämpferkammer oder umgekehrt geleitet wird. Über
die Ventile 80, 81 kann der Grad und die Art der
Dämpfung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern,
beispielsweise der Bewegungsgeschwindigkeit, der Bewegungsrichtung
oder des Zustandes des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 geregelt
werden.
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Parallel
zu der Kolbenhydraulik 32 ist eine Umwandlungseinrichtung 40 in
Funktion als Antrieb in Gestalt eines Spindelmotors 41 angeordnet.
Das Gehäuse 400 ist an dem oberen Anschlusselement 11 festgelegt,
eine Spindel 410 an dem unteren Anschlusselement 21,
so dass ein im Wesentlichen paralleler Aufbau zu der Kolbenhydraulik 20 vorhanden ist.
Der Spindelmotor 41 ist als Servomotor ausgeführt
und ähnelt in der dargestellten Ausführungsform dem
Zylinder 30. Eine konzentrische Ausführung des Servomotors 41 ist
ebenfalls denkbar.
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Der
Antrieb 40 arbeitet als eine Umwandlungseinrichtung, die
mechanische Energie aufgrund einer Verlagerung des Oberteils 10 relativ
zu dem Unterteil 20 in elektrische Energie umwandelt. Ein solcher
Generatorbetrieb wird durch eine entsprechende Steuerschaltung realisiert.
Die dadurch erzeugte elektrische Energie wird entweder einer Speichereinheit 70 oder
einem Verbraucher unmittelbar zugeführt. Die Speichereinheit 70 kann
als ein Akkumulator oder Kondensator ausgebildet sein, alternative
Speicherkonzepte können ebenfalls eingesetzt werden. Die
Spindel 410 ist als eine Bewegungsspindel ausgeführt,
so dass keine Selbsthemmung vorhanden ist.
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Um
die Protheseneinrichtung betreiben zu können, kann bei
einem geregelten Betrieb die Dämpfung 30 mit der
Kolbenhydraulik 32 ständig prozentual zu- und
abgeschaltet werden, sofern Bedarf für eine erhöhte
Dämpfung besteht. Grundsätzlich wird jedoch versucht,
dass der im Vergleich zu der Hydraulikdämpfung dynamischere
Servomotor 41 das Gangbild konstruiert, also sowohl ein
Bremsen als auch ein Beschleunigen des Unterteils 20 zu
dem Oberteil 10 bewirkt. Auf diese Art und Weise kann eine
zu jeder Gangsituation passende Dämpfung realisiert werden,
die grundsätzlich die maximal umzuwandelnde Energie aus
dem Bewegungsvorgang dem Servomotor 41 übergibt,
der diese dann in elektrische Energie umwandelt. Sollte eine Dämpfung
benötigt werden, die über das Leistungsvermögen
des Antriebs 40 bzw. der Umwandlungseinrichtung 40 hinausgeht,
wird die hydraulische Dämpfung 30 durch die Ventile 80, 81 hinzugeschaltet.
Dies ist beispielsweise bei einem Stolpern oder einem Gehen auf
starker Steigung oder im starken Gefälle notwendig. Bei einem
System, das nur durch den Servomotor 41 geregelt wird,
kann eine Hydraulikdämpfung 30 mit einfachen Schaltventilen
Einsatz finden, wodurch eine Verbilligung und Vereinfachung des
Gesamtsystems bereitgestellt wird. In einem 4-Quadranten-Betrieb kann
der Motor 41 als Generator betrieben werden. Eine gewichtete
Umschaltung zwischen dem Servomotor 41 und der Kolbenhydraulik 32 ermöglicht
ein hohes Maß an Effizienz und Bereitstellung elektrischer
Energie, was bei einem ungewichteten Parallelbetrieb von Motor 41 bzw.
Umwandlungseinrichtung 40 und Dämpfer 30 nicht
möglich, da im letzteren Fall das Gangbild zu stark beeinflusst
werden würde. Eine gewichtete Schaltung zwischen den beiden
Systemen beeinträchtigt das Gangbild nicht oder nur in
einem geringen Maße, so dass neben einer hohen Energieeffizienz
auch ein natürliches Gangbild realisiert wird.
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Sollte
eine Unterstützung einer Bewegung des Nutzes der orthopädischen
Anordnung oder der Prothese notwendig sein, kann die Umwandlungseinrichtung
von einem Generatorbetrieb auf einen Unterstützungsbetrieb
umgeschaltet werden.
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Dann
treibt der Motor 41 die Umwandlungseinrichtung 40 an,
die als Pumpe wirkt und dem Hydrauliksystem kinetische Energie zuführt.
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In
der 2 ist in einer schematischen Darstellung eine
Protheseneinrichtung mit einem Oberteil 10 und einem Unterteil 20 dargestellt.
Das Oberteil 10 und das Unterteil 20 sind über
eine gemeinsame Schwenkachse miteinander verbunden. Statt eines
längsverschieblichen Kolbens 321, wie in der 1 dargestellt
ist, ist in der Dämpfereinheit 30 ein Schwenkkolben
angeordnet, der die beiden Dämpferkammern voneinander trennt. Über
ein Ventilsystem sind die beiden Dämpferkammern strömungstechnisch
miteinander verbunden. Je nach Steuerung der Ventile innerhalb der
sogenannten Rotationshydraulik 33 kann ein erhöhtes
oder vermindertes Maß an Dämpfung bereitgestellt
werden. Der Grad der Durchströmung des Fluids bzw. der
Widerstand kann in Abhängigkeit von vielen Parametern eingestellt
werden.
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Parallel
zu der Schwenkachse des Oberteils 10 und des Unterteils 20 ist
der Servomotor 41 des Antriebs 40 in der Gelenkeinrichtung
der Protheseneinrichtung eingebaut. Statt eines Spindelmotors wird
ein herkömmlicher Servomotor 41 vorgesehen, der über
ein Getriebe 42 und ein Zugmittelbetrieb 43, beispielsweise
ein Zahnriemen, mit dem Oberteil 10 gekoppelt ist. Der
Antrieb 40 ist in dem Unterteil 20 angeordnet.
Auch hier können der Antrieb 40 bzw. die Umwandlungseinrichtung
sowie die Dämpfereinrichtung 30 parallel, insbesondere
in einem gewichteten Parallelbetrieb betrieben werden. Statt eines Zahnriemens 43 kann
auch eine unmittelbare strömungstechnische Kopplung zwischen
dem Antrieb 40 und der Dämpfereinrichtung 30 vorgesehen
sein, indem das Fluid 31 aus der Rotationshydraulik 33 über
ein Schaufelrad oder eine Turbine, das oder die an dem Getriebeausgang 42 gekoppelt,
sind, geleitet wird. Dadurch wird unmittelbar der Motor 41 durch die
Dämpferflüssigkeit 31 angetrieben, sofern
von dem Antriebsmodus auf den Generatormodus umgeschaltet wurde.
Um eine aktive Verlagerung des Unterteils 20 relativ zu
dem Oberteil 10 zu bewirken, wird in den Antriebsmodus
gewechselt, wodurch der Servomotor 41 über das
Getriebe 42 und den Zahnriemen 43 bzw. über
eine Druckbeaufschlagung durch das Schaufelrad oder eine andere
Pumpenausgestaltung auf den Schwenkkolben der Rotationshydraulik 33 der
Dämpfereinrichtung 30 wirkt.
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In
der 3 ist die Dämpfereinrichtung 30 ähnlich
wie in der 1 aufgebaut. Statt eine mechanische
Kopplung mit einem Spindelmotor 41 vorzunehmen, wird der
Antrieb 40 über ein Schaufelrad 44, das
durch einen nicht dargestellten elektrischen Motor angetrieben ist,
ersetzt. Der Antrieb 40 ist somit eine elektrisch betriebene
Hydraulikpumpe, die dazu verwendet wird, den Hydraulikzylinder 320 mit
einem entsprechenden Fluid zu beaufschlagen. Grundsätzlich
ist auch eine Rotationshydraulik 33, wie in der 2 dargestellt,
möglich, um eine Verlagerung des Oberteils 10 relativ
zu dem Unterteil 20 zu bewirken. Über die Hydraulikpumpe
wird über die Ventile 80, 81 das Fluid,
das vorliegend als Druckfluid ausgebildet ist, in die Dämpferhydraulik
eingespeist. Soll das Unterteil 20 nicht aktuiert werden,
wird der Fluidstrom durch das Schaufelrad 44 hindurchgeleitet,
der Elektromotor wird im Generatorbetrieb betrieben und die kinetische
Energie wird in elektrische Energie umgewandelt. Über eine
leistungsfähige Pumpen-Ventilkombination kann der Kolben 321 oder
eine Rotationshydraulik 33 angetrieben werden, was unter
anderem auch dazu benutzt werden kann, ein unterstütztes
Aufstehen zu ermöglichen. Je nach Auslegung der Leitungen,
Ventile und der Pumpe wird ein „Getriebe” zwischen
der Pumpe 40 und dem Kolben 321 realisiert, was
dazu führen könnte, dass das System relativ langsam
reagiert, also dass das Aufstehen nur in einer vorbestimmten Geschwindigkeit
erfolgt. Hier kann ein zusätzlicher Druckspeicher Abhilfe
schaffen, was später erläutert werden wird. Über die
Hydraulikleitungen ist es möglich, die Pumpe an dem konstruktiv
günstigsten Ort anzuordnen, also an dem Ort, der minimale
Strömungsverluste bei gleichzeitiger optimaler Gewichtsverteilung
innerhalb der Protheseneinrichtung gewährleistet.
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Sofern
eine Energierückgewinnung erfolgen soll, wird das Schaufelrad 44 oder
eine andere Pumpenkonstruktion angetrieben. Der durch das Gehen erzeugte
Fluidstrom treibt die Pumpe an und generiert so Strom über
den umgeschalteten Motor. Ebenfalls kann die Pumpe bzw. Antriebseinrichtung 40 im Generatormodus
als eine Art Ventil genutzt werden, je nach dem, wie stark der Motor
durch das Kurzschließen der Windungen belastet wird, wird
der Widerstand erhöht oder verringert.
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Grundsätzlich
ist auch ein gebremstes Schaufelrad oder ein anderes Pumpensystem,
beispielsweise eine Drehscheiben- oder Zahnradpumpe, geeignet, eingesetzt
zu werden.
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In
der 4 ist als eine Ergänzung zu dem elektrischen
Antrieb ein mechanischer Druckspeicher 60 in Gestalt eines
Reservoirs mit einem darin angeordneten Kolben 61 und einer
Druckfeder 62 angeordnet. Der Druckspeicher 60 kann
zusätzlich zu den in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Die überschüssige Energie
wird statt in elektrische Energie in mechanische Energie in Gestalt
einer vorgespannten Feder 62 umgewandelt. Bei jedem Schritt
wird die Feder 62 weiter zusammengedrückt, was
dazu führt, dass das System sich beim Gehen mechanisch
auflädt. Auf Knopfdruck oder bei einem entsprechenden anderen Steuerungssignal
wird ein Ventil umgeschaltet, das über einen Druckminderer
ein Verschwenken des Unterteils 20 gegenüber dem
Oberteil 10 bewirkt und den Patienten langsam anheben kann.
Die Feder 62 drückt über den Kolben 60 das Öl
aus dem Druckspeicher 60 und treibt so den Zylinder 321 der
Dämpfereinrichtung 30 an, wodurch das untere Anschlussmittel 21 relativ
zu dem oberen Anschlussmittel 11 verlagert wird. Statt
einer Feder 62 ist auch ein pneumatischer Druckspeicher
einsetzbar.
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In
der 5 ist schematisch die Anordnung der Hydraulikeinheit 30 in
Gestalt eines längsverschieblich an einer Kolbenstange 322 gelagerten
Hydraulikkolbens 321, der in einem Zylinder 320 geführt ist,
gezeigt. Die durch den Kolben 321 getrennten Kolbenkammern
sind durch eine Fluidleitung 324 miteinander verbunden.
Innerhalb dieser Fluidleitung 324 ist die Umwandlungseinrichtung 40 in
Gestalt einer Pumpe angeordnet. In der Fluidleitung 324 ist
ein motorisch verstellbares Drosselventil 90 angeordnet, das
in Serie zu der Umwandlungseinheit 40 geschaltet ist. Das
Drosselventil 90 kann auf der Grundlage von Sensordaten
verstellt werden, um den maximalen Durchlass von der Hydraulikeinheit 30 zu
der Umwandlungseinrichtung 40 einzustellen. Da die Umwandlungseinrichtung 40 in
Gestalt der Pumpe in Serie zu der Hydraulikeinheit 30 geschaltet
ist, müsste sie den kompletten Fluidstrom auch bei großen
Bewegungen der orthopädischen Anordnung aufnehmen können.
Dazu müsste die Umwandlungseinrichtung 40 entsprechend
groß ausgelegt sein. Um den Volumenstrom zu begrenzen oder
eine verstärkte Dämpfung der orthopädischen
Anordnung bereitstellen zu können, kann das Drosselventil 90 dergestalt verstellt
werden, dass ein höherer hydraulischer Widerstand innerhalb
der Fluidleitung 324 erzeugt wird. Ist die Umwandlungseinrichtung 40 auf
große Volumenströme ausgelegt, würde
nur eine unzureichende Dämpfung bei geringen Amplituden
des Kolbens 30 auftreten, so dass eine unzureichende Dämpfung beispielsweise
während der Standphase bereitgestellt werden könnte. Über
die Verstellung des Drosselventils 90 kann hier eine Anpassung
erfolgen, die beispielsweise auf der Grundlage von Sensordaten bzgl.
der Stellung der Teile zueinander, der Verschwenkgeschwindigkeit
oder des Verschwenkwinkels basiert.
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Die 6 zeigt
eine Variante der Erfindung, bei der das Verstellventil 90 parallel
zu der Umwandlungseinrichtung 40 in Gestalt einer Pumpe
angeordnet ist. Wird das Verstellventil 90 gemäß der
Anordnung in 6 verschlossen, erzeugt die
Umwandlungseinrichtung 40 den gesamten hydraulischen Widerstand.
Bezogen auf ein Kniegelenk heißt dies, dass in der energiereichen
Standphase ein maximaler Umwandlungsgrad erzeugt wird. Da jedoch
eine Standphasenbeugung nicht immer auftritt, kann es vorkommen,
dass keine Umwandlung in elektrische Energie stattfindet. Um eine
hinreichende Stabilität des Gelenks zu erreichen, erscheint
daher diese Anordnung weniger geeignet.
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Eine
Variante der Erfindung ist in der 7 dargestellt,
bei der mehrere Verstellventile 90 in der Fluidleitung 324 angeordnet
sind. Dabei ist ein erstes Drosselventil 90 parallel zu
der Umwandlungseinrichtung 40 und ein zweites Drosselventil 90 in
Serie zu der Umwandlungseinrichtung 40 angeordnet. Dadurch
kann der optimale Betriebsmodus gewählt werden. Ist eine
hohe Standphasensicherung notwendig, wird das in Serie geschaltete
Drosselventil geschlossen und dadurch der Strömungswiderstand
erhöht, soll ein maximaler Umwandlungsgrad erreicht werden,
wird das parallel angeordnete Ventil 90 geschlossen, während
das in Serie geschaltete Ventil 90 geöffnet wird.
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Eine
richtungsabhängige Drosselanordnung ist in der 8 dargestellt,
bei der den beiden parallel geschalteten Drosselventilen 90 jeweils
umgekehrt wirksame Rückschlagventile 91 zugeordnet sind.
Auf diese Art und Weise kann Unabhängigkeit von der Bewegungsrichtung
des Kolbens 321 und der Richtung des Fluidstromes in der
Fluidleitung 324 ein angepasster Strömungswiderstand
bereitgestellt werden.
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Als
Pumpen für die Umwandlungseinrichtungen 40 haben
sich Zahnradpumpen als besonders geeignet herausgestellt. Ebenfalls
möglich sind Turbinen und Flügelräder
sowie Drehschieberpumpen, aufgrund des ungleichförmigen
Volumenstroms sowie einer Todpunktproblematik sind Membranpumpen
und Kolbenpumpen weniger geeignet. Als bevorzugter Motortyp für
den Motor-Generator-Betrieb sind Drehstrommaschinen oder elektronisch
kommutierte Gleichstrommaschinen bevorzugt einzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/017872
A1 [0003]
- - WO 2006/112774 A1 [0004]
- - WO 2005/050812 A1 [0005]
- - WO 2007/025116 A2 [0006]