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Die Erfindung betrifft ein Prothesenkniegelenk 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 eines solchen Prothesenkniegelenkes. 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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Die gattungsbildende
WO 2007/103579 A2 beschreibt ein energieerzeugendes Prothesenkniegelenk mit einem hydraulischen Drehmomentgenerator, über den kinetische Energie während einer Relativbewegung zwischen einem Oberteil und einem Unterteil in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Umwandlungseinrichtung zur Umwandlung von kinetischer in elektrische Energie wird von dem Fluid der Hydraulikeinheit angetrieben.
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Die
WO 2008/031220 A1 beschreibt einen Generator für Prothesen oder Orthesen. Elektrische Energie für Sensoren, Aktuatoren oder andere elektronische Komponenten wird beispielsweise über einen piezoelektrischen Generator oder einen elektromagnetischen Generator erzeugt. Elektrische Energie kann in Batterien oder dergleichen gespeichert werden.
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Die
EP 1 532 951 A1 beschreibt ein Gelenk für ein Kunstbein und ein Verfahren zum Steuern der Gelenkeinrichtung. Elektrische Energie wird durch das Gewicht des Körpers erzeugt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Prothesenkniegelenk und ein Verfahren zum Betreiben eines Prothesenkniegelenkes bereitzustellen, die möglichst vielseitig und effizient einsetzbar sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Prothesenkniegelenk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das erfindungsgemäße Prothesenkniegelenk 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 der Prothese. 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. 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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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 werden 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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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. Es ist ein mechanischer oder pneumatischer Druckspeicher vorgesehen, der von der Hydraulikeinheit aufgeladen wird und bei Vorliegen eines Steuersignals die Hydraulikeinheit antreibt.
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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 der Hydraulikeinheit 30. Eine konzentrische Ausführung des Servomotors 41 ist ebenfalls denkbar.
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Der Antrieb arbeitet als eine Umwandlungseinrichtung 40, 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 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 bzw. der Umwandlungseinrichtung 40 hinausgeht, wird die hydraulische Dämpfung 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 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 Hydraulikeinheit 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 Hydraulikeinheit 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 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 ist in dem Unterteil 20 angeordnet. Auch hier könnender Antrieb bzw. die Umwandlungseinrichtung 40 sowie die Hydraulikeinheit 30 parallel, insbesondere in einem gewichteten Parallelbetrieb betrieben werden. Statt eines Zahnriemens 43 kann auch eine unmittelbare strömungstechnische Kopplung zwischen dem Antrieb und der Hydraulikeinheit 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 Hydraulikeinheit 30 wirkt.
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In der 3 ist die Hydraulikeinheit 30 ähnlich wie in der 1 aufgebaut. Statt eine mechanische Kopplung mit einem Spindelmotor 41 vorzunehmen, wird der Antrieb durch ein Schaufelrad 44, das durch einen nicht dargestellten elektrischen Motor angetrieben ist, ersetzt. Der Antrieb 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 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 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 Hydraulikeinheit 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 Umwandlungseinrichtung 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 321 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 in Unabhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Kolbens 321 und der Richtung des in 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.
