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Die Erfindung betrifft eine Knieexartikulationsprothese mit Anschlussmitteln zur Befestigung an einem Oberschenkelstumpf, mit einem künstlichen Ersatzglied des Beinabschnitts unterhalb des Knies, mit einer Drehachse, und mit einer hydraulischen Zylinderanordnung.
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Prothesen sind mechanische Ersatzmittel für Körperglieder eines Menschen. Das Ziel von Prothesen ist es, die Form und zunehmend auch die Funktion des natürlichen Körpergliedes, welches sie ersetzen sollen, nachzuempfinden. So sollen Prothesen für die unteren Körperglieder des Menschen eine Gehbewegung ermöglichen, die der natürlichen Gehbewegung möglichst nahe kommt und für den Träger möglichst geringe geistige und körperliche Aufwendungen zur Durchführung dieser Bewegungen bedeutet.
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Aus der
US 7,118,601 B2 ist hierzu eine Prothese mit einem künstlichen Fußgelenk bekannt. Diese Prothese kann eingesetzt werden, wenn eine Amputation eines Beines unterhalb des Knies erfolgt, also der Oberschenkel und das Knie erhalten bleiben. Das aus der
US 7,118,601 B2 bekannte Fußgelenk ermöglicht eine Unterstützung der beim Auftreten des Fußes während eines Gehvorganges sinnvollen Schwenkvorgänge des Fußes relativ zum Unterschenkel. Hierzu werden mehrere Verbindungselemente eingesetzt, die im Wesentlichen in Längsrichtung des Beines verlaufen, aber winklig zueinander angeordnet sind. Eines dieser Verbindungselemente besitzt eine konstante Länge und ist nicht längenveränderlich. Die anderen Verbindungselemente sind jeweils längenveränderlich, können also ausgedehnt und zusammengezogen werden. Hierzu wird insbesondere mittels Federn eine Kraft ausgeübt. Die Verbindungselemente enden jeweils in Kugelgelenken an einer Anbringungsplatte. Eine der Anbringungsplatten ist benachbart zum Unterschenkelstumpf des Patienten anzubringen, die andere liegt exakt in dem nachzubildenden Fußgelenk. Dadurch ist es möglich, eine Schwenkbewegung des Fußes relativ zum Unterschenkel in verschiedene Richtungen zu erzeugen.
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Besonders wichtig für die menschliche Fortbewegung und auch für einen stabilen Stand oder die Möglichkeit des einfachen und bequemen Hinsetzens und Aufstehens ist die Beugung des Knies. Eine Prothese für ein Bein sollte also eine möglichst wirklichkeitsnahe Beugung eines Knies ermöglichen. Hier sind verschiedene Problemstellungen zu unterscheiden. So gibt es bereits seit langem für oberhalb des Knies amputierte Personen, so genannte A/K-Amputierte, zahlreiche Vorschläge für Beinprothesen, die dann entsprechende integrierte Kniegelenke und zugehörige Gelenkmechanismen aufweisen können.
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Hierzu schlägt beispielsweise die
DE 10 2005 029 160 A1 eine hydraulische Kniegelenkprothese für eine Beinprothese vor. Dabei ist unter anderem eine Gelenkeinheit vorgesehen, die eine Drehachse mit einer Dämpferkammer und einem darin beweglichen Dämpferflügel aufweist. Eine Hydrauliksteuerung ist für die Bewegung des Dämpferflügels in der Gelenkeinheit verantwortlich.
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In der
DE 10 2006 009 510 A1 wird eine Hüftgelenkprothese beschrieben, an die entsprechend ein vollständiges Kunstbein mit einem Kniegelenk angeschlossen wird. Eine Steuereinheit ermöglicht es, die Streckbewegung in der Standphase und die Schrittlänge der Beinprothese zu steuern, beispielsweise über ein hydraulisches Steuersystem.
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Eine weitere, aus der
EP 1 231 872 B1 bekannte Knieprothese versucht die Beugung eines Knies zu verbessern und eine Beugung in einem Winkel zu erlauben, der denjenigen der Standphasenreflexion bei einer Belastung der Ferse übersteigt, indem das Beugemoment von einer federnden Einrichtung aufgenommen wird.
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In der
EP 1 532 951 A1 wird ein künstliches Bein sowie ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Kniebewegung des künstlichen Beins vorgeschlagen. Dabei sind mehrere hydraulische Zylinderanordnungen in dem künstlichen Oberschenkel vorgesehen. Bewegen sich die Zylinder dabei in die gleiche Richtung, wird eine Verkürzung oder Verlängerung der Anordnung möglich. Wird einer der beiden Zylinder festgesetzt und gesperrt und bewegt sich der andere Zylinder, so kann die Bewegung des Kniegelenks im gewissen Rahmen simuliert werden.
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Bei diesen vorstehend erörterten Prothesen kann jeweils das Drehgelenk dort angeordnet werden, wo bei einem natürlichen Bein auch das Drehgelenk des Kniegelenks angeordnet wäre. Die Bewegung eines natürlichen Knies kann dadurch sehr einfach und gut angenähert werden. Derartige und vergleichbar aufgebaute Beinprothesen werden für oberhalb des Knies amputierte Beine daher auch in der Praxis überwiegend eingesetzt.
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Medizinisch und biologisch ist es für betroffene Patienten jedoch deutlich von Vorteil, wenn eine Amputation nicht oberhalb des Knies durch den Oberschenkelknochen erfolgen muss, sondern wenn die Amputation des unteren Beinabschnitts durch das Knie verlaufen kann. Eine durch das Knie verlaufende Amputation erhält die Gelenkköpfe (Condylen) des Oberschenkelknochens, was die Festigkeit des verbleibenden Glieds aufgrund der Beibehaltung der ein größeres Gewicht tragenden Oberflächen verbessert. Es verbleibt dann auch ein längerer Stumpf mit weitgehend intakter Oberschenkelmuskulatur, was zu einer besseren Hebelwirkung und damit zu einer besseren Kontrolle der von dem amputierten Patienten verwendeten Prothese führt. Darüber hinaus ist gerade bei betroffenen Kindern zu beachten, dass eine Amputation oberhalb des Knies ein weiteres Knochenwachstum verhindert.
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Es besteht daher ein erhebliches Interesse daran, auch Gelenkmechanismen für Knie zu entwickeln, die eine Prothese auch für derartige sogenannte Exartikulationsamputationen ermöglicht, deren Betroffene auch als K/D-Amputierte bezeichnet werden.
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Einen Vorschlag für einen solchen verbesserten Kniegelenksmechanismus für eine Prothese bei Exartikulationsamputationen legt die
DE 195 81 773 T1 vor. Sie weist einen komplizierten viergliedrigen Kniegelenksmechanismus auf, bei dem die Abmessungen der Glieder und der von dem Kupplungsglied mit der Horizontalen gebildete Winkel so gewählt ist, dass die Höhe des Momentanzentrums des Mechanismus optimiert wird und eine Biegung oder Beugung des Kniegelenks von sogar bis zu 145° möglich werden soll. Um die Bewegung des künstlichen Kniegelenks zu bewirken, ist eine Hydraulikeinheit mit einem Zylinder und einem Kolben zwischen zwei Schenkel des Kniegelenksmechanismus eingeschoben. Die Bewegung der Hydraulikeinheit soll dann eine möglichst realitätsnahe Bewegung des gesamten viergliedrigen Kniegelenksmechanismus herbeiführen.
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Trotz der deutlichen Vorteile, die eine Knieexamputation für den Patienten bietet, gibt es auf dem Markt nach wie vor keine vollständig zufriedenstellende Lösung von Prothesen, die beispielsweise auch adaptronische Anpassungen bieten. Daher wird oftmals noch auf die technisch einfachere und bekanntere Ober- oder Unterschenkelamputation ausgewichen, trotz der dadurch erforderlich werdenden Eingriffe in die Knochen selbst.
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Daher besteht nach wie vor ein erhebliches Interesse daran, auch für Prothesen bei Knieexartikulationsamputationen weitere Verbesserungen zur Verfügung zu stellen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine derartige Prothese für Betroffene vorzuschlagen, bei denen eine Knieexamputation möglich ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Prothese dadurch gelöst, dass eine weitere hydraulische Zylinderanordnung vorgesehen ist, dass die beiden hydraulischen Zylinderanordnungen in Gegenspieleranordnung zueinander aufgebaut und miteinander gekoppelt sind, dass die beiden hydraulischen Zylinderanordnungen in dem künstlichen Beinabschnitt unterhalb des Knies jeweils längenveränderlich in dessen Längsrichtung angeordnet sind, und dass die beiden hydraulischen Zylinderanordnungen hintereinander an einem Gelenkpunkt am Oberschenkelstumpf angelenkt sind und durch ihre Bewegung im Gegenspieleranordnung eine Bewegung des künstlichen Ersatzgliedes des Beinabschnitts um die Drehachse hervorrufen.
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Die Erfindung besitzt einen Gelenkmechanismus, der Drehbewegungen um einen außerhalb der Konstruktion liegenden Gelenkpunkt ermöglicht, wie dies bei einer Knieexartikulationsprothese der Fall ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden dabei insgesamt drei Hydraulikzylinder mit ihrer Funktion in den Gelenkmechanismus integriert.
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Die Hydraulikzylinder sind antagonistisch angeordnet. Zwei Hydraulikzylinder bilden bei einer bevorzugten Ausführungsform die eine und ein weiterer Hydraulikzylinder die andere Zylinderanordnung. Eine Anzahl von drei Zylindern bietet dabei den Vorteil, dass bei großen Beugungswinkeln eine Bewegung des einen Hydraulikzylinders der hinteren Zylinderanordnung durch die vordere Zylinderanordnung hindurch bewegt werden kann, also zwischen den beiden Hydraulikzylindern der vorderen Hydraulikzylinder hindurch.
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Erfindungsgemäße Prothesen können auch Anordnungen aus einer anderen Anzahl und Zusammenstellung von Hydraulikzylindern aufweisen, wenn dadurch bestimmte andere Vorteile angestrebt werden sollen.
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Eine Anordnung mit einer Anzahl von drei Zylindern hat sich jedoch bei ersten Experimenten als besonders wirtschaftlich herausgestellt.
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Eine einfache Durchflussregulierung steuert den Dämpfungswiderstand während und innerhalb einer Gehbewegung adaptiv. Dadurch kann die Prothesenbewegung dem natürlichen Gangverhalten des Patienten angepasst werden.
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Hier zeigen sich auch die Vorteile gegenüber der aus der
DE 195 81 773 T1 bekannten Konzeption aus dem Stand der Technik, der nämlich jede Form einer Dämpfung oder Steuerung des Gelenkwiderstandes fehlt. Bei dem dort vorgeschlagenen Mehr-Achs-Ansatz müsste eine solche Dämpfung oder Steuerung des Gelenkwiderstandes zusätzlich vorgesehen werden, etwa in Form einer zusätzlichen Hydraulik. Ohne eine derartige zusätzliche Hydraulik würde mit einer Konzeption nach der
DE 195 81 773 T1 keine natürliche Bewegung des Patienten möglich sein.
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Erfindungsgemäß ist eine derartige Dämpfung jedoch bereits in Gelenkmechanismus automatisch mit integriert. Eine zusätzliche Hydraulik ist nicht erforderlich. Dies ist nicht nur praktikabel und kostengünstig, sondern auch leichter zu bedienen, zuverlässiger und nimmt dementsprechend auch nicht den Raum ein, den eine solche Hydraulik nebst Ansteuerung im Stand der Technik erfordern würde, wenn man sie dort zusätzlich noch vorsehen möchte. Zu bedenken ist ja, dass Raum in einer Prothese sehr wertvoll ist, um diese mit anderen Möglichkeiten auszustatten und möglichst natürlich einerseits für den Patienten und andererseits auch für seine Umgebung wirken zu lassen. Jede Form einer zusätzlichen Hydraulik schränkt diese Möglichkeiten ein.
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Durch die erfindungsgemäße Integration der Dämpfungssteuerung direkt im Gelenkmechanismus selbst werden keine zusätzlichen Elemente zur Steuerung des Gelenkwiderstandes mehr notwendig; der Gelenkmechanismus mit seinen antagonistisch angeordneten Zylindern gemäß der Erfindung schafft damit erhebliche Vorteile gegenüber diesem Stand der Technik.
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Darüber hinaus ermöglichen die Kolben- und Fluidbewegungen eine Energierückgewinnung. Eine Energierückgewinnung wäre auch aufgrund der emittierten Wärme denkbar.
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Im Vergleich zu herkömmlichen Prothesen wird die Masse verringert und es wird eine Rotationsbewegung für große Rotationswinkel ohne Singularitäten ermöglicht. Erste Versuchsmodelle der erfindungsgemäßen Modelle haben bereits gezeigt, dass ein maximaler Beugungswinkel von 135,4° erreichbar ist. Theoretisch wären jedoch auch Rotationswinkel von mehr als 145° möglich, die dann ohne Singularitäten erreicht werden könnten, wenn dies für spezielle Anwendungsfälle gewünscht wird.
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Abgesehen von der erwähnten medizintechnischen Anwendung kann auch eine technische Anwendung auf anderem Gebiet stattfinden, welche eine definierte Bewegung mit energieoptimierter, einstellbarerer Dämpfung um eine externe Rotationsachse erfordert. Hierbei ist an den Bereich der Produktionstechnik zu denken, an Roboter, an Handhabungssysteme und an eine serielle Kinematik zu denken. Durch adaptive Gelenke zum Beispiel im Bereich eines Industrieroboters ist eine aktive Steuerung des Dämpfungsverhaltens im Prozess möglich, ohne den Gelenkmechanismus direkt in die Drehachse integrieren zu müssen.
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Gelenkprothesen mit Hydraulikzylindern sind zwar aus den eingangs genannten Druckschriften bekannt, durch die spezielle antagonistische Anordnung der Hydraulikzylinder gemäß der Erfindung werden jedoch Rotationsbewegungen für große Rotationswinkel neu geschaffen, die mit solchen Hydraulikzylindern bisher nicht bekannt waren.
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Es entsteht eine multifunktionale Knieexartikulationsprothese im Leichtbau. Eine aktive Dämpfung und eine integrierte Energierückgewinnungseinheit können vorgesehen werden. Die erfindungsgemäßen Prothesen weisen sowohl die gewünschten Eigenschaften einer tragenden Struktur als auch die Funktion eines Gelenks auf.
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Die Erfindung macht eine Knieexartikulation für Patienten nutzbar, und zwar mittels einer Prothese, die erheblich belastbar ist. Sie ist darüber hinaus adaptronisch und ermöglicht es dem Patienten trotz des Verlustes seines Unterschenkels seine Mobilität wieder herzustellen und seine Lebensqualität zurückzugewinnen. Es ergibt sich sogar durch die ausgezeichnete Funktionalität von Prothesen gemäß der Erfindung die Möglichkeit, nahezu behinderungsfrei wieder aktiv im Berufsleben integriert zu werden.
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Es wird also erstmals eine praktikable und realisierbare Prothese geschaffen, die es fördert, dass bei einer erforderlich werdenden Amputation das Verfahren der Knieexamputation mit seinen Vorteilen einsetzbar wird. Bei diesem Verfahren und dem Einsatz der erfindungsgemäßen Prothese behält der Patient einen belastbaren Stumpf, da der Oberschenkelknochen unverletzt bleibt. Der endbelastbare Stumpf kann im Zusammenspiel mit der erfindungsgemäßen Prothese deutlich mehr Mobilität und Bewegungsmöglichkeiten für den Patienten erreichen.
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Das Gelenk ermöglicht nicht nur einen Rotationswinkel von 135° um den Kompromissdrehpunkt, sondern hält auch einem Patientengewicht von bis zu 125 kg stand. Es arbeitet darüber hinaus energiesparsam.
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Durch die Erfindung wird ein neuartiges Gelenk geschaffen, welches unterhalb des Kniestumpfes angeordnet ist. Es ermöglicht eine Drehbewegung um den sogenannten Kompromissdrehpunkt im Knie. Durch die Umsetzung des hydraulischen Gelenks ist sowohl die Integration eines hydraulischen Dämpfers als auch die Möglichkeit der Energierückgewinnung durch die Kolben- beziehungsweise Fluidbewegung und/oder durch den Einsatz eines Thermoelementes aufgrund der imitierten Wärme möglich. Für eine Anwendung des integrierten Gelenks existiert daher eine direkte Anwendung im Prothesenbau.
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Bereits der Einsatz konventioneller Knieprothesen mit adaptronischen Eigenschaften findet immer höhere Akzeptanz auf dem Markt. Die Umsetzung einer Knieexamputationsprothese mit integrierter steuerbarer Dämpfung und Energierückgewinnungstechnologie für den Einsatz bei knieexamputierten Patienten ermöglicht den Betroffenen eine deutlich höhere Mobilität und Lebensqualität und ist daher um so eher ein Bedürfnis, zumal auch wirtschaftlich eine Realisierung ohne relevante Mehrkosten möglich ist.
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Die Erfindung bietet eine Lösung an, die eine gesteuerte Stand- und Schwungphasenregelung für Knieexartikulationspatienten nutzbar machen kann. Der Gelenkmechanismus ermöglicht Drehbewegungen um einen außerhalb der Konstruktion liegenden Gelenkpunkt. Es werden Hydraulikzylinder eingesetzt, die durch ihre Anordnung eine Gelenkkinematik darstellen. Der Gelenkmechanismus bietet die Möglichkeit einer Drehbewegung um den Kompromissdrehpunkt des Knies mit dem Vorteil, den Bauraum unter dem Knieexartikulationsstumpf zu nutzen und daher aus diesem Grund auch keinen seitlichen zusätzlichen Auftrag am Stumpf hervorzurufen.
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Durch die beiden antagonistisch angeordneten Zylinderanordnungen kann durch einfache Durchflussregulierung der Dämpfungswiderstand innerhalb einer Gehbewegung adaptiv gesteuert werden. Dadurch kann die Prothesenbewegung dem natürlichen Gangverhalten des Patienten angepasst werden.
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Die Kolbenbewegung der Hydraulikzylinder der beiden Zylinderanordnungen verläuft erfindungsgemäß mit einem entsprechenden Übersetzungsfaktor genau entgegengesetzt. Die gegenläufige Bewegung der beiden Anordnungen ist über Hydraulikleitungen gekoppelt und ermöglicht die Rotationsbewegung des Prothesenbeins relativ zum Prothesenschaft.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die weitere hydraulische Zylinderanordnung aus zwei parallel arbeitenden und parallel zueinander angeordneten hydraulischen Zylindern aufgebaut ist.
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Diese weitere hydraulische Zylinderanordnung ist weiter bevorzugt die bei ihrem Einsatz am Oberschenkelstumpf vordere Zylinderanordnung.
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Die beiden dementsprechend vorderen Zylinder sind mittels einer Gabel am Prothesenschaft fixiert.
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Die andere Zylinderanordnung besteht in einer bevorzugten Ausführungsform nur aus einem Hydraulikzylinder, der dementsprechend dann die hintere Hydraulikanordnung bildet. Dieser hintere Zylinder ist entsprechend direkt am Prothesenschaft befestigt. Eine Basisplatte stellt die Aufnahme der Zylinder an der Unterseite dar.
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Die Steuerungsmöglichkeit der Hydraulik bietet eine direkte Steuerung der Prothesenbewegung und des Gelenkwiderstandes. Durch die in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Integration einer zusätzlichen Volumenkammer ist eine Beinlängenänderung während der Rotationsbewegung möglich.
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Eine Beinlängenänderung bietet einem Träger einer erfindungsgemäßen Prothese eine für diesen sehr wertvolle Möglichkeit. Zu berücksichtigen ist nämlich, dass der Träger der Prothese nicht selbstständig durch Muskelkraft den Fuß anheben kann. Es besteht also stets die Gefahr, dass der Träger der Prothese während eines Gangprozesses unbeabsichtigt und unvermeidbar mit dem Boden kollidiert, etwa weil dieser Boden uneben ist oder kleinere Hindernisse aufweist.
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Da nun die Prothese in dem Kniegelenk selbst die Möglichkeit der Verkürzung des Beines bietet, kann der Träger der Prothese durch eine Beinlängenänderung gezielt den Effekt des Fußhebens nachahmen und so den Gangprozess noch natürlicher durchführen.
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Zu beachten ist dabei insbesondere, dass diese Möglichkeit der Beinlängenänderung innerhalb eines Schrittes besteht, also während des Gangprozesses.
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Diese Möglichkeit der Beinlängenänderung bewirkt daher im Wesentlichen zwei Vorteile. Zum Einen kann sie genutzt werden, um etwaige Stöße beim Auftreten abzufangen, zum Anderen kann das künstliche Bein am Ende der Standphase verkürzt werden, damit der die Prothese tragende Patient mehr Bodenfreiheit beim Vorbringen der Prothese in der Schwungphase erhält und auf diese Weise weniger leicht stolpert.
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Ein zusätzliches Ausgleichsvolumen für die Rotationsbewegung der Prothese wird durch die antagonistische Anordnung der Hydraulikzylinder überflüssig. Dadurch wird eine Massenreduktion möglich.
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Durch die Realisierung einer zusätzlichen hydraulischen Längensteuerung, die eine gleichzeitige Bewegung aller Kolben ermöglicht, kann eine Beinlängenverstellung von bis zu 20 mm auch innerhalb eines Gangzyklus erreicht werden.
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Wesentlich ist insbesondere die Funktionsintegration durch den Einsatz der hydraulischen Hubzylinder mit der direkten Kopplung der Rotationsbewegung mit der Dämpfungssteuerung. Dabei ergibt sich die Möglichkeit der energieoptimierten Funktionsweise.
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In dem Aufbau werden hydraulische Zylinder in Gegenspieleranordnung verbaut. Durch Einleiten eines Moments sinkt beispielsweise der hintere Zylinder ein und bewegt gleichzeitig aufgrund der hydraulischen Kopplung die vorderen Zylinder heraus. Dadurch wird eine Rotationsbewegung realisiert.
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Die Auslegung der Zylinder erfolgt dabei in der Form, dass auch für größere Rotationswinkel keine Singularität auftritt. Der maximale Rotationswinkel wird somit nur durch die Anschläge der Hydraulikzylinder festgelegt. Insbesondere im Bereich der Anwendung bei einer Knieexakutilationsprothese ist es von Bedeutung, dass kein zusätzlicher Aufbau vor dem Gelenk bei einer Winkelstellung von 90° auftritt, also bei einer Sitzposition des Patienten. Positiv wirkt sich aus, dass durch den vorgesehenen Adapter der Gelenkmechanismus in Standardausführung an einen für jeden Patienten individuellen Schaft angebunden werden kann.
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Eine Energierückgewinnung kann durch Nutzung der Bewegungsenergie der Kolben (Tauchspule) oder der Wärmeenergie des Fluids im Ventilbereich, beispielsweise durch Thermoelemente, leicht integriert werden. Durch beispielsweise sogenannte „Heat pipes” kann dann die Wärme vom Gelenkmechanismus abgeführt werden.
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Für die Lagerung der Kolbenstangen sind verschiedene konstruktive Lösungen denkbar. Somit können eingeleitete Querkräfte durch zum Beispiel innen liegende Lager, äußere Flächen- oder Schienenführungen oder auch über die gesamte Außenfläche der Zylinder (Tauchrohr) erfolgen. Durch die Möglichkeit der Funktionsintegration kann auf eine zusätzliche Hydraulik zur Dämpfung verzichtet werden, was sich positiv auf das Gesamtgewicht auswirkt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein mechanisches Ersatzschaltbild der Struktur der erfindungsgemäßen Konzeption;
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Konzeption in verschiedenen Stellungen;
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3 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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4 eine detailliertere Darstellung des Aufbaus aus 3;
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5 eine schematische Darstellung verschiedener Möglichkeiten der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung;
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6 ein erstes schematisches Schaltbild; und
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7 ein weiteres schematisches Schaltbild einer anderen Ausführungsform.
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Ein mechanisches Ersatzschaltbild für die erfindungsgemäße Konzeption ist in der 1 dargestellt. Diese Darstellung ist sehr vereinfacht und dient zur grundsätzlichen Erläuterung dessen, was mit der Erfindung erreicht wird.
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Zu sehen ist die Struktur einer Prothese. Sie endet am unteren Ende in einem Fußabschnitt 17, also einem Prothesenfuß. Vom Fußabschnitt 17 erstreckt sich ein Beinabschnitt 16 nach oben, hier durch eine dünne Linie angedeutet. Der obere Bereich dieses Beinabschnitts 16 weist zwei hydraulische Anordnungen auf, nämlich eine erste oder hintere hydraulische Zylinderanordnung 30 mit einem Kolben 30a und einem Zylinderrohr 30b und eine zweite oder vordere hydraulische Zylinderanordnung 40 hier mit einem Kolben 41a und einem Zylinderrohr 41b.
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Oberhalb dieser Anordnungen ist ein Schaftadapter 22 zum Anschließen an einen Oberschenkelstumpf 10 angedeutet.
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Beide hydraulische Zylinderanordnungen 30 und 40 sind jeweils mittels Anschlussmitteln 21 am Schaftadapter 22 angeschlossen.
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Die hydraulischen Zylinderanordnungen 30 und 40 arbeiten in Gegenspieleranordnung. Das bedeutet, dass eine der beiden hydraulischen Zylinderanordnungen jeweils einfährt, wenn die andere der hydraulischen Zylinderanordnungen ausfährt. Automatisch ergibt sich dann eine Drehbewegung um eine nicht eingezeichnete Drehachse 25. Angedeutet ist ein Winkel φ-Knie, der dann diese Drehung und die zugehörigen Größenordnung darstellt. Der Beinabschnitt 16 mit den darin befindlichen hydraulischen Zylinderanordnungen 30, 40 wird dann gegenüber dem Oberschenkelstumpf 10 mit dem Schaftadapter 22 um diesen Winkel φ-Knie gedreht.
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In der 2 ist schematisch ein Oberschenkelstumpf 10 dargestellt. Der Oberschenkel ist erhalten bis zum Knie 12. Das bedeutet, die Oberschenkelmuskulatur und der Oberschenkelknochen sind vollständig erhalten, letzterer bis einschließlich der Condylen. Die Amputation ist also dort erfolgt, wo herkömmlich das Gelenk des Knies 12 sitzt.
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Um für den Betroffenen eine sinnvolle Prothese aufzubauen, ist also ein künstliches Element 15 erforderlich, das einen Beinabschnitt 16 unterhalb des Knies 12 abbildet. In der 2 ist das Element 15 nur schematisch dargestellt, um die technischen Grundgedanken besser erkennbar zu machen. Der Beinabschnitt 16 wird in der Praxis von einer äußeren Hülle umgeben, die in den Abmessungen und dem Aussehen einem natürlichen Bein dieses betroffenen Patienten weitmöglichst gleicht.
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Angedeutet ist ein Fußabschnitt 17 am unteren Ende des Beinabschnitts 16, der natürlich auch ganz anders ausgebildet sein kann, um den persönlichen Wünschen des betroffenen Patienten weitgehend Rechnung tragen zu können.
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In der 2 sieht man nun, dass im Bereich des unteren Endes des Oberschenkelstumpfes 10 Anschlussmittel 21 vorgesehen sind, die das Element 15 mit seinen Bestandteilen an den Oberschenkelstumpf 10 anschließen.
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Man sieht insbesondere zwei hydraulische Zylinderanordnungen 30 und 40. Diese sind in Gegenspieleranordnung relativ zueinander aufgebaut. Sie arbeiten also antagonistisch. Verlängert sich eine der beiden hydraulischen Zylinderanordnungen 30, 40, so verkürzt sich automatisch die andere der beiden hydraulischen Zylinderanordnungen 30, 40. Um dies zu erreichen, wird eine Kopplung der Hydraulikkreisläufe vorgenommen. Die Einzelheiten werden noch im Folgenden erörtert.
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In der 2 sieht man nun, welche Effekte sich durch diese Anordnung erzielen lassen. Man sieht von links nach rechts zunächst ein weitgehend gestrecktes Bein. Dies bedeutet, dass der Winkel, den der Oberschenkelstumpf 10 mit dem Beinabschnitt 16 einschließt, etwa 165° beträgt, oder anders ausgedruckt, dass der Beinabschnitt 16 aus der geradlinigen Fortsetzung des Oberschenkelstumpfes 10 nur um wenige Grade, hier vielleicht um 15°, abgewinkelt ist.
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Findet nun aufgrund der Gegenspieleranordnung der beiden hydraulischen Zylinderanordnungen 30, 40 eine Verkürzung der einen hydraulischen Zylinderanordnung und eine Verlängerung der anderen hydraulischen Zylinderanordnung statt, führt dies zu einer Rotation des Beinabschnittes 16 um einen Gelenkpunkt, der außerhalb der Anordnung liegt. Dadurch wird der Beinabschnitt 16 relativ zu dem Oberschenkelstumpf 10 stärker abgewinkelt. Die beiden schließen miteinander nun einen Winkel von wenig mehr als 90° ein oder anders ausgedruckt, der Beinabschnitt 16 ist relativ zu einer geradlinigen Fortsetzung des Oberschenkelstumpfes 10 um etwa 75° abgewinkelt.
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In der dritten Darstellung ist die Bewegung weiter fortgesetzt und führt zu einer noch stärkeren Abwinklung, wie sie nicht beim Gehen, wohl aber beim Hinsetzen oder auch Hinknien des betroffenen Patienten benötigt und gewünscht wird.
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Das vierte Bild zeigt schließlich einen Extrembereich, der mit der erfindungsgemäßen Anordnung möglich wird. Bei ersten Versuchen hat sich herausgestellt, dass Beugewinkel bis zu etwa 135,6° möglich sind, wobei hier ein Winkel betrachtet wird, der eine Abweichung des Beinabschnittes 16 aus einer geradlinigen Fortsetzung des Oberschenkelstumpfes 10 betrachtet.
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In der 3 ist eine schematische Darstellung des Systems wiedergegeben, hier unter Fortlassung des Oberschenkelstumpfes 10 und der unteren Bereiche des Beinabschnittes 16 oder des künstlichen Elements 15.
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Die hier gewählte Ausführungsform sieht eine hydraulische Zylinderanordnung 40 bestehend aus zwei Zylindern 41, 42 vor. Diese beiden Zylinder 41, 42 arbeiten miteinander und im Verhältnis zueinander parallel und gleichförmig, also gerade nicht antagonistisch. Sie sind über eine Gabel 43 miteinander gekoppelt.
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Die erste Zylinderanordnung 30 besteht nur aus einem Zylinder, der entsprechend großvolumiger als die beiden Zylinder 41, 42 der zweiten Zylinderanordnung aufgebaut ist. Dieser eine Zylinder der ersten Zylinderanordnung 30 arbeitet antagonistisch im Verhältnis zu den beiden Zylindern 41, 42 der zweiten Zylinderanordnung.
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Angedeutet ist auch eine Versteifung 23 und ein noch im Folgenden erörterter Zylinderboden 43c.
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In der 4 ist ein möglicher Detailaufbau des Systems wiedergegeben. Die Anordnung aus der 3 ist hier als Seitenansicht links und als Vorderansicht rechts dargestellt. Diese Darstellung ist ebenfalls schematisch, abweichende Möglichkeiten sind denkbar. So kann auch die Zahl der Hydraulikzylinder geändert und der konkrete Aufbau in weiten Bereichen angepasst werden.
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Man erkennt oben einen Schaftadapter 22, der die Mechanik an verschiedene Schaftgrößen anpassbar gestaltet. Eine Versteifung 23 ist als rahmenähnliches Element vorgesehen.
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Eine Gabel 43 dient zur gemeinsamen Bewegung der Kolben 41a und 42a relativ zu den Zylinderrohren 41b und 42b, wobei der Kolben 41a nebst Kolbenstange und das Zylinderrohr 41b zusammen den Hydraulikzylinder 41 bilden, entsprechend der Kolben 42a mit seiner Kolbenstange und das Zylinderrohr 42b den Hydraulikzylinder 42.
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Angedeutet ist ferner der Kolben 30a, der sich relativ zum Zylinderrohr 30b bewegt und mit diesem zusammen den Hydraulikzylinder der ersten Hydraulikzylinderanordnung 30 bildet.
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Zu erkennen ist in der 4 und ebenso auch in der 3 auch der Zylinderboden 43c, der den beiden Zylindern 41 und 42 gemeinsam ist, und auch der Zylinderboden 30c des hinteren ersten Zylinders.
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Zu erkennen sind außerdem die Zylinderdeckel 41d, 42d und 30d der drei Hydraulikzylinder.
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Die Konstruktion wird ergänzt um insgesamt vier Gelenkbolzen 26, 27, 28, von denen drei zu erkennen sind. Zwei Gelenkbolzen dienen für die vordere und zwei Gelenkbolzen für die hintere Hydraulikzylinderanordnung, um die Relativbewegung der Kolben zu den Zylindern in eine entsprechende Drehbewegung des Gelenks mechanisch umsetzen zu können.
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Das System wird noch um diverse Zuganker 38 und 48 hinten und vorn für die beiden hydraulischen Zylinderanordnungen 30, 40 ergänzt. Zu erkennen ist außerdem eine Schraube 45 als Beispiel für eine Verankerung der Zylinderanordnung 40 an der Gabel 43.
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Zu erkennen aber nicht mit Bezugszeichen versehen sind noch verschiedene Gleitlagerbuchsen, Endanschläge etc..
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In der 5 ist die Funktionsweise einer besonderen Ausführungsform der Erfindung nochmals näher erläutert.
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Zunächst zeigen die beiden ersten Abbildungen wiederum eine flektierte (links) und gestreckte (rechts) Situation eines Oberschenkelstumpfs 10 mit einem daran angeschlossenen Beinabschnitt 16.
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Das dritte und vierte Bild zeigen demgegenüber den Oberschenkelstumpf 10 mit dem Beinabschnitt 16 und dem Fußabschnitt 17 in einer Position, wie sie etwa beim Sitzen des betroffenen Patienten eingenommen wird. Dabei ist hier zusätzlich angedeutet, dass es möglich ist, durch eine entsprechend geschickte Steuerung des Hydrauliksystems auch eine Verlängerung beider hydraulischer Zylinderanordnungen 30 und 40 gleichzeitig zu realisieren oder auch einer anderen Bewegung zu überlagern. Dies führt zu einer Verlängerung des Beinabschnittes 16 in dieser Position.
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In der fünften Version ist eine vergrößerte Darstellung wiedergegeben.
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Die 6 zeigt ein Hydraulikschema der Ausführungsform ohne eine aktive Beinlängensteuerung.
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Man sieht wiederum die erste hydraulische Zylinderanordnung 30 auf der linken Seite, die beispielsweise bei einem betroffenen Patienten auf der Rückseite des Beinabschnittes 16 arbeitet.
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Rechts sieht man die hydraulische Zylinderanordnung 40 mit den beiden Zylindern 41 und 42, die zueinander parallel geschaltet sind und bei einem betroffenen Patienten beispielsweise auf der Vorderseite angeordnet sind.
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Zwischen den beiden Zylinderanordnungen 30 und 40 befinden sich Hydraulikleitungen. In diesen Hydraulikleitungen sind jeweils Drosselventile D1 und D2 eingeschaltet. Diese Drosselventile können elektrisch betätigt werden und dienen zu Momentenregelung.
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Angedeutet sind außerdem vier Drucksensoren P1, P2, P3 und P4, die jeweils den Druck in den beiden Hydraulikleitungen vor und nach dem Drosselventil messen.
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Das in der 6 dargestellte Hydraulikschema zeigt insgesamt also eine Hydraulik für ein Kniegelenk. Es handelt sich um ein geschlossenes System bestehend aus den drei Zylindern 30, 41 und 42.
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In der 7 ist schließlich eine schematische Darstellung eines Aufbaus wiedergegeben, der zusätzlich zu den Elementen aus der 6 auch noch eine aktive Beinlängensteuerung aufweist. Man sieht also wiederum die beiden hydraulischen Zylinderanordnungen 30 und 40 und die sie verbindenden Leitungen mit den Drosselventilen D1 und D2 sowie den Drucksensoren P1, P2, P3 und P4.
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Zusätzlich sieht man jedoch auch noch ein Steuer- und Ausgleichselement 51. Die Hydraulik ist aus zwei quasi getrennten Kreisen aufgebaut, von denen einer für die Flexion und einer für die Extension dient.
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Der für die Flexion, also die Beugung des Knies, zuständige Kreis weist die beiden Hydraulikzylinder 41 und 42 der vorderen Zylinderanordnung 40, den Hydraulikzylinder der hinteren hydraulischen Zylinderanordnung 30 und die beiden elektronisch gesteuerten Drosselventile D1 und D2 auf. Mit Hilfe dieser Drossel- oder Regelventile wird die Dämpfung erzeugt. Die Hydraulikzylinder der beiden hydraulischen Zylinderanordnung 30 und 40 sind so aufgebaut, dass sie sich in einem Geschwindigkeitsverhältnis der vorderen oder zweiten hydraulischen Zylinderanordnung zur hinteren oder ersten hydraulischen Zylinderanordnung von 1:2 im Gegenlauf bewegen und so die Flexion erzeugen. Die Dämpfung kann dabei über die beiden Drosselventile D1 und D2 eingestellt werden.
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Während sich die Hydraulikzylinder 30, 41 und 42 bei der Flexion im Wegverhältnis 1:2 im Gegenlauf bewegen, ist für eine gleichmäßige Extension ein Wegverhältnis von 1:1 im Gleichlauf erforderlich. Daher werden hierfür die Volumenströme an den Anschlüssen der Hydraulikzylinder über das Steuer- und Ausgleichselement 51 angepasst. Zugleich ist ein Aktor M vorgesehen, durch den die Extension eingestellt werden kann. Schließlich ist in einem geschlossenen Kreis eine Ausgleichsmöglichkeit für Volumendifferenzen durch etwaige Fertigungsungenauigkeiten und elastische Verformungen während des Betriebs vorgesehen.
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Die in der 7 dargestellten Steuer- und Ausgleichselemente erfüllen alle erforderlichen Funktionen. Bewegen sich die Zylinder im Gleichlauf, so fließt Hydraulikmedium über die Drosselventile D3 und D4 von der einen Seite der Hydraulikzylinder zu anderen. Hierbei wird das Volumen der Kolbenstangen ausgeglichen. Das Steuer- und Ausgleichselement 51 stellt das nötige Volumen bereit. Durch die Drosselventile D3 und D4 wird der Systemdruck geregelt, mit Hilfe des Motors M werden das gewünschte Ausgleichsvolumen und darüber die gewünschte Extension eingestellt.
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Um die Funktionen noch besser steuern zu können, sind außerdem Volumenstromsensoren V1 und V2 und 2-2-Wege-Ventile S1 und S2 zum Verriegeln der Extension vorgesehen. Diese können elektrisch betätigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Oberschenkelstumpf
- 12
- Knie
- 15
- künstliches Ersatzglied
- 16
- Beinabschnitt
- 17
- Fußabschnitt
- 21
- Anschlussmittel
- 22
- Schaftadapter
- 23
- Versteifung
- 25
- Drehachse
- 30
- erste oder hintere hydraulische Zylinderanordnung
- 30a
- Kolben
- 30b
- Zylinderrohr
- 30c
- Zylinderboden
- 30d
- Zylinderdeckel
- 38
- Zuganker
- 40
- zweite oder vordere hydraulische Zylinderanordnung
- 41
- Zylinder
- 41a
- Kolben
- 41b
- Zylinderrohr
- 41d
- Zylinderdeckel
- 42
- Zylinder
- 42a
- Kolben
- 42b
- Zylinderrohr
- 42d
- Zylinderdeckel
- 43
- Gabel
- 43c
- Zylinderboden
- 45
- Schraube
- 48
- Zuganker
- 51
- Steuer- und Ausgleichselement
- D1 D2 D3 D4
- Drosselventile
- M
- Aktor oder Motor
- P1 P2 P3 P4
- Drucksensoren
- S1 S2
- 2-2-Wege-Ventile
- V1 V2
- Volumenstromsensoren
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7118601 B2 [0003, 0003]
- DE 102005029160 A1 [0005]
- DE 102006009510 A1 [0006]
- EP 1231872 B1 [0007]
- EP 1532951 A1 [0008]
- DE 19581773 T1 [0012, 0022, 0022]
