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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft künstliche Glieder im Allgemeinen und Gelenke dafür. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung hydraulische Funktionseinheiten, allgemein bei Einbau zwischen künstlichen Gliedern als Dämpfungsvorrichtungen klassifiziert, wobei die Bewegung der künstlichen Gelenke der natürlichen menschlichen Bewegung möglichst angenähert wird.
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Hintergrund der Erfindung
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Für die Bereitstellung von realitätsnahen Gelenken, wie sie in prothetischen Gelenken verwendet werden, besteht im Ansatz zur Erreichung einer realitätsnahen Bewegung ein wichtiger Aspekt darin, für das Gelenk im Belastungszustand ein unterschiedliches Betriebsverhalten zu ermöglichen. Tatsächlich besteht eine der wichtigeren Eigenschaften eines künstlichen Beins darin, ein natürlich erscheinendes Gangbild zu erreichen, das dem eines sogenannten stabilisierten Knies entspricht, d. h. eines Knies, das bei Belastung einer Beugung widersteht, wenn es also mindestens teilweise das Gewicht der amputierten Person trägt. Ein solcher Test kann bei Beobachtung einer amputierten Person mit einem künstlichen Bein zwar als als eher subjektiv angesehen werden, doch ist bloße Beobachtung einer der besten Tests; ein eigenartiger Gang ist im Allgemeinen sofort bemerkbar; das kann unerwünschtes Anstarren von amputierten Personen bewirken, die inmitten anderer Menschen sonst nicht auffallen würden, wenn sie eine lange Hose tragen.
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Frühe prothetische Gliedsysteme aus den 1950er Jahren waren mit Reibungsbremsvorrichtungen ausgestattet gewesen. So war zum Beispiel bei
GB 779 087 A bei Gebrauch in einer Kniegelenksanwendung ein Schienbein- und Kniegelenksmechanismus eingesetzt, der eine am Schienbein befestigte Trommel aufwies, die mit einem oder mehreren Bändern mit dem Oberschenkel verbunden war und die Trommel so umfasste, dass die Bänder die Trommel festhielten, sodass bei Belastung des Beins das Knie in seiner stabilen Streckposition gehalten wurde, wobei durch mit dem Schienbein und dem Oberschenkel zusammenwirkende Vorrichtungen die stabile Strecklage unmittelbar vor dem Abheben des Fußes vom Boden beim Gehen wieder gelöst wurde, wobei eine Verbindung zwischen dem Schienbein und dem Oberschenkel eine relative Axialbewegung zwischen dem Schienbein und dem Oberschenkel gestattete. Bei dieser Vorrichtung rief eine Axiallast am Glied eine geringfügige Drehbewegung des Radiusarms oder der Radiusarme hervor, wodurch das Bremsband oder der Bremsschuh die Trommel festhielt und damit der Kniebeugung entgegenwirkte. Dieser Widerstand erwies sich oft als so groß, dass das Knie automatisch in seine stabile Strecklage geriet, sobald es entsprechend belastet wurde. Spätere Vorrichtungen wurden mit einer pneumatischen Kolben- und Zylinderbaugruppe kombiniert, wobei der Beugung und/oder Streckung des Knies zur Steuerung der Schienbeinbewegung in der Schwungphase ein geringeres Maß an Widerstand entgegengesetzt wurde.
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In den letzten Jahren wurden jedoch solche reibungsbasierte Systeme, die regelmäßige Wartungs- und Nachstellarbeiten erforderten, durch hydraulische Dämpfer mit externer Steuerung verdrängt, wobei im Bewegungsablauf in einer Standphase wie auch einer Schwungphase mit einer Kolben- und Zylinderbaugruppe ein Beugungswiderstand einwirkt. Hydraulische Knieprothesen verleihen der Prothese bei ihrer Belastung durch das Gewicht des Patienten Stabilität, und ein Nachgeben muss dabei verhindert werden. Zur Vermeidung des Nachgebens eines freien künstlichen Kniegelenks muss dieses entsprechende Anweisungen erhalten, damit es sich auf seinen verlangten Funktionsmodus einstellen kann. Das hydraulische Kniegelenk funktioniert durch Nutzung eines inkompressiblen Flüssigkeitsvolumens am Kniegelenk, wodurch mechanische Stabilität bereitgestellt wird.
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Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist das von der Firma Mauch Laboratories, Inc hergestellte hydraulische „S-N-S“-Kniesteuersystem. In manchen Situationen war es bei diesem System aber erforderlich, dass die amputierte Person eine Streckbewegung des Knies ausführte, bevor eine Beugung eingeleitet werden konnte. Weitere Probleme erwuchsen durch äußeren Verschleiß und durch das Erfordernis einer Stellbewegung, die selbstverständlich von einem regelmäßigem Bewegungsablauf abhängig ist. Wie bekannt ist, ändert man beim Gehen die Gangweise, etwa beim Hinuntergehen, beim Übersteigen von Stufen, beim Vermeiden von Hindernissen und Ähnlichem. In manchen Fällen wird ein mechanisches Umschalten des Ventils nicht ordnungsgemäß funktionieren. Das der Firma Blatchford erteilte Patent
US 5 376 137 A ist ein Beispiel für ein gewichtsbetätigtes Kniegelenk mit hydraulischer Verstärkung einer durch eine Schwenkbewegung ausgelösten Gewichtsanwendung, während das der Firma Ultimate Knee erteilte Patent
US 6 106 560 A sich auf ein gewichtsbetätigtes Kniegelenk mit mechanischer Verstärkung von einer durch Gewichtsanwendung ausgelösten Drehbewegung bezieht. Die
US 2007/0 208 431 A1 (Bisinger) nutzt eine pneumatische Schwungphasensteuervorrichtung mit einer Kolben-Zylindervorrichtung, die eine Wand zwischen einer ersten und einer zweiten Kammer bildet; eine erste und zweite Drossel sind zur Steuerung der Ansaugung in die besagten Kammern und der Ausströmung daraus wie auch zu ihrem Schließen bei Erreichung eines vorbestimmten Drucks ausgelegt.
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Während neuere hydraulische Vorrichtungen als bedeutend verbessert angesehen werden, sind sie komplex und kostspielig in ihrer Herstellung, da sie hohen Toleranzen entsprechend gefertigt werden. Einerseits ergeben sich bei Einsatz einer mechanischen externen Ventilsteuerung Probleme der Art, wie sie vorstehend beschrieben sind; andererseits können kostspielige und aufwändig zu wartende elektronische Stromregelventile verwendet werden, die es Amputierten zwar ermöglichen, in einer vorbestimmten Gangweise zu gehen, sich jedoch nicht unbedingt an unebene Flächen entsprechend anpassen.
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Um ein Verständnis der mit der vorliegenden Erfindung angesprochenen Probleme zu erleichtern, kann auf Standardtesttechniken verwiesen werden, wie sie zur Beurteilung des Gehvermögens einer amputierten Person mit oder ohne Hilfeleistung angewandt werden.
1 ist eine grafische Darstellung, welche den maximalen Kniebeugungswinkel in der Schwungphase bei verschiedenen Gehgeschwindigkeiten für drei bekannte Vorrichtungen von prothetischen Kniegelenken (Quelle: „What are the benefits of the C-Leg?“ (J. Kastner, R. Immervoll, H. Kristen & P. Wagner)) repräsentiert. Die grafische Darstellung zeigt einen klaren Unterschied von mindestens 10° Winkelabweichung im Bewegungsablauf der Kniebeugung bei Erhöhung der Gehgeschwindigkeit für die computergesteuerte Vorrichtung, dabei aber von 20° bei einer Geschwindigkeitsveränderung um 2 km/h für eine bekannte mechanisch gesteuerte Vorrichtung. Das Graph einer Kniebeugung für eine normale Gangweise, d. h. für eine Person, die über den vollen Gebrauch der Gliedmaßen verfügt, ist für Vergleichszwecke gezeigt. Daraus ist zu ersehen, dass die Abweichung im Kniebeugungswinkel bei einer Kontrollperson, die über den vollen Gebrauch der Beinglieder verfügt, mehr oder weniger nicht vorliegt, und zwar trotz einer Geschwindigkeitserhöhung, die ungefähr das Doppelte der ursprünglichen Geschwindigkeit beträgt. Einfach ausgedrückt würde dem zufälligen Betrachter eine Person, die solche künstliche Glieder trägt, als Person mit einer unbeholfenen Gehweise erscheinen, nämlich aufgrund einer verzögerten Kniestreckung, die zur Bereitmachung des Glieds auf die Gewichtsaufnahme erforderlich ist. Eine andere Studie, „User-adaptive control of a magneto-rheological prosthetic knee“ (H. Herr und A. Wilkenfeld), die in der Fachzeitschrift Industrial Robot: An International Journal, Band 30, Nummer 1, 2003, S. 42–55, erschien, bezog sich auf Tests einer computergesteuerten Prothese, nämlich eines Rheo-Knies. Es wurde zwar ein horizontales Ansprechverhalten erreicht, doch war die Studie auf ein Geschwindigkeitslimit von unter 5 km/h begrenzt, was einer geringer als normalen Gehgeschwindigkeit entspricht.
WO 2010/049 681 A2 (Boender) zeigt Steuerelemente von hydraulischen Dämpfern für Prothesen, die einen Differenzdruck aufgrund der Gegenwart einer Flüssigkeitsströmung als direkten Steuereingang für wenigstens ein hydraulisches Ventil nutzen.
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Bei bestimmten Prothesen werden Gelenke mit einem gewichtsbetätigten Sicherheitsmechanismus eingesetzt, der durch Kräfte angetrieben wird, die durch Gewichtseinwirkung durch den Benutzer auf das künstliche Glied entstehen, erkannt werden und zur Implementierung einer Veränderung im Widerstand zu einer Gliedschwenkung genutzt werden können. Eine derartige Bewegung kann die Kompression eines oder mehrerer Gliedteile sein, die eine mechanische Kette vom Amputationsstumpf zum Boden bilden und die durch Dehnungsmessstreifen erkannt werden können, durch geringfügige teleskopische Verformungen oder in begrenztem Ausmaß bestehende Schwenkbewegungen wie etwa durch das Knie oder den Fußknöchel, und solche können typischerweise als relative Verlagerungen von zwei entsprechend ausgewählten Punkten erkannt werden. Die Schwenkbewegungen können mechanisch (einschließlich hydraulisch) oder elektronisch verstärkt werden und/oder können empfindlicher für Kräfte gemacht werden, die durch die Ferse eines künstlichen Fußes übertragen werden, im Gegensatz zu solchen, die durch einen vorderen Teil eines Fußes eintreten.
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Probleme, die durch Verwendung von gewichtsbetätigten Steuermechanismen von Kniegelenken auftreten, schließen die Tatsache ein, dass das vom künstlichen Glied aufgenommene Restgewicht beim Abheben der Zehen die Auslösung des gewichtsbetätigten Mechanismus unterbinden kann. Typischerweise wird eine Einrichtung oder ein Mittel eingesetzt, das zur Aktivierung der Kniestabilität einen dazu erforderlichen Gewichtsschwellenwert auslöst. Während diese Schwelle leicht von durch die Ferse übertragenen Kräften überwunden wird, wird sie nicht leicht durch von Zehen übertragene Kräfte überwunden. Dennoch vermindert diese Schwelle die Möglichkeit einer unbeabsichtigten Auslösung bei Fersenauftritt, bedeutet aber auch, dass der Gangweise des Benutzers einer derartigen Prothese stets ein gewisses Maß von Aufmerksamkeit gewidmet werden muss. Diese Schwelle erschwert auch die Beibehaltung der Kniestabilität bei nicht voll erfolgter Streckung nach der mittleren Schwungphase, da dann der entsprechende Fuß dazu neigt, zu früh auf dem Boden aufzutreffen. Das trifft besonders beim Gehen auf holprigen Wegen zu. Typischerweise bieten zur Gewichtsauslösungsklasse gehörende Kniegelenke unter solchen Bedingungen oder im Fall von unbeabsichtigtem Gebrauch keine Sicherheit gegen Einknicken.
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Eine Schwierigkeit, die Benutzer von Beinprothesen überwinden müssen, ist die Tatsache, dass es für sie kontraintuitiv ist, das Körpergewicht auf die Vorrichtung zu verlagern, um damit dasselbe Körpergewicht vor einem plötzlichen Nachgeben zu bewahren. Das ist bei bestimmten Knietypen kein Problem, die vorgegeben in einen Gewichtsaufnahmemodus gehen; die Kniestabilität wird hier durch einen Mechanismus deaktiviert, der eine Überstreckung des Kniegelenks erkennt, die typischerweise mit einer Belastung auf einem Vorderfußteil der Prothese einhergeht, die aber auch durch eine absichtliche Hüftfemoral-Stumphüftextension bereitgestellt werden kann. Auch hier wieder kommt es zu einer geringfügigen Bewegung, die der Kniekonstruktion eine erforderliche Statusänderung mitteilen kann, und hier können ebenfalls verschiedene ähnliche Mittel zur Signalverstärkung eingesetzt werden, d. h. mechanische, elektronische, hydraulische Mittel usw.
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Während bei gewichtsbetätigten Mechanismen deren Eingabeparameter für die Gewichtsanwendung im gesamten Betätigungszeitraum gegenwärtig sind, wird die Überstreckung, welche die Kniestabilität deaktiviert, behoben, sobald das Gelenk mit seiner zur Unterstützung der für die Schwungphase erforderlichen zulässigen freien Kniebeugung beginnt, wie das beim Gebrauch eines freien Knies erforderlich ist, wozu das Gelenk mit einer Speicherfunktion ausgestattet sein muss, und zwar über jenen Zeitraum, in dem sich das Knie im freien Beugungsmodus befindet, da damit dem vorhergehenden Zustand der Überstreckung entsprochen wird. Dieser Zeitraum entspricht der ersten Hälfte der Pendelschwungbewegung des Prothesenschafts relativ zum Oberschenkelglied. Zusätzlich muss der Speichermodus bei der Kniestreckung deaktiviert werden, damit das Kniegelenk in seinen Vorgabezustand zurückgesetzt wird, wo es zur Aufnahme des Gewichts der amputierten Person bereit sein muss.
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2 zeigt die Schaltfunktion der Prothese Mauch SNS, in der die Speicherfunktion durch eine mechanische Einrichtung (beispielsweise im Gegensatz zu einer Einrichtung mit einem elektronischen Zeitgeber) bestimmt wird. Spezifisch umfasst der Speicher ein exzentrisches Kippglied (H1), das in seine schwerkraftbestimmte neutrale Position zurückkehrt, außer wenn es durch einen im offenen Zustand befindlichen Ventilstößel (H3) daran gehindert wird, der durch hydraulischen Druck (H4) betätigt wird, der durch eine Beugebewegung des freien Knies hervorgerufen wird. Hierbei ist zu bemerken, dass diese Anlenkung nicht sofort wirkt; die Auslösung der Speicherfunktion erfordert einen Zeitrahmen, der von der zur Wiedereinwirkung des Gewichts auf die Prothese benötigten Zeit unabhängig ist. Im Fall einer unbeabsichtigt verfrühten Wiedereinwirkung des Gewichts auf die Prothese befände sich das Kippglied aller Wahrscheinlichkeit nach nicht in einer Position, die das Schließen des Ventils gestatten würde, was schmerzhaft sein und eventuell zu einem Sturz der amputierten Person durch Einknicken des Knies unter solchen Umständen führen könnte. Tatsächlich hält die Wirkung des auf diesem früheren Stand der Lehre beruhenden Speichers länger als gewünscht an, wodurch zumindest eine nicht natürliche Gangweise verursacht wird, bei erhöhter Wahrscheinlichkeit des Eintretens eines Sturzes infolge des weit größeren als wünschenswerten Zeitbedarfs für die Veränderung des Zustands. Das wird als ein Stolperkorrekturproblem bezeichnet.
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Zusätzlich zum vorstehend erwähnten Stolperproblem besteht ein weiteres bekanntes Problem darin, dass die korrekte Anpassung einer Beinprothese tendenziell so abläuft, dass diese normalerweise einen entsprechenden Bewegungswiderstand gewährt, während die amputierte Person mit einer als angenehm empfundenen Geschwindigkeit geht. Jegliche Steigerung der Geschwindigkeit führt jedoch zu höherer Anstrengung, die daher kommt, dass die Dämpfereinstellungen zu viel Widerstand hervorrufen, wenn die amputierte Person schneller gehen möchte, oder wenn bei normaler Geschwindigkeit der gebotene Widerstand tatsächlich nicht ausreicht. Während dieser augenscheinlich als groß erscheinen kann, ist einzusehen, dass ein Benutzer eines prothetischen Glieds versuchen wird, seine Geschwindigkeit an Freunde anzupassen, die sich eventuell nicht bewusst sein werden, dass eine Person mit einem prothetischen Glied eine optimale Geschwindigkeit hat. In
US 8 915 969 B2 beschreibt Boender ein zur Steuerung der Bewegung eines prothetischen Gelenks ausgelegtes fluidisches Ventil. Das fluidische Ventil wird im Prinzip durch drei Elemente gesteuert: ein bewegliches Teil zur dynamischen Verschließung einer Austrittsöffnung des Ventils, eine Messeintrittsöffnung zum Ventil und ein federndes Teil, das zwischen diesen Öffnungen angeordnet ist. Abgeleitete Ventile sind ebenfalls beschrieben, wobei die Einlass- oder Eintrittsöffnung gemäß der Position eines Kolben innerhalb eines derartigen Dämpfers, durch die Position des beweglichen Teils der Eintrittsöffnung oder sogar durch die Schwerkraft verändert werden kann. Eine bemerkbare Schwäche in diesem Ansatz liegt darin, dass sich die Messöffnung nicht leicht bedarfsbezogen steuern lässt, da eben die Funktionalität des Ventils zwangsläufig als Funktion der Flüssigkeitsströmung und der Positionen von mit der Dämpferauslegung verbundenen Elementen bestimmt wird.
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Zweck der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, zumindest einige der vorstehend beschriebenen Nachteile zu überwinden oder wettzumachen. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, die Flüssigkeitseigenschaften der Arbeitsflüssigkeiten und die Architekturen der Leitungen und Durchgänge so zu nutzen, dass damit hydraulische Dämpfer so ausgelegt werden können, dass der Bewegungsdämpfungswiderstand in Abhängigkeit vom Benutzereinsatz variiert werden kann. Unbeschadet davon besteht ein weiterer Zweck der Erfindung darin, andere Ausgestaltungen von dämpfergesteuerten prothetischen Gelenken zu gestatten und alternative/zusätzliche Steuermethoden zu ermöglichen. Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, eine Beinprothese bereitzustellen, die eine unverzüglichere Auslösung einer Speicherfunktion ermöglicht, dabei aber weiterhin sensibel auf eine erforderliche Vollendung der Kniebeugebewegung in der ersten Hälfte der Schwungphase eingeht, wenn das wie etwa im Fall des Gehens auf einem unebenen Boden erforderlich ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Prothese gemäß der Merkmale in Anspruch 1 vorgelegt. Ein Sensor zur Strömungs- und/oder Druck- und Gelenksposition bietet in geeigneter Weise eine Möglichkeit zur Steuerung eines weiteren Steuerelements, beispielsweise unter der Steuerung eines Magnetfelds, in geeigneter Weise mit einer durch einen Mikroprozessor und durch analoge oder elektrische Schaltkreise bestimmten Steuerung, für ein Ventilströmungssteuerelement oder eine anderweitige Steuerung der Strömung durch das Ventil. Der Sensor kann also die Betätigung eines weiteren Steuerelements herbeiführen, wodurch, wenn es sich bei einer Gliedmaße um ein Bein handelt, die Erhöhung der Gehgeschwindigkeit mithilfe einer Senkung des Strömungswiderstands oder der Senkung oder Unterbrechung der Strömung mithilfe eines Stolperkorrekturmechanismus ermöglicht wird. Die Vorrichtung kann einen Dreh- oder Schwingungssensor umfassen, wobei zur Erzeugung eines elektrischen Impulses oder einer elektrischen Welle Informationen über den Strömungszustand und die Änderungsrate der Strömung übermittelt werden. Dieses elektrische Signal kann dann in Informationen und nun redundante Energie geschieden werden. Diese Energie kann dann neuerlich mithilfe eines Mikroprozessors in ein Signal zur Betätigung eines elektrofluidischen Ventils oder elektrofluidischen Transistors moduliert werden. Ein schwacher durch die Spulenvorrichtung des Ventils fließender Strom ändert die Spannung des beweglichen Ventilkörpers und wirkt damit als Regler der Strömungsrate unabhängig vom Hauptbetätigungsdruck, wie das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Am Endpunkt, bei Umkehrung des Stromflusses durch eine Ventilspule, kann die Schließung eines Ventils ausgelöst werden, einer aus dem Stand der Technik weder offenbarten noch vorgeschlagenen Funktion. Mit der vorliegenden Erfindung kann daher eine steuerbare variable Kraft bereitgestellt werden, welche die Eigenschaften des Ventils schneller verändern kann.
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Mit der Bereitstellung einer hybriden Konstruktion können daraus, dass sie sowohl ein mechanisches federndes Teil als auch eine piezoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische oder magnetische Kraft aufweist, die auf denselben beweglichen Mantel des Ventils einwirkt, Vorteile erwachsen: Das federnde Teil kann die normale Funktion des Ventils übernehmen, da es ein passiv bestimmtes dynamisches Ansprechverhalten aufweist, wie es beispielsweise in
US8 915 969 B2 beschrieben ist, und daher keine Stromzufuhr zur totalen Bewegungssteuerung benötigt, wie etwa eine durch eine Stromquelle irgendwelcher Art bereitgestellte Stromzufuhr, beispielsweise aus einem aus Batteriezellen bestehenden Akku, wobei zusätzlich noch der Vorteil der Feineinstellung der Steuerung der Magnetkraft oder andere bekannte Methoden zur Erzeugung von Kräften durch elektrische Techniken wie etwa Elektrostatik und Piezoelektrik bereitstehen. Die vorliegende Erfindung kann damit ein elektrisches Maß einer Änderungsrate der Beugung als Ausgangspunkt der Systemsteuerung für ein hydraulisches Ventil nutzen, wodurch eine Abweichung in einer Druckdifferenz in einem Ventil und damit im Fall eines prothetischen Beins einerseits die Stolperkorrektur und andererseits die Abweichung in der Dämpfungssteuerung zur Ermöglichung der Stabilität im Gebrauch geschaffen wird, unabhängig von der Gangrate eines Benutzers.
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In einem einfachen System wird die Strömungsgeschwindigkeit einer hydraulischen Flüssigkeit in einem hydraulischen Dämpfer während des Hin- und Herflusses zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter zwischen einem Ventil mithilfe eines Sensors überwacht, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit so überwacht werden kann, dass sie sich an eine Ventilfunktionalität angleicht; zur Erhöhung des Widerstands in einem Stolperkorrekturmodus im Fall eines prothetischen Beins; zur Herabsetzung des Widerstands bei kontinuierlicher Erhöhung der Gehgeschwindigkeit. Der Sensor kann in geeigneter Weise als Klappe ausgelegt werden, die sich der Strömungsrichtung der Flüssigkeit zwischen dem ersten und zweiten Behälter entsprechend bewegt und beispielsweise zunehmend abgelenkt wird, je größer die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit wird. Bei einer ersten Alternative könnte ein Drehschaufelblatt eingesetzt werden, nämlich so, dass die Drehung des Schaufelblatts ein Gradmaß der Änderungsrate der Flüssigkeitsströmungsrate ist.
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Im Fall eines sofortigen Anhaltens der Strömung könnte ein Stolperkorrekturmodus ausgelöst werden, wodurch die Flüssigkeitsströmung minimiert oder sogar unterbunden wird: Anstelle der Aufrechterhaltung des Ventils in einem offenen Zustand durch Unterbindung der Ventilschließung durch magnetische Kraft würde stattdessen eine Feldumkehr eine rasche Schließung des Ventils bewirken. Ein derartiger Stolperkorrekturmodus könnte beispielsweise in Hinsicht auf die Schublänge eines Hydraulikschiebers in einem Zylinder des hydraulischen Dämpfers bestimmt werden, um sicherzustellen, dass ein Nichtströmungs-Betriebszustand nicht initiiert wird, wenn sich daraus kein Nutzen ergäbe. Das Schaufelblatt könnte an einen Mikroprozessor angeschlossen werden, um festzustellen, wann die Ventiltätigkeit von einem Ruhezustand abgewandelt werden muss. Im Fall des Einsatzes einer Drehschaufelblatt-Baugruppe könnten die Drehbewegung und die Veränderungsrate der Drehbewegung hinsichtlich Drehpositionsmerkmalen bestimmt werden. Bei der Alternative könnte eine Gleichstromspannung erzeugt werden, die entweder direkt zur Steuerung eines Ventilregelmechanismus eingesetzt wird, oder durch eine elektrische Verstärkerschaltung verstärkt wird, wobei dann auch eine Stromversorgung erforderlich wäre. Der von einem kleinen Generator ausgegebene Strom wird in geeigneter Weise gedämpft und mittels Kondensatoren gespeichert; entweder direkt oder mit verstärktem Strom; ein Elektromagnet oder ein anderes elektrisches Stellelement kann ebenfalls zur Veränderung der Betriebsmerkmale eingesetzt werden; von vollständig geschlossen in einem Stolperkorrekturmodus bis zu einem Zustand, in dem weniger Widerstand geleistet wird, wenn eine erhöhte Gehgeschwindigkeit gewünscht wird, wobei das zwischen zwei Kammern eines Dämpfers tätige Ventil zusätzlich gesteuert werden kann.
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Das Ventil kann ein bewegliches Element beinhalten, das einem federnd angebrachten Element anliegt, das die Größe einer Öffnung bei Erhöhung der Krafteinwirkung reduziert und dem federnd angebrachten Element entgegenwirkt, wobei das Ausmaß der Federkraft verändert wird, beispielsweise durch ein veränderliches Magnetfeld, das durch den Betrieb der Sensoren gesteuert wird. Eine rheomagnetische Flüssigkeit kann eingesetzt werden, wodurch ein Magnetfeld das Fließverhalten der kontinuierlich zu steuernden Hydraulikflüssigkeit mittels eines variablen, durch einen Mikroprozessor gesteuerten Elektromagneten bestimmen kann.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für den Fall anwendbar, wenn das prothetische Glied ein Bein ist, wobei die erste künstliche Gliedkomponente ein Oberschenkelelement und die zweite künstliche Gliedkomponente ein Unterschenkel- oder ein Hüftelement ist, das Gelenk schwenkbar mit dem besagten ersten und zweiten Glied mittels eines Knie- oder Hüftgelenks gekoppelt ist. Das Glied kann aber auch ein Arm sein, wobei die erste künstliche Gliedkomponente ein Oberarmelement und die zweite künstliche Komponente ein Unterarmglied oder ein Schulterelement ist, das Gelenk schwenkbar mit dem besagten ersten und zweiten Glied mittels eines Ellbogen- oder Schultergelenks gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Prothese kann ein künstliches Knochenglied oder eine Gliedstütze bzw. auch beides für Hüfte, Glied oder Knöchel umfassen. Das Ventil ist zur variablen Zustandssteuerung der Bewegung des besagten Gelenks dadurch, dass es Veränderungen seines Winkelstatus gestattet, entsprechend verstellbar. Die Flüssigkeit kann aus einer Kombination der folgenden Flüssigkeiten gewählt werden: einer kohlenwasserstoffbasierten Flüssigkeit, einer silikonbasierten Flüssigkeit oder einer rheomagnetischen Flüssigkeit.
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In einem anderen Aspekt bedingt der Einsatz von Strömungsdruckdifferenzen die Offenhaltung eines ohne Ansteuerung geschlossenen Ventils; in verschiedenen Verwendungsmodi eines Gelenks dient das zur Übermittlung von Daten an den effektiven Speicher des System, um ein ohne Ansteuerung geschlossenes Ventil offen zu halten und diese Druckdifferenzen optional als Mittel zur Speicheransteuerung zu verwenden. Des Weiteren kann der Einsatz von Gegenstromdruckzuständen als gegenwärtig, beispielsweise in einer Streckung eines Kniegelenks, dem effektiven Speicher des Systems Daten übermitteln, in einen Ruhezustand zurückzukehren, bei Streckung jeglichen gespeicherten Inhalt abzubrechen und diese Gegendruckdifferenzen optional als Mittel zur Vornahme einer Änderung des Speicherinhalts zu verwenden, was einen zweiten Teil dieses Aspekts der Erfindung bildet.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Nun wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, wie sie auf den beiliegenden Zeichnungsblättern gezeigt sind, worin:
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1 eine grafische Darstellung ist, die den maximalen Kniebeugungswinkel in der Schwungphase bei verschiedenen Gehgeschwindigkeiten für drei prothetische Kniegelenke auf dem Stand der Technik repräsentiert;
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2 einen bekannten Prothesen-Hydraulikschalter darstellt;
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3 eine Beinprothese mit einem hydraulischen Dämpfer zeigt;
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4 ein Schnittbild einer generischen Vorrichtung ist, die mit dem Einbau eines erfindungsgemäßen Steuerungssystems entsprechend abgeändert werden kann;
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4’ ein Schnittbild einer erfindungsgemäß ersten Ausgestaltung eines Ventils ist;
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4a–4e gemäß der vorliegenden Erfindung betriebsfähige Ventile zeigt;
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5a–5e verschiedene hydraulische Dämpfer zeigen, die gemäß der vorliegenden Erfindung betriebsfähig sind;
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6 eine grafische Darstellung ist, die den maximalen Kniebeugungswinkel in der Schwungphase bei verschiedenen Gehgeschwindigkeiten für ein Kniegelenk gemäß der Erfindung repräsentiert; und
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7–9 drei hauptsächliche Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens eines erfindungsgemäß ausgeführten Ventils zeigen.
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Lexikon
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Die folgenden Begriffe haben spezifische Bedeutungen, und deshalb soll im Fall irgendwelcher Zweifel auf dieses Lexikon Bezug genommen werden:
Gliedstütze: eine Stützvorrichtung zur Erhaltung einer relativen Position eines Glieds zum Körper oder zu einem anderen Glied; Teil einer extern angeordneten, zur Stützung von Gliedern vorgesehenen Komponente;
Hydraulikflüssigkeit: eine im Wesentlichen inkompressible Flüssigkeit, die für hydraulische Leitungen, hydraulische Stößel und hydraulische Systeme ausgebildet ist;
Hydraulischer Dämpfer: eine hydraulische Vorrichtung, die mindestens ein erstes variables Hydraulikflüssigkeitsvolumen umfasst, worin das im hydraulischen Stellelement vorhandene Hydraulikflüssigkeitsvolumen sich proportional zum Ausmaß einer mit dem Gelenk verbundenen Betätigung verhält, an das der hydraulische Dämpfer gekoppelt ist;
Prothese: ein künstliches Teil wie etwa eine künstliche Gliedmaße; ein künstliches oder mechanisches Hilfsmittel wie etwa eine Gliedstütze;
Prothetisches Gelenk: ein künstliches Gelenk im Zusammenhang mit der Instandsetzung oder dem Ersatz eines Knochengelenks; der Begriff schließt externe orthopädische Gelenke ein;
Orthopädisches Gelenk: ein Knochengelenk; ein Gelenk der Gliedmaßen; ein Gelenk wie etwa die Hüften;
Ventil: eine Vorrichtung, die zur Regelung oder Steuerung der Strömung einer Flüssigkeit in einem Durchgang wie etwa einem Rohr oder einer Leitung ausgebildet ist, zwischen zwei Volumen; eine Vorrichtung, die zur Regelung oder Steuerung der Strömung einer Flüssigkeit ausgelegt ist, aber nicht unbedingt die Strömung der besagten Flüssigkeit verhindert;
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
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Nachstehend wird nun und nur beispielhaft die beste vom Erfinder in Erwägung gezogene Ausführungsart zur Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Dem Durchschnittsfachmann wird offenkundig sein, dass die vorliegende Erfindung mit Abwandlungen der spezifischen verwirklicht werden kann.
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3 zeigt eine einfache Gestaltung eines künstlichen Beins 30, worin ein Oberschenkelteil 31 an einem Stumpfelement 32 angebracht ist, das schwenkbar mit einem Unterschenkelteil 34 mittels eines Gelenks 33 zusammengefügt ist. Ein Hauptkörper 36 eines hydraulischen Dämpfers 35, mit einem Hauptkörper 36 versehen, ist mit dem Unterschenkelteil 34 am Kupplungspunkt 37 zusammengefügt, wobei der Kupplungspunkt 37 eine relative Bewegung dazwischen gestattet. Ein hydraulisches Armelement 38 der hydraulischen Dämpfereinheit 35, mit einem Kolben verbunden und zur Hin- und Herbewegung in Bezug auf den Hauptkörper 36 angeordnet, ist an das Stumpfelement 32 am Verbindungsstück 39 angefügt und ist zur Bewegung in gleicher Weise angeordnet, in diesem Fall relativ zum Stumpfelement 32. Während die folgende Beschreibung den hydraulischen Dämpfer in Bezug auf eine Unterschenkelprothese beschreibt, wird hier ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der hydraulische Dämpfer in Verbindung mit anderen prothetischen orthopädischen Knochengelenken eingesetzt werden kann, beispielsweise bei einer Hüfte mit einem Oberschenkelgelenk, einem Oberarm mit einer Schulter usw.
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Ein allgemeines mit mechanischen Gelenken verbundenes Problem besteht darin, dass das Ansprechen der Gelenksteuerung von einer einwirkenden Belastung und nicht unbedingt von einer kinematischen Anforderung abhängt, die ein von Belastung unabhängiges Bewegungsmuster als möglich steuert. Das bedeutet, dass ein korrektes und sicher anhaltendes Ansprechen in jeder der zwei abwechselnden Betriebszustände einer Prothese erforderlich ist; nämlich ein typischerweise in der Schwungphase auftretender niedriger Reaktionsdrehmomentzustand, und ein hoher Reaktionsdrehmomentzustand bei Belastung. Ein unangemessenes Drehmoment bringt typischerweise eine schwerwiegende Störung im Gehen mit sich. Die vorliegende Erfindung geht darauf ein und sorgt für einen anpassungsfähigen Strömungswiderstand – ob nun zur Stolperkorrektur oder bei Veränderung des Ganges.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist eine vereinfachte Ansicht eines hydraulischen Dämpfers vor erfindungsgemäßem Einbau eines Steuerelements gezeigt. Eine hydraulische Dämpfereinheit 35 umfasst ein hydraulisches Armelement 38, das mit einem künstlichen Stumpfelement 32 mit dem Verbindungsstück 39 an einem dem Hauptkörper 36 gegenüberliegenden Ende und durch den Kupplungspunkt 37 an dem dem hydraulischen Armelement 38 gegenüberliegenden Ende mit dem künstlichen Beinteil 34 gekoppelt ist. Ein hydraulisches Armelement 38 umfasst einen Kolben 43, der sich relativ zur Zylinderbohrung 44 bewegt und damit eine Kammer mit variablem Volumen 42 bestimmt. Hydraulikflüssigkeit aus der Kammer mit variablem Volumen 42 strömt zum Ventil 47 und in einen Akkumulator 40 über einen Flüssigkeitspfad 45, 47c. Bei einigen Ausgestaltungen könnte die Ventilbaugruppe allerdings Teil der Kolbenbaugruppe umfassen. Wenn sich im Gebrauch der Kolben dem Ventil 47 nähert, strömt damit Flüssigkeit durch das Ventil; die Strömungsgeschwindigkeit wird durch das Ventil gesteuert; da das Ventil unter hohem Druck die Strömungsgeschwindigkeit senkt, ergibt sich daraus eine graduelle Bewegung des Dämpfers. Bei der Rückbewegung des Kolbens weg vom Ventil kann das Einwegventil 46 den freien und ungehinderten Rückfluss von Hydraulikflüssigkeit aus dem Akkumulator zur Kammer mit variablem Volumen 42 gestatten. Das mit der Bezugsziffer 48 gekennzeichnete Element dient zum Anheben des Ventilteils 47a des Ventils 47 von einem gemeinsam zugewandten Ventilsitzteil 47b. Flüssigkeitspfad 47c führt von Ventil 47 zum Akkumulator 40 hin. Wie zu erkennen ist, wird der Bereich 40a (in dem derselbe Druck wie im Akkumulator herrscht) zwischen dem Ventilfuß, dem Unterteil des Elements 48 und dem Boden der Zylinderbohrung dabei gefüllt, wie der im Ventilbereich befindliche Druck das Ventil 47 zum Kolben hin drängt, wodurch die weitere Herabbewegung des Kolbens 43 die Flüssigkeitsströmung aufrechterhält.
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In diesem Beispiel ist am hydraulischen Dämpfer eine Beinprothese angebracht, wobei das Stumpfelement 32 aus einem Oberschenkelelement, das Unterschenkelteil 34 aus einem Unterschenkelglied besteht und das Gelenk 33 das Knie bildet. Das Knie funktioniert in einem Winkelbereich, typischerweise von 120°. Im Gehmodus streckt sich der Unterschenkel nach vorn und beugt sich nach hinten. Im Beugemodus (mit dem als FL gekennzeichneten Pfeil bezeichnet) verschiebt sich der Kolben 43 zum druckbelasteten Ventil hin, wodurch das Volumen der Kammer mit variablem Volumen 42 reduziert wird, woraufhin die Flüssigkeit durch das Ventil 47 strömt, was aber nur bei Trennung der Ventilteile 47a und 47b geschieht. Die Ventilteile können nur dann getrennt werden, wenn vor ihrer Trennung der aufgeweitete Oberteil des Elements 48 durch die reduzierte Breite oder den reduzierten Halsbereich des Kolbens durch eine gewisse Überstreckung des Kniegelenks angehoben wurde, was dann tatsächlich eine Bewegung des Kolbens 43 innerhalb der im Körper 36 angeordneten Zylinderbohrung 44 vom Ventilteil 47b weg hervorruft. Bei einer unmittelbar einsetzenden Beugung und nach diesem kurzen Vorgang ist ein Flüssigkeitsstrom noch immer möglich, nämlich durch die Ventilteile 47a, 47b und, wodurch wiederum sofort eine Druckerhöhung zwischen 47a und 47b eintritt, aufgrund eines Strömungswiderstands, der durch den Flüssigkeitspfad 47c auftritt. Solange die Beugung fortdauert, hält der Flüssigkeitsstrom durch den Flüssigkeitspfad 47c an, wobei der Druck erhalten bleibt, der das Ventilteil 47a von dem Ventilteil 47b getrennt hält, woraufhin Flüssigkeit durch das Ventil 47 strömen kann. Der Druck im Nahbereich des Flüssigkeitspfades 47c hält weiterhin diesen Zustand aufrecht, da der entgegenwirkende Druck im Bereich 40a den Bezugsdruck im Akkumulator 40 nicht übersteigt. Wenn die Überstreckung nicht eintritt und der Kolben sofort gedrückt wird, so wird das Hilfsventil 47d stattdessen betätigt und gestattet damit eine beschränkte Bewegung, wobei ein Flüssigkeitstransfer von der Kammer mit variablem Volumen bis zum Akkumulator ermöglicht wird, wenn auch in einem geringeren Ausmaß; der Druck im Volumen 42 gewährleistet dabei die Erhaltung des Flüssigkeitsdrucks an der Schubstange 48, wodurch das Ventil 47 geschlossen bleibt.
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Im Gegensatz dazu ist im Streckmodus bei einer Bewegung in einer dem Pfeil EX entsprechenden Richtung der Druck im Ventil 42 niedriger als im Akkumulator 40, was bedeutet, dass sich damit der Bereich 40a auf sein Hðchstmaß erhöht, da dabei die Akkumulatorflüssigkeit im Bereich dieses Spalts wirkt. Gleichzeitig öffnet sich dann das Einwegventil 46, wodurch die Akkumulatorflüssigkeit in die Kammer mit variablem Volumen 42 einströmen kann, was eine Streckung des hydraulischen Armelementess 38 auslöst, da damit die Rückbewegung des Kolbens 43 vom Ventil 47 hervorgerufen wird.
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Die durch die Strömung in der Kammer mit variablem Volumen herbeigeführte hydraulische Druckkraft wird (bei bestimmten Ausgestaltungen, siehe beispielsweise das Beispiel entsprechend 4d) mittels Schubstange 48 zum Ventil übertragen, wodurch die Betätigung des Ventils direkt durch einen derartigen hydraulischen Druck gesteuert wird. Bei einer solchen Anordnung reduziert sich die Größe einer Auslassöffnung des Ventils; in den Beispielen ruft ein auf die Ventile einwirkender hydraulischer Druck den physischen Verschluss einer Öffnung hervor, wie das eingehender für die nachstehenden spezifischen Ventilmechanismen besprochen wird, wobei die Flüssigkeitsströmung von der Kammer mit variablem Volumen reduziert wird, mit dem Ergebnis, dass die Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung reduziert und damit jegliche Bewegung effektiv „gedämpft“ wird.
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Hier ist davon auszugehen, dass bei nahezu voller – also nicht vollständiger – Schließung des Ventilteiles 47a, 47b die Feder 47e eine Kraft zur Schließung der besagten Ventilteile 47a–47b bereitstellt. Da jedoch eine Strömung durch das Ventil vorliegt und Druck vor dem Flüssigkeitspfad 47c erzeugt, führt der besagte Druck als Funktion der Strömung zur Anhebung des Ventilteils 47a gegen die Spannung der Feder 47e. Wenn der Antriebsdruck der Kammer mit variablem Volumen 42 geringfügig zunimmt, wird das Ventilteil 47a ein wenig weiter angehoben, und eine variable Öffnung zwischen den Ventilteilen 47a und 47b weitet sich aus, wodurch sich der Druckabfall darüber reduziert. Die Anhebung des Ventilteils 47a ist auch mit einer Axialkrafterhöhung verbunden, die die durch einen federnden Teil 47e hervorgerufen wird, und für eine weitere Ventilanhebung ist zusätzlicher Druck erforderlich. Zweckmäßigerweise kann das Ventil so ausgeführt werden, dass die Flüssigkeitsströmung den dynamischen Zustand der Öffnung bestimmt. 4a zeigt eine für diese Anordnung typische Ansprechrate.
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Der Vorteil des strömungsbedingten Verhaltens der Offenbarung wird mit dem Einsatz eines Ventils ermöglicht, das eine Schwingbewegung im Knie gestattet, außerdem aber auch ein allmähliches Schließen des Ventils bei Beendigung der einleitenden Knieflexionsbewegung erlaubt, sodass sich das Ventil nicht abrupt schließt, sondern die Knieflexionsbewegung sanft abschließt, was dem Benutzer ein angenehmes und qualitativ überlegenes propriozeptives Feedback vermittelt.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4’ ist hier ein erfindungsgemäßes Ventilsteuerelement gezeigt. Das Gehäuse 11 enthält ein Ventilsteuerelement 4. Hydraulikflüssigkeit 5 strömt durch die Öffnung 12 und danach durch das Ventil und durch die Öffnung 10 in der durch Bezugsziffer 3 angezeigten Strömungsrichtung. Die durch 5 strömende Hydraulikflüssigkeit ruft auch den Abwärtsdruck bei 6 hervor, der teilweise durch Innendruckkräfte 7 ausgeglichen wird. Da der Druck 6 größer als Druck 7 ist, bewegt sich das Ventilsteuerelement 4 abwärts und blockiert damit die Öffnung 10. Es ergibt sich ein Druckabfall zum Niederdruckbereich 9, wodurch die Hydraulikflüssigkeit vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich strömt. Dadurch verringert sich die nach außen gerichtete Strömung 3 und damit die nach innen gerichtete Strömung 5. Wo die die Öffnung 10 teilweise geschlossen ist, herrscht ein Gleichgewicht, wenn eine Widerstandskraft nach oben wirkt und den Druckunterschied über Öffnung 12 kompensiert. Diese Kraft ist erfindungsgemäß durch Veränderung der durch Spule 2 fließenden Strömung steuerbar variabel. Dadurch interferieren die elektromagnetischen Feldlinien mit dem permanenten Magneten 1 und bewirken damit ein Abstoßverhalten 8, was eine Änderung in der aufwärtsgerichteten Kraft mit sich bringt. Durch eine Veränderung der Strömung kann sich das Ventilsteuerelement 4 aufwärts bewegen und damit das Ausmaß der Öffnung des Ventils 10 steuern. Ein Gleichgewicht zwischen der im Ruhezustand bestehenden Schließkraft der Öffnung 10 von der Differenz zwischen den Drücken 6 und 7 wird bestimmt, eine natürliche Funktion der Strömung durch Öffnung 12, das speziell im Ruhezustand (bei Nichtanwendung der vorliegenden Erfindung) und Abstoßungskräften vom Magneten 1 und der Spule 2 vorliegt, und dieses Gleichgewicht ist durch die Strömung 13 änderbar. Würde die Strömung 13 nämlich umgekehrt, so würde dieses Ventil sofort in einen geschlossenen Zustand übergehen, da die Öffnung 10 dann geschlossen wäre und jegliche Strömung 3 blockiert würde.
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Diese Konstruktion kann übrigens als Grundlage für viele alternative Ausgestaltungen dienen: Ein Elektromagnet kann einen Dauermagneten abstoßen oder in einer alternativen Ausgestaltung einen Dauermagneten anziehen. Alternativ kann eine Elektromagnetspule in Verbindung mit dem beweglichen Mantel angeordnet werden und auf einen statischen Magneten mittels Abstoßung oder Anziehung einwirken. In einer Alternative kann der Magnet einen Elektromagneten umfassen, und die Vorrichtung kann mit sich anziehenden Magnetspulen oder mittels Abstoßwirkung erstellt werden, eine einfache Magnetspule kann auf ein ferromagnetisches Material einwirken und zur Einwirkung auf das bewegliche Element eine Steuerkraft hervorrufen. Solche magnetischen Kräfte können anstelle der von bekannten federnden Teilen ausgehenden Kräfte angewandt werden. Alternativ können die magnetischen Kräfte zur Wandlung einer von solchen bekannten federnden Teilen ausgehenden Ausgangskraft angewandt werden. Anders ausgedrückt kann die Magnetfeldkraft zur Verstärkung der Kraft des federnden Teils eingesetzt werden und darin typischerweise den Durchfluss durch das Ventil verstärken, oder die Magnetkraft kann zu einem Druckabfall an der Einlassöffnung beitragen und damit den Ventildurchfluss vermindern, wobei das alles durch den jeweils bestehenden Stromfluss durch die Spulen gesteuert wird. Wie zu erkennen ist, wäre für den totalen Ersatz solcher federnden Teile durch die elektromagnetischen Kräfte zusätzlicher Strom erforderlich, doch würde damit das Steuerungsvermögen für den Ventildurchfluss weiter verbessert. Die grundlegende Eigenschaft des Ventils, das die Strömung durch eine Steuerkraft steuert, hat im Vergleich zu Schrittschaltmotoren, wie sie anderweitig auf dem bisherigen Stand der Technik zu finden sind oder verwendet werden, einen nützlichen Vorteil, und zwar besonders deshalb, weil die Ansprechzeit der Offenbarung Millisekunden im Gegensatz zu Zehntelsekunden beträgt.
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In auf dem bisherigen Stand der Technik befindlichen Systemen wird die Verwendung einer Magnetspule als Steuerelement vorgeschlagen; eine wie in 4’ eingezeichnete Abstoßkraft kann eingesetzt werden, kann bei oberer Anordnung gleichermaßen aber auch zum Anheben desselben Ventilsteuerelements 4 eingesetzt werden. Der effektive Unterschied ist naturgemäß im Zusammenhang zwischen Kraft und Verlagerung zu finden. Wenn in der Konstruktion eine Abstoßkraft eingesetzt wird, verringert die Kraft beim Öffnen die Öffnung 10 aufgrund der Verlagerung, doch wenn die Kraft zur Anziehung angewandt wird (wenn die Spule also oben angeordnet wird), erhöht sich damit die Anziehungskraft, da sich der Abstand zwischen dem Dauermagneten und der Spule verringert. Obwohl der gering bemessene Stellweg zur Steuerung der Öffnung 10 als unerheblich erscheinen mag, wirken sich solche fast unmerklichen Unterschiede bei Prothesen für Kinder und kleinwüchsige Erwachsene stärker aus. Tatsächlich können mit dem Einsatz eines elektromagnetischen (oder anderweitigen) Steuerelements zur Ansteuerung eines Ventils zur Stabilisierung einer Strömung, die großenteils unabhängig von der Druckdifferenz über das gesamte Ventil ist, mittels einer von einem Strom erzeugten Kraft, die ihrem Wesen nach bei Abbruch und/oder Umkehrung des Stroms die totale Ventilschließung bewirken kann, erhöhte Nutzenvorteile geschaffen werden. Beispielsweise kann mit der vorliegenden Erfindung ein Ventilverschusssystem bereitgestellt werden, das sich im Fall eines „Stolperkorrekturmodus“ als vorteilhaft erweisen kann, der für einen sicheren und normalen Betriebsmodus für eine amputierte Person erforderlich ist. Eine Stolperkorrektur ist unter den folgenden Bedingungen erforderlich: Eine amputierte Person schwingt ein Glied nach vorn und stößt dabei mit einer Zehe auf den Boden, wodurch eine weitere Gliedstreckung verhindert wird – in einer derartigen Situation kann jedoch das Moment zur Vorwärtsbewegung des Körpers und des Rumpfes nicht zum Stillstand gebracht werden, und deshalb sollte nun das andere Glied schnellstens nach vorn gebracht werden. Ein erfindungsgemäßes künstliches Glied kann jedoch durch Schließung des Ventils, wodurch die Flüssigkeitsströmung durch das Ventil unterbunden wird, Stabilität und Steifigkeit im erforderlichen Ausmaß bereitstellen. Es ist zu ersehen, dass das auf dem bisherigen Stand der Technik befindliche federnde Teil diesen Vorteil nicht bieten kann, da das federnde Teil oder federgespannte Element seinem Wesen nach die Schließung des Ventils verhindert und tatsächlich nur die Strömung auf ein vorbestimmtes Maximum einschränkt, während bei der Stolperkorrektur diese Strömung null betragen sollte. Diese Offenbarung demonstriert, wie mittels fluidischer Technologie ein Stellantrieb in elektrotechnischer Steuerung oder Mikroprozessorsteuerung angewandt werden kann.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4a ist ein Beispielventil 47a gezeigt, das einen Einlass 471a besitzt, der sich innerhalb einer beweglichen Kappe 472a befindet, der einen zylindrischen Mantel 473a hat, der zur federnden Bewegung in einer in einem Bodenteil 474a umgrenzten Bohrung befindlich ist, dessen Kappe eng in der Bohrung anliegt; ein federgespanntes Element 475 presst die Kappe von der Innenseite des Bodenteils 474a weg, wobei die Kappenbewegung durch ein (nicht abgebildetes) Widerlager eingeschränkt wird. Die Kappe 472a hat eine Öffnung, die einen Durchlass zu einem Flüssigkeitsstrompfad innerhalb des Bodenteils zur Austrittsöffnung 476a gewährt. Bei Vorliegen einer Erhöhung im hydraulischen Druck relativ zu einem Austrittsvolumen (dem Akkumulatordruck) wird die Kappe der Kraft des federgespannten Elements entgegen gepresst und bewegt sich einwärts zum Bodenteil hin, wodurch der zylindrische Mantel 473a die Austrittsöffnung 476a verschließt.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4b ist ein Beispielventil 47b gezeigt, das einen Einlass 471b besitzt, der zwischen den Lippen 470b eines Bodenteils 474b angeordnet ist. Beispielsweise enthält eine auf die Drucksteuerstange 480 ansprechende bewegliche Kappe eine federgespannte Element 475b. Wie zu erkennen ist, presst im Ruhezustand das federgespannte Element 475b die Kappe von der Innenseite des Bodenteils 474b weg. Bei Vorliegen einer Erhöhung im hydraulischen Druck relativ zu einem Austrittsvolumen (dem Akkumulatordruck) wird die Kappe der Kraft des federgespannten Elements entgegen gepresst und bewegt sich einwärts zum Bodenteil hin, wodurch das federgespannte Element sich zum Bodenteil hin zurückbewegt und dabei die Austrittsöffnung 476b verschließt.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4c ist ein Beispielventil 47c gezeigt, das eine bewegliche Kappe 472c besitzt, die einen zylindrischen Mantel 473c hat. Ein Einlass 471c befindet sich im zylindrischen Mantel 473c der Kappe. Die Kappe 472c ist zur federnden Bewegung innerhalb einer in einem Bodenteil 474c angeordneten Bohrung ausgelegt, wobei die Kappe eng in der Bohrung anliegt; ein federgespanntes Element 475 presst die Kappe von der Innenseite des Bodenteils 474c weg, wobei die Kappenbewegung durch ein (nicht abgebildetes) Widerlager eingeschränkt wird. Die Kappe 472c hat einen Einlass 471c, die einen Durchlass zu einem Flüssigkeitsstrompfad innerhalb des Bodenteils zur Austrittsöffnung 476c gewährt. Bei Vorliegen einer Erhöhung im hydraulischen Druck relativ zu einem Austrittsvolumen (dem Akkumulatordruck) wird die Kappe der Kraft des federgespannten Elements entgegen gepresst und bewegt sich einwärts zum Bodenteil hin, wodurch der Einlass 471c teilweise verschlossen wird; wie es bei 4a der Fall ist, verschließt der zylindrische Mantel 473a ebenfalls die Austrittsöffnung 476c.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf 4d ist eine weitere Abwandlung gezeigt: Das Ventil 47d ist mit einer beweglichen Kappe 472d gezeigt, die einen zylindrischen Mantel 473d besitzt. Ein Einlass 471d ist innerhalb des geschlossenen Endes der Kappe angeordnet und ebenfalls mit dem Kolben 43 mechanisch verbunden, wie in 4. Die Kappe 472d ist zur federnden Bewegung innerhalb einer in einem Bodenteil 474d angeordneten Bohrung ausgelegt, wobei die Kappe eng in der Bohrung anliegt; ein federgespanntes Element 475 presst die Kappe von der Innenseite des Bodenteils 474d weg, wobei die Kappenbewegung durch ein (nicht abgebildetes) Widerlager eingeschränkt wird. Die Kappe 472d hat einen Einlass 471d, die einen Durchlass zu einem Flüssigkeitsstrompfad innerhalb des Bodenteils zur Austrittsöffnung 476d gewährt. Bei Vorliegen einer Erhöhung im hydraulischen Druck relativ zu einem Austrittsvolumen (dem Akkumulatordruck) wird die Kappe der Kraft des federgespannten Elements entgegen gepresst und bewegt sich einwärts zum Bodenteil hin, wodurch die Austrittsöffnung 476d teilweise verschlossen wird.
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4e zeigt eine weitere Abwandlung, wobei dieses Ventil 47e dann nützlich ist, wenn bei einer bestimmten Raumausrichtung eine Bewegung erforderlich ist und parallel zu einem anderen Ventil oder in einem parallelen Flüssigkeitskreislauf angeordnet werden kann. Das System beinhaltet sämtliche Merkmale des Ventils 47a – Merkmale der Kappe 474a und 474e stimmen damit überein, und Gleiches gilt für die Bodenteile 474 a und 474 e, die zylindrischen Mäntel 473a und 473e wie auch die Austrittsöffnungen 476a und 476e. Das mit einem Dichtungsgewichtsstück 478 versehene Pendelelement 477 ist so ausgebildet, dass es bei Verrückung aus der senkrechten Position Flüssigkeit in Bezug auf die entsprechende Pendelventilsitzfläche 479 bei nicht senkrechter Ausrichtung durchlassen kann. Es lässt sich ersehen, dass eine Reihe dieser Ventile in Gruppen oder einzeln eingesetzt werden können. Das federgespannte Element lässt sich so abändern, dass damit unterschiedliche Federwirkungen bereitgestellt werden können. Ebenso wird das federgespannte Element zur Ermöglichung der Verstellung idealerweise mit dem Boden auf einem verstellbaren Sitzteil angebracht, entweder bei der Erstellung oder in geeigneter Weise zur Feineinstellung, sobald der Dämpfer in einer Prothesevorrichtung montiert ist und eine amputierte Person die Vorrichtung benutzt.
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Demgemäß wird in einem Aspekt der Erfindung ein druckempfindliches Ventil eingesetzt, worin die Eintrittsflüssigkeit in den Umlauf um eine mittige Öffnung gebracht wird. Bei Erreichung einer entsprechenden Strömungsgeschwindigkeit durch das Wirbelventil wird ein Leerraum hervorgerufen. Die Bildung eines Leerraums, der vermutlich Hydrauliköldämpfe enthält, reduziert die Öffnungsgröße und schränkt damit die Strömung ein. Damit wiederum wird die Flüssigkeitsströmung aus der Kammer mit variablem Volumen reduziert, mit dem Ergebnis, dass die Bewegung des Kolbens in der Zylinderbohrung reduziert und damit jegliche Bewegung effektiv „gedämpft“ wird. Es lässt sich ersehen, dass dieses Ventil zahlreiche Anwendungen in Verbindung mit der Flüssigkeitssteuerung in der Prothetik haben kann, nicht nur für die spezifische Anwendung, auf die Bezug genommen wurde. Der Durchschnittsfachmann wird ersehen, dass sich diese Art von Flüssigkeitssteuerung in Fußgelenken und anderen Gelenkarten zur sensorischen Steuerung verwenden lässt.
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Mit nunmehriger Bezugnahme auf die 5a–5e ist hier eine Reihe von Abwandlungen gezeigt, die aufgrund eines für bestimmte Patienten, Amputierte usw. zweckmäßigen Ansprech- und Betriebsverhaltens gewählt werden, wenn sie zusätzlich mit Abwandlungen der vorliegenden Erfindung ausgestattet werden. 5a zeigt in situ eine einfache Ausgestaltung des Ventils mit einer einfachen Messöffnung 50a, wobei die Spannfeder eine konstante Federrate in ihrem Wirkungsbereich aufweist, die dem Ventil entspricht, wie es in Bezug auf 4a beschrieben ist. Diese kann in einem Hüftgelenk oder Fußgelenk genutzt werden, wo ein gleichförmiges Ansprechverhalten erforderlich ist. Eine Ansprechverhaltenskurve 5ai ist gezeigt. 5b ist eine Ausgestaltung, bei der eine schwerkraftempfindliche variable Messöffnung 50b eingesetzt wird, und zeigt ein Ventil, das dem Ventil entspricht, wie es in Bezug auf 4a beschrieben ist.
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5c ist für geriatrische Kniegelenke geeignet, wenn nach dem Abheben eines Beins vom Boden dieses nach rückwärts geschwungen wird, wobei die Trägheit der Fußbaugruppe typischerweise zur vollständigen Schließung des Ventils 47 nicht ausreicht und der gestuften waagrechten Kurve folgt, wenn der Patient ein Einknicken des Kniegelenks anstrebt, während das Gewicht des Patienten für eine Druckerhöhung ausreicht, die eine abschließende volle Schließung der Messöffnung 50c bewirkt. Dieses Ventil entspricht der Einbauform des Ventils 4c.
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5d zeigt eine weitere Ausgestaltung, worin die am Ventil angewandte Kraft vom Ausmaß der Einrückung des Kolbens innerhalb der Bohrung wie auch der am hydraulischen Arm 38 angewandten Kraft abhängt. Dies wird mit dem Einsatz des Rohrs 50d1 ermöglicht, innerhalb dessen der mit der Druckrückkopplungsvorrichtung verbundene Drucksensorkopf sich bewegen kann; mit dem Einsatz von verschiedenen Löchern kann eine Veränderung im Ansprechdruck in Bezug auf den Kolbenweg aktiviert werden. Die Löcher können in der Form variieren, d. h. sich zum Kupplungsende des hydraulischen Arms hin verengen, oder im umgekehrten Sinn. 5e zeigt eine weitere Ausgestaltung, worin der Ventilmechanismus eine gefederte Scheibe enthält, die eine entsprechend bemessene Öffnung überdeckt. Da sich die Scheibe im Betrieb über dem Ventil schließt, entsteht im Grenzbereich eine laminare Strömung, die für ein sanftes Ansprechverhalten sorgt. Eine niedrigere Bauhöhe lässt sich ebenfalls erreichen, was bei kleinen Gelenkprothesen besonders vorteilhaft ist, wie etwa bei Fußprothesen und bei Prothesen für Kinder.
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Mit der vorliegenden Erfindung können damit auf einfache Weise vorbestimmte Ansprechverhaltenskurven realisiert werden, die entweder hinsichtlich ihrer Kraft oder Kolbendistanz (oder beiden) variieren. Eine Ansprechverhaltenskurve kann erstellt werden, um ein korrektes kinematisches Ansprechverhalten zu ermöglichen, das auf einen bestimmten Patienten zugeschnitten ist.
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6 ist eine grafische Darstellung, die den maximalen Kniebeugungswinkel in der Schwungphase bei verschiedenen Gehgeschwindigkeiten für eine amputierte Person ist, die mithilfe der vorliegenden Erfindung geht. Die grafische Darstellung zeigt eine minimale Veränderung der Winkelabweichung im Bewegungsablauf der Kniebeugung in Bezug auf eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit. Das Graph einer Kniebeugung für eine normale Gangweise, d. h. für eine Person, die über den vollen Gebrauch der Gliedmaßen verfügt, ist für Vergleichszwecke gezeigt. Daraus ist zu ersehen, dass die Abweichung im Kniebeugungswinkel sowohl bei einer amputieren Person als auch bei einer Kontrollperson, die über den vollen Gebrauch der Beinglieder verfügt, mehr oder weniger nicht vorliegt, und zwar trotz einer Geschwindigkeitserhöhung, die ungefähr das Doppelte der ursprünglichen Geschwindigkeit beträgt. Einfach ausgedrückt würde dem zufälligen Betrachter eine Person, die solche künstliche Glieder trägt, als Person mit einer unbeholfenen Gehweise erscheinen, nämlich aufgrund einer verzögerten Kniestreckung, die zur Bereitmachung des Glieds auf die Gewichtsaufnahme erforderlich ist.
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Probleme, die aufgrund der Verwendung von gewichtsbetätigten Steuermechanismen von Kniegelenken auftreten, schließen die Tatsache ein, dass das vom künstlichen Glied aufgenommene Restgewicht das Gehen beeinträchtigen kann und der Kniebeugungsbereich auf 65° bis 70° verschoben wird, im Gegensatz zu einem natürlichen Kniebeugungsbereich 55° bis 60°. Der Kniebeugungsbereich kann so verstellt werden, dass er im Nahbereich des Kniebeugungsbereichs eines natürlichen Beins zu liegen kommt, doch hat sich das als nicht so vorteilhaft erwiesen, wie das bei einer geringfügigen Erhöhung der Fall ist. Es muss berücksichtigt werden, dass ein prothetisches Bein und ein prothetischer Fuß dem Benutzer des Beins keine Rückmeldesignale bezüglich der Nähe zum Boden und anderen Gegenständen auf dem Boden oder in Bodennähe geben können, und es hat sich herausgestellt, dass eine einfache Abhilfe darin besteht, mit einer geringfügigen Erhöhung des Kniebeugungsbereichs das Risiko des Hängenbleibens des Fußes am Boden im normalen Gebrauch zu reduzieren.
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7, 8 & 9 zeigen Abwandlungen der Erfindung, die in geeigneter Weise einfach und unkompliziert durch den Durchschnittsfachmann ausgeführt werden können. In diesen Figuren gestattet die Einlassöffnung 821 die Flüssigkeitsströmung von einem Bereich mit höherem Druck 831 durch eine Austrittsöffnung 827 mit variabler Größe zu einem nachgeschalteten niedrigeren Druck 828. Die Durchströmung von Öffnung 821 verursacht einen Druckabfall im Querschnittsbereich des Körpers 822, der mittels Aufwärts- oder Abwärtsbewegung die Größe der Austrittsöffnung 827 betätigt. Der Druckabfall im Querschnittsbereich 822 ruft eine Kraft F hervor, die eine Kraft überwinden muss, die wie folgt erzeugt wird:
In 7 ist ein piezoelektrisches Element 826 gezeigt, wobei die über den Gelenkpunkt 830 schwenkverstärkte Verformung durch den Balken 829 zur Entgegenwirkung der Kraft F den Auslass 827 schließt. Der Kräfteausgleich bestimmt den Strömungsdurchsatz: Wenn F aufgrund der erhöhten Strömung zu groß wird, so schränkt der Auslass 827 den Durchfluss ein, erhöht den Gegendruck in 837, vermindert den Druckabfall im Querschnittsbereich von des Körpers 822, begrenzt die Schließung des Auslasses 827, stabilisiert die Strömung, wobei die piezoelektrische Spannung durch die Drähte 825 und 824 geliefert wird.
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In 8 erzeugt ein elektrostatisches Abstoßungsfeld 834 ein Feld, das auf die Platten 823 (stationär) einwirkt, wobei die mit einem beweglichen Körper 822 verbunden Platte der Kraft F zum Schließen des Ausgangs 827 entgegenwirkt. Der Kräfteausgleich bestimmt den Strömungsdurchsatz: Wenn F aufgrund der erhöhten Strömung zu groß wird, so schränkt der Auslass 827 den Durchfluss ein, erhöht den Gegendruck in 837, vermindert den Druckabfall im Querschnittsbereich von 822, begrenzt die Schließung von 827, stabilisiert die Strömung, wobei die elektrostatische Spannung durch die Drähte 825 und 824 geliefert wird.
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In 9 fließt ein abstoßendes Magnetfeld 839, das durch einen Stromfluss durch die Spule 835 und den Dauermagneten 840 entsteht, der am Körper 822 befestigt ist (oder alternativ an einem anderen, jedoch entgegenwirkenden Elektromagneten) und wirkt der Kraft F zur Schließung des Ausgangs 827 entgegen. Der Kräfteausgleich bestimmt den Strömungsdurchsatz: Wenn F aufgrund der erhöhten Strömung zu groß wird, so schränkt der Auslass 827 den Durchfluss ein, erhöht den Gegendruck in 837, vermindert den Druckabfall im Querschnittsbereich von 822, begrenzt die Schließung von 827, stabilisiert die Strömung, wobei die Stromeingangsspannung durch die Drähte 825 und 824 geliefert wird.
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Mithilfe der vorliegenden Erfindung wird ein anpassungsfähiger Betriebsmechanismus zur Bewegungssteuerung ermöglicht, der effektiv unabhängig vom Schwenkmechanismus arbeitet. Viele Schwenkmechanismen wie etwa Kniekonstruktionen können also monozentrisch sein, wobei für die Gesamtbewegung des künstlichen Glieds ein einziger Schwenkpunkt eingesetzt wird, während auch mehrere sogenannte polyzentrische Konstruktionen bestehen, wo mehrere Verbindungskomponenten so zusammenwirken, dass damit eine komplexe Gesamtbewegung bereitgestellt wird. Ob nun die die zusammengefasste Bewegung des Kniegelenks komplex oder einfach ist, muss die Stabilität auf jeden Fall sichergestellt werden, und jegliche Schwungphase muss gesteuert werden, wobei ein erfindungsgemäßer Dämpfer erhebliche Vorteile bieten kann.
