DE102020134703A1

DE102020134703A1 - Verfahren zum Steuern eines Gelenkes einer orthopädietechnischen Einrichtung und derartiges Gelenk

Info

Publication number: DE102020134703A1
Application number: DE102020134703.0A
Authority: DE
Inventors: Eric Claußnitzer; Mark Schönemeier
Original assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Current assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN116634970A; US20240033108A1; WO2022136184A1; EP4267044A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Gelenkes 2, 28 einer orthopädietechnischen Einrichtung, das einen ersten Teil 8, einen zweiten Teil 4, der um eine Schwenkachse 12 schwenkbar an dem ersten Teil 8 angeordnet ist, einen aktiven Aktuator 42, ein selbsthemmendes Getriebe 16, 50 und eine elektrische Steuerung zum Steuern des Aktuators 42 aufweist, wobei bei dem Verfahren die elektrische Steuerung den Aktuator 42 derart steuert, dass sich der zweite Teil 4 entsprechend von Kräften bewegt, die von außen auf ihn einwirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Gelenkes einer orthopädietechnischen Einrichtung, das einen ersten Teil, einen zweiten Teil, der um eine Schwenkachse schwenkbar an dem ersten Teil angeordnet ist, einen aktiven Aktuator, ein selbsthemmendes Getriebe und eine elektrische Steuerung zum Steuern des Aktuators aufweist. Die Erfindung betrifft zudem ein solches künstliches Gelenk.
Eine orthopädietechnische Einrichtung ist insbesondere eine Orthese oder eine Prothese. Auch Unterstützungseinrichtungen, die beispielsweise Arbeiten über Kopf unterstützen oder Müdigkeit und Erschöpfung vorbeugen oder die Mobilität erhöhen, wie beispielsweise Rollatoren oder Rollstühle werden als orthopädietechnische Einrichtung angesehen. Viele dieser Einrichtungen verfügen über wenigstens ein künstliches Gelenk, um eine Bewegung unterschiedlicher Teile der orthopädietechnischen Einrichtung, vorliegend des ersten Teils und des zweiten Teils, relativ zueinander zu ermöglichen.
Ein gattungsgemäßes Gelenk in Form eines Knöchelgelenkes ist beispielsweise aus der EP 1 933 775 B1 bekannt. Ein aktiver Aktuator ist beispielsweise ein Motor, insbesondere ein Elektromotor, eine Hydraulikpumpe oder ein sonstiges aktiv antreibbares Element. Bei gattungsgemäßen Knöchelgelenken wird der Aktuator verwendet, um einen Winkel zwischen dem Unterschenkelteil, der den ersten Teil bildet und dem Fußteil, der den zweiten Teil bildet, zu verändern, den Fußteil also um die Schwenkachse relativ zum Unterschenkelteil zu verschwenken. Dies ist beispielsweise sinnvoll, wenn der Träger des Knöchelgelenks Schuhe unterschiedlicher Absatzhöhe trägt. Je höher der Absatz ist, desto weiter muss der Fußteil plantarflektiert werden, um ein möglichst natürliches Gangbild zu erzeugen. Bei einer Plantarflexion wird der Vorfußbereich abgesenkt und der bereits genannte Winkel zwischen dem Fußteil und dem Unterschenkelteil vergrößert.
Ein gattungsgemäßes Gelenk verfügt über ein selbsthemmendes Getriebe. Ein Getriebe ist selbsthemmend, wenn es sich über die Antriebswelle jedoch nicht über die Abtriebswelle antreiben lässt. Der aktive Aktuator ist eingerichtet, die Antriebswelle des Getriebes anzutreiben und somit eine Bewegung des zweiten Teils relativ zum ersten Teil hervorzurufen. Kräfte, die von außen auf den zweiten Teil wirken, wirken auf die Abtriebswelle des Getriebes und können somit eine Bewegung aufgrund der Selbsthemmung des Getriebes nicht hervorrufen. Dies ist beispielsweise bei einem künstlichen Knöchelgelenk dann von Vorteil, wenn das künstliche Knöchelgelenk zwar eine Einstellbarkeit der Absatzhöhe ermöglicht, ansonsten jedoch beim Gehen mit einem am künstlichen Knöchelgelenk angeordneten Prothesenfuß starr bleibt und keine weitere Bewegung des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil erlaubt. Aufgrund der Selbsthemmung des Getriebes wird dies erreicht, ohne dass der Aktuator angetrieben oder aktiv gehemmt oder festgehalten werden muss. Damit wird eine erhöhte Ausfallsicherheit erreicht, dass selbst für den Fall, dass der Aktuator nicht oder nicht sicher funktioniert, wenn beispielsweise eine Stromversorgung fehlerhaft ist oder ausfällt, eine ausreichende Stabilität des künstlichen Knöchelgelenkes erreicht wird. Der Träger des Knöchelgelenkes und der damit verbundenen Prothese läuft daher nicht Gefahr, im Falle dieser Fehlfunktion die Stabilität, auf die er sich verlassen muss, zu verlieren. Auch bei anderen Gelenken von orthopädietechnischen Einrichtungen, beispielsweise bei künstlichen Kniegelenken, ist diese Ausgestaltung von Vorteil, da bei einem Ausfall des Aktuators, beispielsweise bei einem Ausfall der Energieversorgung, eine Blockierung des Gelenkes eintritt und ein Einknicken dadurch verhindert wird. Zudem ist die Nutzung eines selbsthemmenden Getriebes meist energiesparender, da das Gelenk ohne Unterstützung des Motors in seiner Position verharrt und der Motor nur im Falle einer Bewegung aktiv werden muss.
Andere, ebenfalls gattungsgemäße Knöchelgelenke, sind dazu eingerichtet, während des Gehens oder anderer Bewegungsabläufe, die der Träger des künstlichen Knöchelgelenkes durchführt, Bewegungen des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil hervorzurufen, um ein natürlicheres Gangbild zu erzeugen. So ist es beispielsweise sinnvoll, während der Schwungphase eines Schrittes eine Dorsalflexion durchzuführen, also den Vorfuß des Prothesenfuß anzuheben. Der Winkel zwischen dem Fußteil und dem Unterschenkelteil des künstlichen Knöchelgelenkes wird dadurch reduziert. Auch andere Bewegungen können je nach Bewegungsmuster und Fortbewegungsart des Trägers der Prothese von Vorteil sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Knöchelgelenkes wird der Aktuator folglich deutlich häufiger verwendet, sodass ein größerer Energiespeicher, insbesondere Akku, vorgehalten werden muss. Dadurch wird das künstliche Knöchelgelenk schwer und benötigt einen relativ großen Bauraum.
Aus dem Stand der Technik sind zudem Knöchelgelenke bekannt, bei denen das verwendete Getriebe nicht selbsthemmend ausgebildet ist. In diesem Fall wird der Aktuator benötigt, um einerseits eine Bewegung des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil gegen von außen wirkende Kräfte herbeizuführen und andererseits zu verhindern, dass sich der Fußteil relativ zum Unterschenkelteil bewegen kann, sofern eine solche Bewegung nicht benötigt wird. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann nachteilig, wenn ein Funktionsfehler oder ein Ausfall des Aktuators vorliegt. Während bei einem selbsthemmenden Getriebe eine unkontrollierte Bewegung des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil durch das Getriebe verhindert wird, wenn der Aktuator ausfällt, kann eine derartige Bewegung nicht verhindert werden, wenn das Getriebe diese Funktion nicht erfüllt. Häufig müssen zudem mechanische Bewegungsanschläge verwendet werden, um den Bewegungsumfang eines solchen Gelenkes festzulegen. Nachteilig ist, dass sich der so festgelegte Bewegungsumfang nicht verstellen lässt. Die Verwendung eines nicht selbsthemmenden Getriebes ist jedoch von Vorteil, wenn Situationen auftreten, in denen der Fuß, insbesondere also der Fußteil des künstlichen Knöchelgelenks, möglichst frei von außen wirkenden Kräften folgen soll und entsprechende Bewegungen relativ zum Unterschenkelteil ausführen soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern des Gelenkes einer orthopädietechnischen Einrichtung so weiterzuentwickeln, dass die Vorteile eines selbsthemmenden Getriebes mit denen eines nicht selbsthemmenden Getriebes kombiniert werden können.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das sich dadurch auszeichnet, dass bei dem Verfahren die elektrische Steuerung den Aktuator derart steuert, dass sich der zweite Teil entsprechend von Kräften bewegt, die von außen auf ihn einwirken.
Kräfte, die von außen auf den zweiten Teil einwirken, können bei einem künstlichen Knöchelgelenk beispielsweise Bodenreaktionskräfte sein, die auftreten, wenn der Verwender des künstlichen Knöchelgelenkes mit einem am Fußteil, das den zweiten Teil bildet, angeordneten Prothesenfuß Kontakt mit dem Boden hat. Sofern in diesem Fall eine Bewegung des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil, das den ersten Teil bildet, gewünscht ist, die den wirkenden Kräften folgt, wird die Steuerung verwendet, um den Aktuator so zu steuern, dass der Fußteil die entsprechende Bewegungen durchführt. Dabei ist es nicht notwendig, aber von Vorteil, wenn der Aktuator so angesteuert wird, dass sich der Fußteil relativ zum Unterschenkelteil so bewegt, als wäre er durch ein freies Gelenk mit dem Unterschenkelteil verbunden. Es kann auch von Vorteil sein, wenn die elektrische Steuerung den Aktuator so steuert, dass sich der Fuß zwar entsprechend der von außen wirkenden Kräfte bewegt, dies jedoch in einer gedämpften Weise, insbesondere gegen einen durch den Aktuator und/oder das Getriebe hervorgerufenen Widerstand, tut.
Die elektrische Steuerung weist vorzugsweise eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere einen Mikroprozessor auf, der eingerichtet ist, den aktiven Aktuator anzusteuern und dazu Steuersignale zu erzeugen, die an den Aktuator übermittelt werden. Die Steuersignale werden bevorzugt auf der Basis von Sensordaten erzeugt, die der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt werden. Vorzugsweise hat die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung Zugriff auf einen elektronischen Datenspeicher, in dem beispielsweise Sollwerte oder Erfahrungswerte hinterlegt sind, die zur Erzeugung der Steuersignale benötigt werden und auf die die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung zugreifen muss.
Vorzugsweise verfügt das Getriebe über ein erstes Getriebeelement und ein zweites Getriebeelement, die aneinander anliegen und deren Haftreibung die Selbsthemmung verursacht. Das erste Getriebeelement und das zweite Getriebeelement können beispielsweise zwei ineinander eingreifende Gewinde, beispielsweise ein Innengewinde eines ersten Bauteils und ein Außengewinde eines zweiten Bauteils, sein. Auch die Verwendung einer Spindel oder einer Schnecke als eines der beiden Getriebeelemente ist möglich, in das beispielsweise ein Zahnrad als zweites Getriebeelement eingreift. Das erste Getriebeelement wird vom Aktuator angetrieben. In diesem Fall wird die Bewegung auf das zweite Getriebeelement und damit auch auf die Abtriebswelle des Getriebes übertragen, sodass eine Bewegung hervorgerufen wird, durch die der zweite Teil relativ zu dem ersten Teil um die Schwenkachse herum verschwenkt wird. Wird jedoch eine von außen wirkende Kraft auf den zweiten Teil ausgeübt, wird diese Kraft auf die Abtriebswelle des Getriebes übertragen, was aufgrund der Selbsthemmung des Getriebes nicht zu einer Bewegung führt.
Das erste Getriebeelement und das zweite Getriebeelement liegen aneinander an. Die Haftreibung zwischen den beiden Getriebeelementen hängt je nach Ausbildung der Elemente von unterschiedlichen Faktoren, beispielsweise der Steigung eines Gewindes, den verwendeten Materialien und/oder der Oberflächenrauheit ab. Sie hängt jedoch zusätzlich davon ab, mit welcher Druckkraft die beiden Getriebeelemente an ihren Kontaktflächen aufeinander gedrückt werden. Je stärker die Kraft ist, desto höher ist auch die Haftreibung und desto stärker ist die Selbsthemmung. Das Getriebe ist bevorzugt so ausgelegt, dass die Selbsthemmung nur durch Haftreibung verursacht wird und die Gleitreibung klein genug ist, um auch Bewegungen aufgrund von externen Kräften zuzulassen. In diesem Fall muss der Aktuator nur einmalig die Haftreibung überwinden, um die Selbsthemmung aufzuheben. Sind die beiden Getriebeelemente in Bewegung relativ zueinander ist eine, gegebenenfalls gedämpfte Bewegung auf Grund von externen Kräften möglich. Dies gilt in dieser Ausgestaltung, solange das Getriebe in Bewegung bleibt. Diese Variante ermöglicht es, die nötige Aktivität des Motors zu minimieren und so Energie zu sparen. Alternativ dazu ist das Getriebe vorzugsweise so ausgelegt, dass die Selbsthemmung sowohl durch die Haftreibung als auch durch die Gleitreibung sichergestellt ist. In diesem Fall kann die Selbsthemmung auch in Bewegung nur mit Unterstützung des Aktuators überwunden bzw. aufgehoben werden. Diese Variante ermöglicht es das System genauer zu steuern und erhöht die Sicherheit.
Vorzugsweise ist das Gelenk ein künstliches Knöchelgelenk und das erste Teil ein Unterschenkelteil und das zweite Teil ein Fußteil. Alternativ dazu ist das Gelenk ein künstliches Kniegelenk und das erste Teil ein Oberschenkelteil und das zweite Teil ein Unterschenkelteil.
Handelt es sich bei dem Gelenk um ein Knöchelgelenk ist es von Vorteil, den Aktuator in Abhängigkeit einer Gangphase eines Schrittes zu steuern, die beispielsweise über wenigstens einen Sensor erfasst und bestimmt wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in einer frühen Standphase, beispielsweise bis zum vollflächigen Anliegen des Fußes am Boden, eine gedämpfte Bewegung möglich. In einem zweiten Teil der Standphase hingegen wird vorzugsweise das Getriebe durch den Aktuator gesperrt um beispielsweise ein Federelement eines Vorfußes, beispielsweise eine Feder aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff, mit potentieller Energie aufzuladen. Bei einer Entlastung wird diese Feder wieder entladen und die Energie in der späten Standphase freigegeben. In der Schwungphase eines Schrittes hingegen soll der Fuß vorzugsweise wieder in eine vorbestimmte Stellung gebracht werden, um beispielsweise eine erhöhte Bodenfreiheit zu gewährleisten und/oder den Fuß in eine Stellung zu bringen, die für den kommenden initialen Kontakt der Ferse mit dem Boden gewünscht ist.
Handelt es sich bei dem Gelenk hingegen um ein künstliches Kniegelenk, ist es von Vorteil, in der Standphase eines Schrittes das Gelenk in Flexionsrichtung zu sperren oder eine gedämpfte Bewegung zu ermöglichen, um das Gewicht des Anwenders aufzunehmen. In der Schwungphase hingegen ist das Kniegelenk vorzugsweise frei schwingbar, sodass die Hemmung des Getriebes durch die Steuerung des Aktuators vorzugsweise aufgehoben ist.
Vorzugsweise wird bei einem Knöchelgelenk die Stellung, bei der das Gelenk von einem gedämpften in einen gesperrten Zustand übergeht, in Abhängigkeit von Messdaten der Umgebung bestimmt. Diese betreffen beispielsweise eine Neigung des Untergrundes, auf dem der Träger der orthopädietechnischen Einrichtung sich bewegt oder die Höhe eines Absatzes der Schuhe, die der Träger trägt.
Vorzugsweise wird der Aktuator derart gesteuert, dass die Selbsthemmung nahezu oder vollständig durch den Aktuator überwunden wird, wenn der Träger das künstliche Gelenk selbstständig in eine für ihn bequeme und angenehme Position und ergonomische Stellung bringen möchte. Dies ist beispielsweise beim Sitzen der Fall, wenn beispielsweise ein Hüftgelenk, das ebenfalls ein Gelenk ist, dass durch ein erfindungsgemäßer Verfahren gesteuert werden kann, einen Winkel von etwa 90° aufweisen sollte.
Vorzugsweise verfügt das Gelenk über wenigstens einen Sensor, durch den Messwerte erfasst werden können, die eine Aussage über die Druckkraft und/oder die Haftreibung zwischen den beiden Getriebeelementen ermöglichen. So kann beispielsweise in einer Kontaktfläche des ersten Getriebeelementes und/oder des zweiten Getriebeelementes ein Drucksensor vorhanden sein, der mit einem Druck beaufschlagt wird, der der Druckkraft zwischen den beiden Getriebeelementen entspricht. Alternativ oder zusätzlich dazu kann beispielsweise auch ein Sensor verwendet werden, der bestimmt, ob die beiden Kontaktflächen der Getriebeelemente miteinander in Kontakt stehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird wenigstens eine Belastungsmessgröße mittels wenigstens eines Sensors erfasst, die eine Aussage über die Belastung des Getriebes und/oder die Haftreibung zwischen dem ersten Getriebeelement und dem zweiten Getriebeelement erlaubt, wobei die elektrische Steuerung den Aktuator in Abhängigkeit der erfassten Belastungsmessgröße steuert. Vorzugsweise ist der wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Belastungsmessgröße Teil des Gelenkes, besonders bevorzugt Teil des Getriebes. Dies ist jedoch nicht notwendig. Auch Sensoren außerhalb des Gelenkes können verwendet werden, um die Belastungsmessgröße zu ermitteln und die entsprechenden Messwerte der elektrischen Steuerung zur Verfügung zu stellen.
Vorteilhafterweise wird wenigstens eine Kräftemessgröße mittels wenigstens eines Sensors erfasst, die eine Aussage über die von außen auf den zweiten Teil wirkenden Kräfte erlaubt, wobei die elektrische Steuerung den Aktuator in Abhängigkeit der erfassten Kräftemessgröße steuert. Der wenigstens eine Sensor zur Bestimmung der Kräftemessgröße ist vorzugsweise Teil des Gelenkes, bevorzugt Teil des zweiten Teils. Dies ist jedoch nicht notwendig. Auch Sensoren außerhalb des Gelenkeskönnen verwendet werden, um die Kräftemessgröße zu ermitteln und die entsprechenden Messwerte der elektrischen Steuerung zur Verfügung zu stellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird aus der erfassten Kräftemessgröße eine resultierende Bewegung und/oder eine resultierende Position des zweiten Teils relativ zu dem ersten Teil errechnet. Die elektrische Steuerung steuert den Aktuator bevorzugt derart, dass die resultierende Bewegung ausgeführt und/oder die resultierende Position erreicht wird. Die erfasste Kräftemessgröße wird bevorzugt der elektrischen Steuerung zur Verfügung gestellt, die daraus eine resultierende Bewegung und/oder eine resultierende Position des zweiten Teiles relativ zu dem ersten Teil errechnet. Dazu greift sie beispielsweise auf Rechenvorschriften, Algorithmen und Softwareelemente zurück, die in einem elektronischen Datenspeicher hinterlegt sind, auf den sie Zugriff hat. Die elektrische Steuerung greift zudem oder alternativ auf Parameterwerte zurück, die beispielsweise einer Dämpfung, einer Reibung oder einer sonstigen einer Bewegung entgegenstehenden Größe entsprechen und die der Berechnung zugrunde gelegt werden sollen. So ist es Beispielsweise für die Berechnung einer resultierenden Bewegung wichtig zu wissen, ob und wenn ja wie stark eine Bewegung gedämpft ist und welche einer Bewegung entgegenstehenden Kräfte durch die von außen angreifenden Kräfte, die durch die Kräftemessgröße charakterisiert werden, überwunden werden müssen. Dabei erfolgt die Steuerung vorzugsweise so, dass der Aktuator die Selbsthemmung überwindet und die anliegenden externen Kräfte für die eigentliche Bewegung sorgen. Alternativ kann der Aktuator aber auch so gesteuert werden, dass er sowohl die Selbsthemmung überwindet als auch die Bewegung verursacht, die auf Grund der gemessenen externen Kräfte errechnet wurde.
Vorteilhafterweise ist die elektrische Steuerung in einen ersten Modus und in einen zweiten Modus bringbar. Im ersten Modus steuert sie den Aktuator derart, dass sich der Fußteil entsprechend von Kräften bewegt, die von außen auf ihn einwirken. Im zweiten Modus hingegen steuert sie den Aktuator unabhängig von derartigen Kräften. Vorzugsweise wird die Steuerung in den ersten Modus gebracht, wenn vorbestimmte Bewegungen, Bewegungsmuster und/oder Bewegungszustände detektiert wurden und/oder wenn ein Betätigungselement betätigt wurde.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die elektrische Steuerung in den zweiten Modus gebracht, wenn ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist. Bevorzugt ist das Kriterium erfüllt, wenn ein Winkel zwischen dem zweiten Teil und dem ersten Teil einen vorbestimmten Winkelbereich verlässt, wenn die vorbestimmten Bewegungen, Bewegungsmuster und/oder Bewegungszustände nicht oder nicht mehr detektiert werden, wenn ein Betätigungselement betätigt wurde und/oder nachdem die elektrische Steuerung eine vorbestimmte Zeitspanne in dem ersten Modus war. Durch die Umschaltung des Betriebsmodus in den zweiten Modus bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwinkel zwischen dem zweiten Teil und dem ersten Teil kann der Bewegungsbereich (ränge of motion) des Gelenks eingeschränkt werden. Dafür müssen in dieser Ausgestaltung keine mechanischen Anschläge versetzt oder das Gelenk demontiert und in anderer Weise neu zusammengesetzt werden. Vielmehr ist es ausreichend, den Grenzwinkel, der als Parameter im elektronischen Datenspeicher hinterlegt ist, anzupassen.
Besonders bevorzugt ist das Kriterium einstellbar oder veränderbar. Dies ist beispielsweise durch den Träger oder einen Dritten, beispielsweise einen Orthopädietechniker möglich, der Einstellungen an dem Gelenk vornimmt. Dazu kann wenigstens ein Betätigungselement oder Einstellelement an dem Gelenk vorhanden sein. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn das Kriterium ein Winkel zwischen den beiden Gelenkteilen ist. Dieser Grenzwinkel kann auf diese Weise leicht eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu ist das Kriterium mittels einer Software einstellbar. Das Kriterium ist in diesem Fall in einer Software hinterlegt, die in der elektrischen Steuerung des Gelenks, insbesondere einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung, abläuft und von dieser ausgeführt wird. Durch eine Kommunikationsverbindung zwischen der elektrischen Steuerung des Gelenkes und einem weiteren elektronischen Datenverarbeitungsgerätes kann auf die Software und das darin hinterlegte Kriterium zugegriffen und das Kriterium geändert werden. Dabei kann wenigstens ein Parameter angepasst, verändert oder ausgewählt werden oder das Kriterium selbst verändert und ausgetauscht werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Gelenk, insbesondere ein Knöchelgelenk, dass zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens geeignet ist.
Vorzugsweise verfügt es über wenigstens einen Sensor zum Erfassen einer Belastungsmessgröße, der wenigstens einen Dehnungsmessstreifen, einen Federkraftmesser, einen Verformungssensor, einen Momentensensor, einen Drucksensor und/oder einen Axiallastsensor aufweist.
Vorzugsweise verfügt das Knöchelgelenk über wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Kräftemessgröße, der wenigstens einen Kraftsensor, einen Lagesensor, einen Inertialsensor und/oder ein Gyroskop aufweist.
Mithilfe der beiliegenden Figuren werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt

1 - eine schematische Darstellung eines Prothesenfußes mit einem Knöchelgelenk nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 - schematische Phasen eines Gangzyklus,
3 - schematische Bewegungen und Stellungen eines Beins beim Sitzen,
4 - schematische Darstellungen des Bewegungsumfangs beim Gehen in geneigten Ebene,
5 - schematische Darstellungen des Bewegungsumfangs eines Knöchels bei unterschiedlichen Absatzhöhen,
6a - 6d - verschiedene schematische Stellungen eines Beins beim Hinsetzen und Aufstehen,
7 - schematische Darstellungen der Steuerung eines Kniegelenkes bei unterschiedlichen Belastungen
8 - eine schematische Darstellung der Steuerung in verschiedenen Modi und
9 - eine schematische Schnittdarstellung durch ein Gelenk gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt schematisch einen Prothesenfuß mit einem aktiven Knöchelgelenk 2, das nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Es verbindet einen zweiten Teil 4, der als Prothesenfuß ausgebildet ist, der über eine Fußbasis 6 verfügt, mit einem ersten Teil 8, das als Adapterelement ausgebildet ist, an dem ein Unterschenkelelement angeordnet werden kann. In einem Gehäuse 10 befindet sich ein selbsthemmendes Getriebe und ein Aktuator sowie eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens. Der zweite Teil 4 ist um eine Schwenkachse 12 schwenkbar am ersten Teil 8 angeordnet. Über eine Batterie 14 wird der als Motor ausgebildete Aktuator mit Energie versorgt. Der Motor ist in der Lage und eingerichtet, eine Spindel 16 im gezeigten Ausführungsbeispiel nach oben und unten zu verschieben, und so einen Schwenkwinkel zwischen dem zweiten Teil 4 und dem ersten Teil 8 zu verändern.
2 zeigt schematisch vier Phasen eines Gangzyklus. Die erste Phase in der ganz linken Darstellung in 2 entspricht der ersten Phase des nächsten Schrittes in der ganz rechten Darstellung der 2. Diese erste Phase ist der sogenannte Fersenauftritt oder auch „heel strike“. Das nur schematisch gezeigt Knöchelgelenk 2 ist dabei prinzipiell wie das in 1 gezeigte Gelenk ausgebildet. Eine Ferse 18 kommt mit einem Boden 20 in Kontakt. In dieser Phase wird das Gelenk im ersten Modus betrieben, sodass die elektrische Steuerung den Aktuator derart steuert, dass sich der zweite Teil 4 entsprechend den von außen wirkenden Kräften bewegt. Diese bewirken das Absenken eines Vorfußes 22, bis die Fußbasis 6 vollständig am Boden 20 aufliegt. Über Sensoren, die an unterschiedlichen Positionen des Prothesenfußes und/oder des Knöchelgelenkes 2 angeordnet sein können, wird die jeweilige Phase des Gangzyklus ermittelt. Die elektrische Steuerung wird auf der Basis der Sensordaten in den ersten oder den zweiten Modus gebracht.
In der zweiten Darstellung von 2 wird die Überrollphase dargestellt, bei der die Fußbasis 6 vollflächig am Boden 20 aufliegt und sich ein Unterschenkel 24 nach vorn bewegt. Die Bewegung erfolgt in allen in 2 dargestellten Phasen von der mit einer durchgezogenen Linie gezeigten Position in die mit einer gestrichelten Linie gezeigte Position. Auch dabei wird die elektrische Steuerung im ersten Modus betrieben, sodass der Aktuator die Selbsthemmung des Getriebes aufhebt und sich der zweite Teil 4 relativ zum ersten Teil 8 so bewegt, wie er durch die von außen wirkenden Kräfte bewegt würde.
In der dritten Darstellung in der Mitte der 2 wird die Phase des Abdrückens vom Boden 20 dargestellt. Über Sensoren wird erkannt, dass ein vorbestimmter Dorsalanschlag erreicht wird, also ein Winkel zwischen dem ersten Teil 8 und dem zweiten Teil 4 einen vorbestimmten Wert annimmt. Daraufhin wird im gezeigten Ausführungsbeispiel die elektrische Steuerung aus dem ersten Modus in den zweiten Modus gebracht, sodass die Selbsthemmung des Getriebes nicht mehr aufgehoben wird. Das Gelenk bewegt sich nicht mehr entsprechend den von außen auf das Gelenk einwirkenden Kräften, sondern blockiert, sodass sich der Fuß vom Boden 20 abdrücken kann.
In der vorletzten Darstellung in 2 ist die Schwungphase dargestellt, in der der Fuß den Kontakt zum Boden verliert. Dabei wird der Vorfuß 22 angehoben, wobei die Position, die bei dieser Bewegung erreicht wird, voreingestellt ist. Die Bewegung wird durch den Aktuator, im vorliegenden Fall also den Motor, hervorgerufen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird beim Abdrücken des Fußes vom Boden 20 eine aktive Plantarflexion des Fußes, also ein Absenken des Vorfußes 22 und damit ein aktiver Push-off, durchgeführt. Dadurch vergrößert sich ein Winkel zwischen dem zweiten Teil 4 und dem ersten Teil 8, in dem der Aktuator den zweiten Teil 4 relativ zum ersten Teil 8 bewegt. Ist dies der Fall, ist es von Vorteil, in der Schwungphase den Vorfuß wieder durch eine Dorsalflexion anzuheben und die für den nächsten Fersenauftritt gewünschte Position zu erreichen. Alternativ dazu ist es auch möglich, beim Abdrücken des Fußes keine Plantarflexion durchzuführen. Dann ist es nicht nötig, aber von Vorteil, eine Dorsalflexion während der Schwungphase durchzuführen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind Sensoren, beispielsweise Drucksensoren an der Fußbasis 6 oder Belastungssensoren an verschiedenen Orten des Knöchelgelenkes 2 angeordnet, durch die, wie aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt, unterschiedliche Phasen eines Gangzyklus erkannt werden können. Je nachdem, ob eine freie Bewegung des zweiten Teils 4 relativ zum ersten Teil 8 gewünscht ist, wird die elektrische Steuerung in den ersten Modus oder den zweiten Modus gebracht.
3 zeigt schematisch die Darstellung einer Beinprothese mit einem Oberschenkel 26, einem Knie 28, einem Unterschenkel 24, einem Knöchelgelenk 2 und einem Fuß 30. Das Knöchelgelenk 2 ist eingerichtet, nach einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gesteuert zu werden. In der linken Darstellung von 3 ist die Situation gezeigt, in der der Träger der Prothese sitzt. Das Knie 28 hat einen nahezu rechten Winkel und der Fuß steht mit der Fußbasis 6 vollflächig am Boden auf. In dieser Situation ist es von Vorteil, die elektrische Steuerung im ersten Modus zu betreiben, sodass sich der zweite Teil 4, im vorliegenden Beispiel also der Fuß 30, entsprechend der von außen wirkenden Kräfte bewegen kann. Dies ist durch die beiden Pfeile 32 schematisch dargestellt.
In der mittleren Darstellung der 3 ist dargestellt, dass der Träger der Prothese den Unterschenkel 24 relativ zum Oberschenkel 26 verschwenkt, sodass das Knie 28 einen größeren Winkel zeigt. Der Fuß 30 ist leicht angehoben, hat seinen Winkel relativ zum Unterschenkel 24 jedoch nicht verändert. In der rechten Darstellung von 3 wird der Fuß 30 aufgesetzt und bewegt sich entlang des Pfeils 32 aus der mittleren Darstellung von 3, sodass die Fußbasis 6 wieder vollflächig am Boden aufliegt. Dies ist möglich, da die elektrische Steuerung im ersten Modus betrieben wird und den Aktuator so ansteuert, dass sich der zweite Teil 4 entsprechend den von außen wirkenden Kräften relativ zum ersten Teil 8 bewegt. Dadurch kann der Nutzer zu jeder Zeit eine für ihn bequeme Position einstellen. Dies ließe sich mit einer Steuerung der Knöchelposition, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht realisieren. Dabei würde die Knöchelposition alleine über den Motor eingestellt, wobei in diesem Falle die Information fehlte, welche Position gewünscht wird.
4 zeigt schematisch den Einfluss der Bodenneigung eines Bodens 20, auf dem der Träger der Prothese geht. Gezeigt ist wieder schematisch eine Beinprothese mit dem Unterschenkel 24, dem Knie 28, dem Knöchelgelenk 2 und dem Fuß 30, wobei das Knöchelgelenk 2 wieder eingerichtet ist, gemäß einem Verfahren zum Steuern des Gelenkes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gesteuert zu werden. Der Fuß 30 bildet den ersten Teil 8 und der Unterschenkel 24 bildet den zweiten Teil 4. Durch gestrichelte Linien ist jeweils ein Plantaranschlag 34 und ein Dorsalanschlag 36 dargestellt, die den maximalen Bewegungsumfang des Knöchelgelenks darstellen. In der linken Darstellung der 4 steht der Träger der Prothese auf einem ebenen und horizontalen Untergrund, in der rechten Darstellung der 4 ist der Boden 20 geneigt. Dadurch verändert sich der benötigte Bewegungsumfang zwischen Plantaranschlag 34 und Dorsalanschlag 36. Innerhalb der Phasen 1 bis 3 des Gangzyklus, die in 2 dargestellt sind, bewegt sich das Knöchelgelenk 2 so, dass der Fuß 30 relativ zum Unterschenkel 24 innerhalb dieses Bewegungsumfanges bewegt wird. In diesem Bereich wird die elektrische Steuerung im ersten Modus betrieben, sodass eine Selbsthemmung des Getriebes aufgehoben wird. Sobald einer der Anschläge 34, 36 erreicht wird, was beispielsweise über Sensoren erfasst und der elektrische Steuerung weitergeleitet wird, wird die elektrische Steuerung aus dem ersten Modus in den zweiten Modus gebracht, sodass die Selbsthemmung des Getriebes nicht aufgehoben wird. Wird nun über weitere Sensoren beispielsweise die Neigung des Bodens 20 bestimmt, kann der tatsächliche Wert des Winkels für den Plantaranschlag 34 und/oder den Dorsalanschlag 36 eingestellt und verändert werden.
5 zeigt den Einfluss einer Absatzhöhe eines schematisch dargestellten Absatzes 38 eines Schuhs. Die linke Darstellung der 5 entspricht der linken Darstellung aus 4. Der Fuß 30 liegt vollflächig am Boden 20 auf und der Dorsalanschlag 36 und der Plantaranschlag 34 begrenzen den Bewegungsspielraum, den der Unterschenkel 24, also der erste Teil 8, relativ zum Fuß 30, also dem zweiten Teil 4, aufweist, wenn die elektrische Steuerung im ersten Modus betrieben wird. Zieht nun der Träger dieser Prothese einen Schuh an, der einen Absatz 38 aufweist, verändert sich zunächst am Bewegungsumfang und den tatsächlichen Werten der verschiedenen Anschläge 34, 36, nichts. Dies ist in der mittleren Darstellung von 5 gezeigt. Durch die geänderte Absatzhöhe verändert sich jedoch beispielsweise der Winkel zwischen dem Fuß 30 und dem Unterschenkel 24, bei dem die Ferse des Fu-ßes 30 beim Fersenauftritt mit dem Boden 20 in Kontakt kommt. Wird über einen Sensor die Absatzhöhe ermittelt können die Anschläge 34, 36, die keine mechanischen sondern lediglich elektronische oder virtuelle Anschläge sind, angepasst werden. Dies ist in der rechten Darstellung von 5 gezeigt.
In den 6 a bis 6 d sind verschiedene Situationen beim Hinsetzen und Aufstehen mit einer Beinprothese gezeigt. Sie verfügt über den Oberschenkel 26, den Unterschenkel 24, zwischen denen sich das Knie 28 befindet. In 6 ist das Knie 28 geeignet und ausgebildet, gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert zu werden. In 6 a ist ein gestrecktes Bein gezeigt, wie es beispielsweise beim Stehen und Gehen insbesondere für Patienten mit niedrigen Mobilitätsgraden auftritt. In diesem Fall ist das Kniegelenk 28 vorzugsweise gesperrt, die Selbsthemmung des Getriebes folglich nicht aufgehoben. Die elektrische Steuerung wird im zweiten Modus betrieben.
In 6 b wurde beispielsweise durch Sensoren erkannt, dass der Träger der Prothese sich hinsetzen möchte. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Selbsthemmung des Getriebes, das sich im Kniegelenk 28 befindet, aufgehoben wird, sodass das Kniegelenk 28 sich entsprechend der von außen wirkenden Kräfte bewegen kann. Dies ist in beide Richtungen möglich, was durch die Pfeile 32 schematisch dargestellt wird.
6 c zeigt die Situation im Sitzen. Die elektrische Steuerung bleibt, wie bereits in 6 b im ersten Modus und das Kniegelenk 28 lässt sich entlang der beiden Pfeile 32 frei bewegen. In 6 d hingegen ist der Vorgang des Aufstehens dargestellt. Auch dies kann beispielsweise über Sensoren erfasst werden. Beim Aufstehen ist es von Vorteil, wenn das Kniegelenk 28 den Träger der Prothese beim Aufstehen unterstützt. Die Selbsthemmung ist folglich aktiv und der Aktuator wird durch die elektrische Steuerung so gesteuert, dass eine gewünschte Endposition erreicht wird. Das Kniegelenk wird als das aktive Kniegelenk gesteuert, das es ist. Durch die Selbsthemmung wird zudem ein erneutes, ungewolltes Einbeugen auch dann verhindert, wenn die aktive Steuerung des Gelenkes ausfallen sollte, sodass das gezeigte Kniegelenk in allen Situationen sicher ist.
7 zeigt eine Möglichkeit, wie erkannt werden kann, ob die elektrische Steuerung im ersten Modus, wie in der linken Darstellung von 7 gezeigt, oder im zweiten Modus betrieben wird. Wird beispielsweise nur eine geringe Last auf dem Prothesenbein detektiert, wird die Selbsthemmung aufgehoben und die elektrische Steuerung im ersten Modus betrieben. Das Kniegelenk 28 ist entlang der Pfeile 32 in beide Richtungen entsprechend der von außen wirkenden Kräfte bewegbar. Anders ist die Situation, wenn eine starke Last auf dem Prothesenbein lastet, wie dies in der rechten Darstellung von 7 durch den Pfeil 40 dargestellt wird. Bei dieser hohen Belastung wäre die Aufhebung der Selbsthemmung des Getriebes ein Sicherheitsrisiko für den Träger der Prothese, sodass die elektrische Steuerung des Gelenks im zweiten Modus betrieben wird.
8 zeigt schematisch, wie in den beiden verschiedenen Modi die Steuerung arbeitet. Über einen Controller wird zunächst in der elektrische Steuerung oder einer separaten elektrische Steuerung anhand von Sensordaten, die von nicht dargestellten Sensoren aufgenommen werden, bestimmt, ob die elektrische Steuerung im ersten Modus, also dem oberen Strang in 8, oder im zweiten Modus, also dem unteren Strang von 8, betrieben wird. Im oberen Strang werden über Sensoren die von außen wirkenden Kräfte detektiert und in der elektrischen Steuerung, also der Motorsteuerung oder einem Controller, ausgewertet. Der Motor, also der Aktuator, wird dann so angesteuert, dass er die Selbsthemmung des Getriebes aufhebt und eine Bewegung entsprechend der von außen wirkenden Kräfte ermöglicht.
Im unteren Strang der 8, in dem die elektrische Steuerung im zweiten Modus betrieben wird, ist es nicht notwendig, die von außen wirkenden Kräfte zu detektieren um den Aktuator zu steuern. Hier ist die Selbsthemmung des Getriebes aktiv und der Aktuator oder der Motor wird so gesteuert, dass eine gewünschte Position erreicht wird oder beibehalten wird.
9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Prothesenfuß mit einem Knöchelgelenk 2, einem ersten Teil 8 und einem zweiten Teil 4. Der zweite Teil 4 ist um eine Schwenkachse 12 am ersten Teil 8 angeordnet. Am ersten Teil 8 ist ein aktiver Aktuator 42 in Form eines Motors angeordnet, der eingerichtet ist, eine erste Welle 44 zu drehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Rotation der ersten Welle 44 über einen Steuerriemen 46 auf eine zweite Welle 48 übertragen, die somit ebenfalls in Rotation versetzt wird. An ihr befindet sich die Spindel 16, die ein Außengewinde aufweist. Am zweiten Teil 4 befindet sich eine Schraubhülse 50, die ein zu dem Außengewinde der Spindel 16 korrespondierend ausgebildetes Innengewinde aufweist. Die Spindel 16 und die Schraubhülse 50 bilden gemeinsam ein selbsthemmendes Getriebe.
Bezugszeichenliste

2: Knöchelgelenk
4: zweiter Teil
6: Fußbasis
8: erster Teil
10: Gehäuse
12: Schwenkachse
14: Batterie
16: Spindel
18: Ferse
20: Boden
22: Vorfuß
24: Unterschenkel
26: Oberschenkel
28: Knie
30: Fuß
32: Pfeil
34: Plantaranschlag
36: Dorsalanschlag
38: Absatz
40: Pfeil
42: aktiver Aktuator
44: erste Welle
46: Steuerriemen
48: zweite Welle
50: Schraubhülse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1933775 B1 [0003]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Gelenkes (2, 28) einer orthopädietechnischen Einrichtung, das einen ersten Teil (8), einen zweiten Teil (4), der um eine Schwenkachse (12) schwenkbar an dem ersten Teil (8) angeordnet ist, einen aktiven Aktuator (42), ein selbsthemmendes Getriebe (16, 50) und eine elektrische Steuerung zum Steuern des Aktuators (42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren die elektrische Steuerung den Aktuator (42) derart steuert, dass sich der zweite Teil (4) entsprechend von Kräften bewegt, die von außen auf ihn einwirken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (2) ein künstliches Knöchelgelenk (2) und das erste Teil (8) ein Unterschenkelteil und das zweite Teil (4) ein Fußteil ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk ein künstliches Kniegelenk (28) und das erste Teil (8) ein Oberschenkelteil und das zweite Teil (4) ein Unterschenkelteil ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Belastungsmessgröße mittels wenigstens eines Sensors erfasst wird, die eine Aussage über eine Belastung des Getriebes (16, 50) und/oder die Haftreibung zwischen dem ersten Getriebeelement (16) und dem zweiten Getriebeelement (50) erlaubt, wobei die elektrische Steuerung den Aktuator (42) in Abhängigkeit der erfassten Belastungsmessgröße steuert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kräftemessgröße mittels wenigstens eines Sensors erfasst wird, die eine Aussage über die von außen auf den zweiten Teil (4) einwirkenden Kräfte erlaubt, wobei die elektrische Steuerung den Aktuator (42) in Abhängigkeit der erfassten Kräftemessgröße steuert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus der erfassten Kräftemessgröße eine resultierende Bewegung und/oder resultierende Position des zweiten Teils (4) relativ zu dem ersten Teil (8) errechnet wird und die elektrische Steuerung den Aktuator (42) derart steuert, dass die resultierende Bewegung ausgeführt und/oder die resultierende Position erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung in einen ersten Modus und in einen zweiten Modus bringbar ist, wobei sie im ersten Modus den Aktuator (42) derart steuert, dass sich der zweite Teil (4) entsprechend von Kräften bewegt, die von außen auf ihn einwirken und im zweiten Modus nicht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung in den ersten Modus gebracht wird, wenn vorbestimmte Bewegungen, Bewegungsmuster und/oder Bewegungszustände detektiert wurden und/oder wenn ein Betätigungselement betätigt wurde.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung in den zweiten Modus gebracht wird, wenn ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium erfüllt ist, wenn ein Winkel zwischen dem zweiten Teil (4) und dem ersten Teil (8) einen vorbestimmten Winkelbereich verlässt, wenn die vorbestimmten Bewegungen, Bewegungsmuster und/oder Bewegungszustände nicht oder nicht mehr detektiert wurden, wenn ein Betätigungselement betätigt wurde und/oder nachdem die elektrische Steuerung eine vorbestimmte Zeitspanne in dem ersten Modus war.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Kriterium einstellbar oder veränderbar ist.
Gelenk (2, 28) für eine orthopädietechnische Einrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Gelenk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Belastungsmessgröße aufweist, der wenigstens einen Dehnungsmessstreifen, einen Federkraftmesser, einen Verformungssensor, einen Momentensensor, einen Drucksensor und/oder einen Axiallastsensor aufweist.
Gelenk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Sensor zum Erfassen der Kräftemessgröße aufweist, der wenigstens einen Kraftsensor, einen Lagesensor, einen Inertialsensor und/oder ein Gyroskop aufweist.