DE102021133616A1

DE102021133616A1 - Verfahren zur Steuerung eines prothetischen und/oder orthetischen Systems und ein solches System

Info

Publication number: DE102021133616A1
Application number: DE102021133616.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Pappe; Andreas Bohland; Martin Weber
Original assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines prothetischen und/oder orthetischen Systems mit einer ersten mechatronischen Komponente (10) und zumindest einer zweiten mechatronischen Komponente (20, 30), die miteinander verbunden sind, jede mechatronische Komponente weist zumindest einen Aktuator (15, 25, 35); und eine Steuerungseinheit (16, 26, 36) auf, die Steuerungseinheit (16, 26, 36) weist eine Steuerungssoftware auf, um den Aktuator (15, 25, 35) in Abhängigkeit von Sensorwerten zu aktivieren, modulieren oder zu deaktivieren, wobei Sensordaten von zumindest einem Sensor (14, 24, 34) an zumindest einer der mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) zumindest einer der Steuerungseinheiten (16, 26, 36) übermittelt und zur Steuerung des jeweiligen Aktuators (15, 25, 35) durch die Steuerungssoftware verwendet werden und die Steuerungssoftware der mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) miteinander kommuniziert, wobei anhand der Sensordaten ein Zustand oder Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems erkannt und an zumindest eine weitere Steuerungseinheit (16, 26, 36) übermittelt wird und die zumindest eine weitere Steuerungseinheit (16, 26, 36) und die dazugehörige mechatronische Komponente (10, 20, 30) in eine Grundkonfiguration gebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines prothetischen und/oder orthetischen Systems mit einer ersten mechatronischen Komponente und zumindest einer zweiten mechatronischen Komponente, die miteinander verbunden sind, insbesondere lösbar miteinander verbunden sind, wobei jede mechatronische Komponente zumindest einen Aktuator und eine Steuerungseinheit mit einer Steuerungssoftware aufweist, um den Aktuator in Abhängigkeit von Sensorwerten zu aktivieren, modulieren oder zu deaktivieren, wobei Sensordaten von zumindest einem Sensor an zumindest einer der mechatronischen Komponenten zumindest einer der Steuerungseinheiten übermittelt und zur Steuerung des jeweiligen Aktuators durch die Steuerungssoftware verwendet werden und die Steuerungssoftware der mechatronischen Komponenten miteinander kommuniziert. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein prothetisches und/oder orthetisches System zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Orthesen sind orthopädietechnische Hilfsmittel, die an einer existierenden Gliedmaße angelegt werden und die Bewegungen führen, einschränken oder unterstützen. Zwischen gelenkig miteinander verbundenen Komponenten können Aktuatoren und/oder Widerstandseinrichtungen, die über einen Aktuator verstellt oder eingestellt werden können, angeordnet sein. Die Verstellung kann auf Basis von Sensordaten, die einer Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt werden, erfolgen. Unter Orthesen werden im Rahmen dieser Anmeldung auch Exoskelette verstanden, die an dem Körper eines Patienten angelegt werden und eine äußere Stützstruktur bilden, insbesondere um die Bewegungen eines Nutzers zu führen und zu beeinflussen, z.B. durch Antriebe zu unterstützen oder über Widerstandseinrichtungen zu bremsen. Orthesen und Exoskelette als deren Spezialfälle und motorisch angetriebene Prothesen oder Prothesensysteme können neben der Unterstützung der täglichen Verrichtungen auch zu Trainingszwecken oder zu therapeutischen Zwecken verwendet und eingesetzt werden.
Prothesen ersetzen nicht oder nicht mehr vorhandene Gliedmaßen. Die einfachsten Prothesenkomponenten haben eine rein kosmetische Funktion oder vervollständigen eine Gliedmaße, beispielsweise indem ein distales Fingerglied ersetzt wird. Im Laufe der Zeit wurden die Prothesen komplexer, mehrere Prothesenkomponenten wurden aneinander angeordnet und befestigt und beispielsweise über Gelenke miteinander verbunden. Komplexe mechanische Antriebsvorrichtungen wurden entwickelt, um beispielsweise Prothesenhände oder Prothesenfüße zu bewegen. Hydraulische oder andere Dämpfereinrichtungen oder Widerstandseinrichtungen werden an Gelenken angeordnet, um das Verhalten von Prothesenkomponenten und Prothesensystemen zu modifizieren, um einen möglichst natürlichen Bewegungsablauf zu ermöglichen. Zur Unterstützung von Bewegungen werden Antriebe in Prothesenkomponenten integriert, sodass aktive Prothesen entstanden sind. Weiterhin werden Sensoren an Prothesenkomponenten oder einem Prothesennutzer angeordnet, um das gegenwärtige Bewegungsverhalten oder die gegenwärtigen Positionen oder Stellungen von Prothesenkomponenten zueinander zu erfassen und das zukünftige Bewegungsverhalten abzuschätzen und um Einstellungen an Widerstandseinrichtungen und/oder Antrieben zu verändern. Dadurch sind hochkomplexe Prothesensysteme mit mehreren, aneinander angeordneten Prothesenkomponenten entstanden, die eine Vielzahl von mechanischen, elektrischen und mechatronischen Komponenten aufweisen.
Ein Prothesensystem der unteren Extremität kann insbesondere einen Oberschenkelschaft aufweisen, an dessen distalem Ende ein Prothesenkniegelenk, ein Prothesenunterschenkel und ein Prothesenfuß befestigt sind. Ein solches Prothesensystem weist beispielsweise zwei oder mehr Gelenke auf, die jeweils mit Widerstandseinrichtungen und/oder Antrieben bzw. Aktuatoren versehen sein können.
Aus der EP 2 816 979 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines künstlichen Orthesenkniegelenkes oder Prothesenkniegelenkes bekannt, bei dem auf der Grundlage der Erfassung eines Absolutwinkels einer Unterschenkelkomponente der Beugewiderstand verändert wird. Der ermittelte Absolutwinkel der Unterschenkelkomponente wird mit einem Schwellwert verglichen, wird der Schwellenwert erreicht oder überschritten, wird der Beugewiderstand verändert.
Aus der EP 2 790 614 B1 ist eine Beinprothese mit einem Oberschenkelteil, einem Unterschenkelteil und einem Fußteil bekannt, die aneinander festgelegt sind. Ein Kniegelenk verbindet das Oberschenkelteil mit dem Schienbeinteil und weist eine dynamisch einstellbare Kniebeugungssteuerungsvorrichtung zur Dämpfung der Kniebeugung auf. Zwischen dem Fußabschnitt und dem Schienbeinabschnitt ist ein Knöchelgelenk angeordnet. Eine Vielzahl von Sensoren ist mit einem elektronischen Steuerungssystem und der Kniebeugungssteuerungsvorrichtung verbunden, um den jeweiligen Widerstand in den Gelenken dynamisch und automatisch zu verändern.
Aus der US 8 057 550 B2 ist eine Prothese oder Orthese der unteren Extremität mit mehreren mechatronischen Vorrichtungen bekannt, die miteinander kommunizieren. Beispiele für mechatronische Vorrichtungen sind ein Prothesenkniegelenk zwischen einem Oberschenkelteil und einem Unterschenkelteil sowie ein Prothesenknöchelgelenk mit einem Unterschenkelteil und einem Prothesenfuß. In einem solchen Prothesensystem oder Orthesensystem kann eine Hauptsteuerungsvorrichtung angeordnet sein, die die Steuerung des Gesamtsystems übernimmt. Die Hauptsteuereinrichtung kann vollständig oder teilweise eine untergeordnete Vorrichtung steuern.
Prothesensysteme oder Orthesensysteme werden vielfach modular aufgebaut und hinsichtlich ihrer Anforderungen an den jeweiligen Patienten angepasst. Dabei ist das Zusammenspiel der jeweiligen mechatronischen Komponenten oder mechatronischen Vorrichtungen als Subsysteme des Gesamtsystems von besonderer Bedeutung. Mechatronischen Komponenten in einem Subsystem werden auf der Grundlage unterschiedlicher Sensorwerte von der jeweiligen Steuerungssoftware separat angesteuert. Dies kann zu Problemen bei der Benutzung des Orthesensystems bzw. des Prothesensystems führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein orthetisches und/oder prothetisches System sowie ein Verfahren zu dessen Steuerung bereitzustellen, mit denen eine vereinfachte Anpassung an unterschiedliche Nutzungssituationen erfolgen kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches und ein prothetisches und/oder orthetisches System mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren näher erläutert.
Das Verfahren zur Steuerung eines prothetischen und/oder orthetischen Systems mit einer ersten mechatronischen Komponente und zumindest einer zweiten mechatronischen Komponente, die miteinander verbunden sind, wobei jede mechatronische Komponente zumindest einen Aktuator und eine Steuerungseinheit mit einer Steuerungssoftware aufweist, um den Aktuator in Abhängigkeit von Sensorwerten oder Sensordaten zu aktivieren, modulieren oder zu deaktivieren, wobei Sensordaten von zumindest einem Sensor an zumindest einer der mechatronischen Komponenten zumindest einer der Steuerungseinheiten übermittelt und zur Steuerung des jeweiligen Aktuators durch die Steuerungssoftware verwendet werden und die Steuerungssoftware der mechatronischen Komponenten miteinander kommuniziert, sieht vor, dass anhand der Sensordaten ein Zustand oder ein Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems erkannt und an zumindest eine weitere Steuerungseinheit, insbesondere an alle Steuerungseinheiten übermittelt wird und dass die zumindest eine weitere Steuerungseinheit und die dazugehörige mechatronische Komponente, insbesondere alle Steuerungseinheiten und alle mechatronischen Komponenten in eine Grundkonfiguration gebracht werden. In der Grundkonfiguration befinden sich alle Komponenten oder die jeweiligen Komponenten des orthetischen und/oder prothetischen Systems in einem Ausgangszustand oder einer Ausgangsstellung, von dem aus alle verstellbaren oder einstellbaren Bauteile, Baugruppen und Komponenten oder dergleichen der jeweiligen mechatronischen Komponenten im Verlauf der weiteren Benutzung des Systems gesteuert werden. Sensordaten von zumindest einem Sensor werden an zumindest eine der Steuerungseinheiten der zumindest einen mechatronischen Komponente übermittelt und zur Steuerung des jeweiligen Aktuators durch die Steuerungssoftware verwendet. Wird von einer der mechatronischen Komponenten ein Zustand oder ein Bewegungsmuster eindeutig erkannt oder werden von allen oder mehreren mechatronischen Komponenten ein solcher Zustand oder ein solches Bewegungsmuster eindeutig erkannt oder als solches festgelegt, werden die jeweiligen oder alle Aktuatoren entsprechend aktiviert, deaktiviert oder moduliert, sodass die jeweiligen oder alle mechatronischen Komponenten den gleichen Grundzustand aufweisen, von dem ausgehend jede weitere Aktivität vorgenommen wird. Dabei können die einzelnen Bauteile einer mechatronischen Komponente und/oder die Systemkomponenten des Prothesen- oder Orthesensystems auch verstellt werden, sodass beispielsweise beim Erkennen eines sitzenden Zustandes neben einer Verringerung des Flexionswiderstandes und des Extensionswiderstandes in dem Prothesenkniegelenk auch eine Komponente eines Oberschenkelschaftes verstellt und gleichzeitig der Prothesenfuß in eine Neutralstellung verfahren wird. So kann beispielsweise beim Erkennen eines sitzenden Zustandes neben der Verringerung des Flexionswiderstandes und/oder des Extensionswiderstandes in dem Prothesenkniegelenk der Anpressdruck oder die zirkuläre Kraft, welche vom Schaft auf den Oberschenkel ausgeübt wird, oder lokale Steifigkeiten im Oberschenkelschaft angepasst, vorzugsweise verringert werden. Die Verringerung der Steifigkeit des Prothesenschaftes kann beispielsweise in dem Bereich des Trochanter Major und/oder in dem Bereich der Ramusanlage erfolgen.
Ein anderes Beispiel für ein Zusammenspiel der Aktuatoren oder Komponenten sind die Anpassungen eines prothetischen oder orthetischen Systems an unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten. Bei einem schnellen Gehen werden die Dämpfungen in dem Kniegelenk und dem Knöchelgelenk erhöht, ebenso werden der Schaftsitz durch z.B. Anziehen eines Spannsystems gefestigt und die Steifigkeit des Schaftes gegenüber der normalen Gehgeschwindigkeit erhöht, während bei einem langsamen Gehen die Dämpfungen verringert, der Schaftsitz gelockert und die Schaftsteifigkeit verringert werden.
Beim Stehen werden wiederum die Dämpfungen in Knie und Knöchel erhöht und der Schaftsitz gelockert und/oder die Steifigkeit der Schaftwandung reduziert.
Eine andere Aktivität ist das Treppen abwärts Gehen, das beispielsweise durch einen bestimmten Bewegungsablauf und eine bestimmte Belastungsabfolge im Knie durch dessen Steuerungseinheit oder die zentrale Steuerungseinheit erkannt wird.
Die Grundkonfiguration des Fußes wird geändert und der Fuß stellt aktiv eine Plantarflexion ein, um einen Auftritt im Vorfußbereich zu erreichen. Gleichzeitig wird die Grundkonfiguration in dem Kniegelenk geändert und der Knieflexionswiderstand wird erhöht, während der Anpressdruck in dem Schaft ebenfalls erhöht wird, um eine ausreichend Sicherheit für den Nutzer zu erreichen.
Der Zustand oder das Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems kann von einer zentralen Steuerungseinheit erkannt werden, die mit den anderen Steuerungseinheiten der jeweiligen mechatronischen Komponenten verbunden ist. Die zentrale Steuerungseinheit hat die Aufgabe und die Berechtigung, den Zustand oder das Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems zu erkennen und diesen Zustand oder das Bewegungsmuster verbindlich für alle anderen Steuerungseinheiten und mechatronischen Komponenten vorzugeben. Alternativ ist die zentrale Steuerungseinheit Teil einer Steuerungseinheit einer mechatronischen Komponente, die als führende mechatronische Komponente bestimmt wird, beispielsweise für den Fall eines orthetischen und/oder prothetischen Systems einer unteren Gliedmaße ein künstliches Kniegelenk.
In einer Ausgestaltung wird ausgehend von der Grundkonfiguration für denjenigen Zustand oder das jeweilige Bewegungsmuster die weitere Steuerung dezentral über die den mechatronischen Komponenten zugeordneten Steuerungseinheiten durchgeführt. Die Erkennung und Bestimmung der Grundkonfiguration auf Grundlage des erkannten Zustandes bzw. des erkannten Bewegungsmusters vereinheitlicht den Steuerungsrahmen, innerhalb dessen sich das prothetische und/oder orthetische System befindet. Das Gesamtsystem ist damit in einen gemeinsamen, einheitlichen Anfangszustand gebracht worden, von dem aus die einzelnen Untersysteme bis zum Erkennen eines anderen Zustandes bzw. eines anderen Bewegungsmusters auf der Grundlage von Sensordaten gesteuert werden. Die Steuerung der einzelnen mechatronischen Komponenten mit den jeweils zugeordneten Steuerungseinheiten erfolgt dabei nicht nur auf der Grundlage der Sensordaten, die dem jeweiligen Steuerungseinheit zugeordnet sind, vielmehr besteht die Möglichkeit, dass Sensordaten einer ersten mechatronischen Komponente die Grundlage für die Verstellung eines Aktuators in einer anderen mechatronischen Komponente bilden oder zumindest dazu mit berücksichtigt werden.
In einer Ausgestaltung erfolgt die weitere Steuerung alle Aktuatoren der mechatronischen Komponenten über eine zentrale Steuerungseinheit, nachdem ein vorbestimmte Zustand oder ein vorbestimmtes Bewegungsmuster erkannt worden ist. Diese Steuerung über die zentrale Steuerungseinheit erfolgt so lange, bis ein anderer Zustand oder ein anderes Bewegungsmuster erkannt wird. Die zentrale Steuerungseinheit steuert dann alle mechatronischen Komponenten oder zumindest die betroffenen Komponenten sowohl hinsichtlich des Zustandes als auch hinsichtlich der Einstellung in dem jeweiligen Zustand oder der jeweiligen Situation. Eine solche zentrale Steuerung kann für vorgegebene, bestimmte Zustände und/oder Bewegungsmuster eingerichtet sein, für andere Zustände und/oder Bewegungsmuster erfolgt beispielsweise eine dezentrale Steuerung. Alternativ dazu dient die zentrale Steuerungseinheit nur zur Erkennung des Zustandes bzw. des Bewegungsmusters, was an alle anderen Steuerungseinrichtungen weitergegeben und verbindlich vorgegeben wird. Die jeweilige Steuerung der Aktuatoren der mechatronischen Komponente erfolgt dann von den untergeordneten bzw. lokalen Steuerungseinrichtungen.
Sofern eine zentrale Steuerungseinheit vorhanden ist, ist diese vorteilhafterweise mit mehreren, insbesondere allen Sensoren verbunden. Die Sensoren können drahtlos oder per Kabel mit der Steuerungseinheit bzw. mit den jeweiligen Steuerungseinheiten verbunden sein, sodass drahtlos oder per Kabel die Sensordaten zwischen den mechatronischen Komponenten und insbesondere den jeweiligen Steuerungseinheiten der mechatronischen Komponenten ausgetauscht werden.
In einer Ausgestaltung wird auf der Grundlage der Sensordaten eine Steuerungseinheit einer der mechatronischen Komponenten als zentrale Steuerungseinheit bestimmt. Die Bestimmung erfolgt beispielsweise auf der Grundlage der Art der Sensordaten, der Menge der Sensordaten und/oder der Qualität der Sensordaten. Liegen beispielsweise überwiegend Daten hinsichtlich der Bewegung eines Oberschenkelteils relativ zu einem Unterschenkelteil vor, während keinerlei Belastungsdaten eines Prothesenfußes oder einer Fußplatte eine Orthese vorhanden sind, ist es vorgesehen, dass die Steuerungseinheit für das künstliche Kniegelenk als zentrale Steuerungseinheit bestimmt wird. Die Bestimmung erfolgt durch Kommunikation aller Steuerungseinheiten mit einer entsprechenden Abfrage.
Dazu sind sogenannte State Machines in den jeweiligen Steuerungseinheiten abgelegt, auf deren Grundlage beispielsweise erkannt wird, ob ein Nutzer der Orthese und/oder Prothese sitzt, liegt, steht oder geht bzw. wie der jeweilige Zustand beschaffen ist oder wie die jeweilige Bewegung ausgeführt wird.
In einer Ausgestaltung sind alle mechatronischen Komponenten aus autonom funktionierenden Komponenten ausgebildet, die lösbar aneinander befestigt werden können. Die autonom funktionierenden Komponenten weisen zumindest einen Sensor, einen Aktuator, einen Energiespeicher eine Schnittstelle und eine Steuerungseinheit auf, wobei die Steuerungseinheit eine Steuerungssoftware aufweist, um den Aktuator in Abhängigkeit von den Sensorwerten des zumindest einen Sensors zu aktivieren, zu modulieren oder zu deaktivieren.
Ein prothetisches und/oder orthetisches System zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens mit einer ersten mechatronischen Komponente und zumindest einer zweiten mechatronischen Komponente, die miteinander verbunden, insbesondere lösbar miteinander verbunden sind, wobei jede mechatronische Komponente zumindest einen Aktuator und eine Steuerungseinheit mit einer Steuerungssoftware aufweist, um den Aktuator in Abhängigkeit von Sensorwerten zu aktivieren, modulieren oder zu deaktivieren, wobei Sensordaten von zumindest einem Sensor an zumindest einer der Komponenten einer der Steuerungseinheiten übermittelt und zur Steuerung eines oder des jeweiligen Aktuators durch die Steuerungssoftware verwendet werden und die Steuerungssoftware der Komponenten miteinander kommuniziert, sieht vor, dass die Steuerungssoftware eingerichtet ist, anhand der Sensordaten einen Zustand oder ein Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems zu erkennen und an alle anderen Steuerungseinheiten zu übermitteln und damit zumindest eine weitere Steuerungseinheit, insbesondere alle Steuerungseinheiten und die dazugehörigen Komponenten in eine Grundkonfiguration zu bringen. Sensordaten von zumindest einem Sensor werden an zumindest eine Steuerungseinheit der zumindest einen Komponente übermittelt und zur Steuerung eines oder des jeweiligen Aktuators durch die Steuerungssoftware verwendet. Die Steuerungssoftware zumindest einer der mechatronischen Komponenten ist dazu eingerichtet, den Zustand oder ein Bewegungsmuster einer weiteren mechatronischen Komponente, insbesondere des gesamten prothetischen und/oder orthetischen Systems zu erkennen, alternativ weist die Steuerungssoftware aller mechatronischen Komponenten diese Funktionalität auf.
Die mechatronischen Komponenten weisen in einer Ausgestaltung Befestigungseinrichtungen zum lösbaren Festlegen aneinander auf, sodass unterschiedliche mechatronische Komponenten ähnlicher Art ausgewechselt und mit anderen proximalen oder distalen mechatronischen Komponenten kombiniert werden können. Die Befestigungseinrichtungen sind beispielsweise Pyramidenadapter, Spanneinrichtungen, Verschraubungen, Clipselemente, Bajonettverschlüsse, Steckverbindungen oder andere Ausgestaltungen, mit denen zwei Elemente dauerhaft und lösbar aneinander festgelegt werden können. So können beispielsweise unterschiedliche künstliche Kniegelenke mit unterschiedlichen Aktuatoren und/oder Widerstandseinrichtungen mit Aktuatoren zu deren Verstellung mit einem Oberschenkelschaft und einem Unterschenkelrohr kombiniert werden.
Jede mechatronische Komponente weist eine autonome Funktionalität auf und weist insbesondere eine eigene Schnittstelle zum Transport von Energie und/oder Daten auf.
In einer Ausgestaltung ist eine erste mechatronische Komponente ein künstliches Kniegelenk mit einem Oberteil und einem Unterteil, die schwenkbar aneinander gelagert sind und an denen ein Aktuator angeordnet ist. Der Aktuator ist beispielsweise als Antrieb, Widerstandseinrichtung oder eine Verstelleinrichtung zur Beeinflussung eines Widerstandes ausgebildet. Die zweite mechatronische Komponente kann als künstliches Hüftgelenk, als Oberschenkelschaft, als eine Befestigungseinrichtung und/oder ein künstliches Knöchelgelenk ausgebildet sein und ebenfalls einen Aktuator und eine Steuerungseinrichtung aufweisen. Bevorzugt ist die erste mechatronische Komponente in Gestalt eines künstlichen Kniegelenkes als Master-Komponente und die zumindest eine zweite mechatronische Komponente als sogenannte Slave Komponente ausgebildet, die in der Steuerungshierarchie der Masterkomponente untergeordnet ist.
Insbesondere bei komplexen prothetischen und/oder orthetischen Systemen ist die Kopplung der einzelnen mechatronischen Komponenten schwierig. Eine Kombination aus orthetischen Systemen und prothetischen System ist beispielsweise gegeben, wenn eine Hüftorthese vorhanden ist, die an einem Oberschenkelstumpf festgelegt ist, an dem wiederum ein Prothesenkniegelenk über einen Oberschenkelschaft befestigt ist. Das Prothesenkniegelenk ist mit einem Unterschenkelrohr und einem gelenkig daran befestigten Prothesenfuß verbunden. Zwischen den einzelnen Gelenken sind Aktuatoren angeordnet, beispielsweise passive Widerstandseinrichtungen wie Hydraulikdämpfer oder aktive Antriebe wie Elektromotoren, die Pumpen oder Getriebe antreiben oder als Generatoren Relativbewegungen zwischen einzelnen Komponenten abbremsen. Die Aktuatoren können auch Ventile in passiven Widerstandseinrichtungen verstellen, Strömungswiderstände über Veränderung von Magnetfeldern verändern oder auf andere Art und Weisen eine Relativbewegung zwischen beweglichen Bestandteilen einer oder mehrerer mechatronischen Komponenten beeinflussen. Die mechatronischen Komponenten werden aufgrund der individuellen Versorgung des Patienten an den jeweiligen Einsatzzweck und den jeweiligen Patienten angepasst, ausgewählt und zusammengestellt. Die Befestigungseinrichtungen zur Festlegung der mechatronischen Komponenten aneinander sind häufig so ausgebildet, dass auch mechatronische Komponenten unterschiedlicher Hersteller miteinander kombinierbar sind. Ein verstellbarer Oberschenkelschaft kann mit nahezu jedem beliebigen Prothesenkniegelenk gekoppelt werden, gleiches gilt für ein Unterschenkelrohr mit einem Prothesenknöchelgelenk.
Zur Steuerung des Gesamtsystems aus mehreren mechatronischen Komponenten ist es vorteilhaft, einen einmal erkannten Zustand, beispielsweise über eines State Machine, allen weiteren Komponenten verbindlich mitzuteilen und diese Komponenten in eine Grundkonfiguration zu bringen, von der aus alle weiteren Aktivitäten hinsichtlich des Gesamtsystems auf der Grundlage der Sensordaten durchgeführt werden. Damit wird verhindert, dass beispielsweise ein verstellbarer Oberschenkelschaft auf der Grundlage seiner Sensordaten einen Anpressdruck an den Oberschenkelstumpf verringert, da als Zustand das Sitzen angenommen wird, während das Prothesenkniegelenk auf der Grundlage dessen Sensordaten einen motorischen Antrieb aktiviert, da auf Grundlage dessen Sensordaten ein Bewegungszustand des schnellen Gehens mit einer aktiven Unterstützung vorgesehen wäre. Eine solche Kombination wäre potentiell gefährlich. Um das Zusammenspiel aller Komponenten, insbesondere aller mechatronischen Komponenten zu verbessern, wird daher eine verbindliche Vorgabe über den jeweiligen Zustand an alle Steuerungseinheiten aller mechatronischen Komponenten übermittelt. Die nach der Einstellung der Grundkonfiguration durchgeführte Steuerung kann entweder zentral über eine zentrale Steuerungseinheit oder dezentral von den jeweiligen Steuerungseinheiten unter der Berücksichtigung des einheitlich festgestellten Zustandes oder Bewegungsmusters erfolgen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten. Es zeigen:

1 - eine schematische Darstellung eines prothetischen Systems; sowie
2 bis 6 - Integrationsstufen der Steuerung.

In der 1 ist ein orthopädietechnisches System in Gestalt einer Prothese der unteren Extremität dargestellt. Das orthopädietechnische System ist ein Prothesenbein mit einem Oberschenkelschaft als erste mechatronische Komponente 10, einem Prothesenkniegelenk 12 mit einem Unterschenkelteil als zweite mechatronische Komponente 20 sowie einem Prothesenfuß mit einem Knöchelgelenk als dritte mechatronische Komponente 30. Die erste mechatronische Komponente 10 weist einen Aktuator 15 auf. Der Aktuator 15 ist insbesondere als elektromotorischer Antrieb ausgebildet, der in dem Ausführungsbeispiel dazu dient, verlagerbare Komponenten oder Bauteile der ersten mechatronischen Komponente 10 zueinander zu verlagern. Dazu wird der Aktuator 15 in die eine oder andere Richtung aktiviert, beispielsweise in einer entsprechende Drehrichtung verdreht, sodass ein Kabel, eine Schnur oder eine andere Kraftübertragungseinrichtung eines Zugsystems gespannt bzw. entspannt wird. Durch die Entspannung und die Spannung werden die einzelnen Bauteile des Prothesenschaftes zueinander verlagert, um sich an die Gliedmaße anzupassen. Der Aktuator 15 der ersten mechatronischen Komponente 10 wird über eine Steuerungseinheit 16 aktiviert, deaktiviert oder in der jeweiligen Aktivität moduliert. Die Steuerungseinheit 16 weist die notwendigen Komponenten wie Speichereinrichtungen, Prozessoren, Schnittstellen, Energieversorgungseinrichtungen und dergleichen auf oder ist mit diesen Komponenten verbunden, um auf der Grundlage von Sensorwerten eine entsprechende Aktion auszuführen. An der ersten mechatronischen Komponente 10 ist zumindest ein Sensor 14 oder eine Sensoreinrichtung angeordnet, über den oder die beispielsweise Winkelstellungen, Raumlagen, Drücke, Temperaturen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und/oder andere Zustandsgrößen oder Bewegungsgrößen erfasst werden. Wenn unterschiedliche Zustandsgrößen oder Parameter erfasst werden, die nicht durch einen einzelnen Sensor erfasst oder aus Sensordaten eines einzelnen Sensors abgeleitet werden können, beispielsweise durch Ableitung nach der Zeit, sind statt eines einzelnen Sensors mehrere Sensoren zu einer Sensoreinrichtung zusammengefasst. Die Sensoreinrichtung gilt in dem Zusammenhang der Anmeldung als Sensor. Der Sensor 14 und damit auch eine ggf. vorhandene Sensoreinrichtung ist mit der Steuerungseinheit 16 gekoppelt. Ebenso ist eine Schnittstelle 17 an der ersten mechatronischen Komponente 10 angeordnet oder ausgebildet und mit der Steuerungseinheit 16 gekoppelt, insbesondere um Energie und/oder Daten zu transportieren.
An dem distalen Ende der ersten mechatronischen Komponente 10 ist das Prothesenkniegelenk 12 angeordnet, das ein Oberteil 28 und ein Unterteil 29 aufweist, die schwenkbar um eine Schwenkachse miteinander verbunden sind. Das Prothesenkniegelenk 12 mit einem Unterschenkelteil weist ebenfalls einen Aktuator 25 auf, sodass die mechanischen Komponenten zusammen mit dem Aktuator 25 die zweite mechatronische Komponente 20 bilden. Der Aktuator 25 kann als Motor oder Antrieb zur Bewirkung einer aktiven Verlagerung von Oberteil 28 und Unterteil 29 zu ausgebildet sein, alternativ ist der Aktuator 25 als Antrieb zur Verstellung von Ventilen oder zur Veränderung von Viskositäten z.B. bei magnetorheologischen Fluiden ausgebildet, um einen Widerstand gegen eine Relativverlagerung von Oberteil und Unterteil des Prothesenkniegelenkes 12 zu verändern. An der zweiten mechatronischen Komponente 20 ist neben dem Aktuator 25 eine separate Steuerungseinheit 26 angeordnet, die mit zumindest einem Sensor 24 gekoppelt ist. Darüber hinaus verfügt die zweite mechatronische Komponente 20 über eine eigene Schnittstelle 27 zum Austausch von Daten und/oder Energie.
An dem distalen Ende der zweiten mechatronischen Komponente 20 ist die dritte mechatronische Komponente 30 in Gestalt eines Prothesenfußes 39 gelenkig gelagert. Die dritte mechatronische Komponente 30 weist ein Knöchelgelenk 23 auf und ist mit dem gelenkig gelagerten Oberteil 38 des Knöchelgelenkes 23 an dem distalen Ende des Unterschenkelteils bzw. an dem distalen Ende der zweiten mechatronischen Komponente 20 festgelegt. Auch die dritte mechatronische Komponente 30 weist einen Aktuator 35 auf, über den beispielsweise die Stellung des Prothesenfußes 39 relativ zu dem Unterschenkelteil oder einer beweglichen Komponente in dem Prothesenfuß 39, beispielsweise einem Zehenteil, verstellt werden kann. Beispielhaft ist ein Sensor in Gestalt eines Drucksensors 34 an dem Sohlenteil des Prothesenfußes 39 angeordnet. Der Sensor 34 oder weitere Sensoren 34 oder eine Sensoreinheit können an unterschiedlichen Stellen an den jeweiligen mechatronischen Komponenten 10, 20, 30 angeordnet sein und unterschiedliche Zustandsgrößen und/oder Bewegungsgrößen ermitteln, insbesondere Winkelstellungen, Beschleunigungen, Raumlagen, Drücke, Kräfte, Momente, Temperaturen und dergleichen. Auch die dritte mechatronische Komponente 30 weist eine Steuerungseinheit 36 auf, über die der zumindest eine Aktuator 35 angesteuert wird, um den jeweiligen Antrieb zu aktivieren, deaktivieren oder einen Sollwert zu verändern.
In dem Ausführungsbeispiel sind alle elektronischen Komponenten 10, 20, 30 miteinander gekoppelt und datentechnisch miteinander verbunden, wobei die jeweilige Steuerungssoftware der Steuerungseinheiten 16, 26, 36 aller mechatronischen Komponenten 10, 20, 30 miteinander kommunizieren. Somit wird ein Datenaustausch insbesondere hinsichtlich der Sensordaten zwischen den einzelnen Steuerungseinheiten 16, 26, 36 gewährleistet.
Alternativ zu einer Ausgestaltung als prothetisches System kann ein entsprechender Aufbau auch als orthetisches System verwirklicht sein. Statt eines Oberschenkelschaftes zum Aufnehmen eines Oberschenkelstumpfes ist bei einer Orthese eine Aufnahmeeinrichtung für einen Oberschenkel vorhanden, beispielsweise eine Schale, eine Schiene oder dergleichen. Statt eines Prothesenkniegelenkes ist zumindest ein künstliches Kniegelenk medial und/oder lateral zu dem natürlichen Kniegelenk angeordnet, um eine Unterschenkelschiene statt eines Unterschenkelteils mit der Oberschenkelschiene zu verbinden. Auch hier kann zwischen dem Oberschenkelteil und dem Unterschenkelteil ein Aktuator angeordnet sein, insbesondere als Antrieb und/oder eine Widerstandseinrichtung. Statt eines Prothesenfußes ist bei einer Orthese ein Aufsatz für einen Fuß gelenkig an der Unterschenkelschiene angeordnet. Auch hier sind Aktuatoren, Sensoren, Steuerungseinrichtung und Schnittstellen vorhanden und entsprechende Steuerungssoftware in den jeweiligen mechatronischen Komponenten abgelegt.
Alternativ zu einer Ausgestaltung einer Orthese oder Prothese der unteren Extremität kann diese auch als eine Orthese oder Prothese der oberen Extremität ausgebildet sein.
In der 2 ist der grundsätzliche Aufbau der einzelnen mechatronischen Komponenten an dem Beispiel zweier mechatronischer Komponenten 10 und 20 dargestellt. Die Sensoren 14, 24 einer jeden mechatronischen Komponenten kommunizieren mit der Steuerungseinheit 16, 26, die wiederum auf den jeweiligen Aktuator 15, 25 einwirkt, die dann auf die einzelnen Komponenten oder Bauteile der mechatronischen Komponente einwirken, beispielweise dem Unterteil 29, was wiederum von den Sensoren 14, 24 erfasst wird. Jede mechatronische Komponente 10, 20 weist eine entsprechende Steuerung auf, mit der beispielsweise das Prothesenkniegelenk 12 mit dem Aktuator 25 entsprechend angesteuert werden kann.
In der 3 ist ein Steuerungsaufbau dargestellt, bei dem jede elektronische Komponente, dargestellt an dem Beispiel einer ersten mechatronischen Komponente 10 in Gestalt eines verstellbaren Prothesenschaftes und einer zweiten mechatronischen Komponente 20 in Gestalt eines Prothesenkniegelenkes mit Unterschenkelteil, separat voneinander gesteuert wird. Eine Kommunikation der Steuerungssoftware findet nicht statt, insbesondere hinsichtlich der Sensorwerte findet keine Kommunikation statt.
In der 4 ist der Modus dargestellt, bei dem die einzelnen Sensorsignale ebenso wie die Signale zum Aktivieren, Deaktivieren oder Modulieren des Aktuators oder der Aktuatoren 15, 25 ausgetauscht werden. Der Austausch findet zwischen beiden mechatronischen Komponenten 10, 20 statt, sodass eine abgestimmte Steuerung des Gesamtsystems erfolgen kann.
In der 5 ist eine weitere, höhere Integrationsebene der Steuerung dargestellt, bei der neben den Signalen auch der jeweilige Zustand der einzelnen Komponenten 10, 20 übermittelt wird, sodass beispielsweise anhand des Zustandes des Prothesenkniegelenkes 12 erkannt wird, dass der Nutzer der prothetischen Einrichtung sitzt oder geht.
In der 6 wird auf der Grundlage der Kommunikation sowohl der Signale als auch der jeweiligen Zustände der einzelnen mechatronischen Komponenten 10, 20 bestimmt, welches mechatronische System als führendes System oder Master-System anzusehen ist. Dieses Master-System oder diejenige mechatronische Komponente, die als Master angesehen oder festgelegt wird, legt den Zustand oder das Bewegungsmuster verbindlich für alle angeschlossenen mechatronischen Komponenten fest, was dann für die weitere Steuerung maßgeblich ist. Wird beispielsweise über das Prothesenkniegelenk 12 erkannt, dass der Nutzer sitzt, werden alle weiteren elektronischen Komponenten entsprechend darauf eingestellt, insbesondere in eine Grundkonfiguration gebracht, von der aus dann alle weiteren Einstellungen oder Verstellungen vorgenommen werden. So wird im Sitzen beispielsweise der Extensionswiderstand und der Flexionswiderstand in dem Prothesenkniegelenk verringert und der Anpressdruck des Prothesenschaftes an dem Stumpf gelockert, um die Blutzirkulation zu verbessern oder zu optimieren. Gleichzeitig kann der Widerstand hinsichtlich einer Plantarflexion oder Dorsalflexion in dem Prothesenknöchelgelenk 23 verringert werden, um den Prothesenfuß 39 bei leichten Pendelbewegungen des Beines ohne Aufwand flach auf dem Boden aufliegen zu lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2816979 B1 [0005]
EP 2790614 B1 [0006]
US 8057550 B2 [0007]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines prothetischen und/oder orthetischen Systems mit einer ersten mechatronischen Komponente (10) und zumindest einer zweiten mechatronischen Komponente (20, 30), die miteinander verbunden sind, jede mechatronische Komponente weist zumindest einen Aktuator (15, 25, 35); und eine Steuerungseinheit (16, 26, 36) auf, die Steuerungseinheit (16, 26, 36) weist eine Steuerungssoftware auf, um den Aktuator (15, 25, 35) in Abhängigkeit von Sensorwerten zu aktivieren, modulieren oder zu deaktivieren, wobei Sensordaten von zumindest einem Sensor (14, 24, 34) an zumindest einer der mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) zumindest einer der Steuerungseinheiten (16, 26, 36) übermittelt und zur Steuerung des jeweiligen Aktuators (15, 25, 35) durch die Steuerungssoftware verwendet werden und die Steuerungssoftware der mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) miteinander kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Sensordaten ein Zustand oder Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems erkannt und an zumindest eine weitere Steuerungseinheit (16, 26, 36) übermittelt wird und die zumindest eine weitere Steuerungseinheit (16, 26, 36) und die dazugehörige mechatronische Komponente (10, 20, 30) in eine Grundkonfiguration gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand oder das Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems von einer zentralen Steuerungseinheit (16, 26, 36) erkannt wird, die mit den anderen Steuerungseinheiten (16, 26, 36) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Grundkonfiguration für den jeweiligen Zustand oder das Bewegungsmuster die weitere Steuerung dezentral über die den mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) zugeordneten Steuerungseinheiten (16, 26, 36) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erkennung eines vorbestimmten Zustandes oder Bewegungsmusters die weitere Steuerung der Aktuatoren der mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) über die zentrale Steuerungseinheit (16, 26, 36) erfolgt, bis ein anderer Zustand oder ein anderes Bewegungsmuster erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerungseinheit (16, 26, 36) mit mehreren, insbesondere allen Sensoren (14, 24, 34) verbunden ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensordaten drahtlos oder über Kabel zwischen den mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) ausgetauscht werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der Sensordaten eine Steuerungseinheit (16, 26, 36) als zentrale Steuerungseinheit (16, 26, 36) zur Erkennung des Zustandes oder Bewegungsmusters bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) als autonom funktionierenden Komponenten (10, 20, 30) ausgebildet sind und zumindest einen Sensor (14, 24, 34), einen Aktuator (15, 25, 35), einen Energiespeicher, eine Schnittstelle und eine Steuerungseinheit (16, 26, 36) aufweisen und die Steuerungseinheit (16, 26, 36) eine Steuerungssoftware aufweist, um den Aktuator (15, 25, 35) in Abhängigkeit von Sensorwerten zu aktivieren, zu modulieren oder zu deaktivieren.
Prothetisches und/oder orthetisches System zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einer ersten mechatronischen Komponente (10) und zumindest einer zweiten mechatronischen Komponente (20, 30), die miteinander verbunden sind, wobei jede mechatronische Komponente (10, 20, 30) zumindest einen Aktuator (15, 25, 35) und eine Steuerungseinheit (16, 26, 36) aufweist, die Steuerungseinheit (16, 26, 36) weist eine Steuerungssoftware auf, um den Aktuator (15, 25, 35) in Abhängigkeit von Sensorwerten zu aktivieren, modulieren oder zu deaktivieren, wobei Sensordaten von zumindest einem Sensor (14, 24, 34) an zumindest einer der Komponenten (10, 20, 30) einer der Steuerungseinheiten (16, 26, 36) übermittelt und zur Steuerung des jeweiligen Aktuators (15, 25, 35) durch die Steuerungssoftware verwendet werden und die Steuerungssoftware der Komponenten (10, 20, 30) miteinander kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungssoftware eingerichtet ist, anhand der Sensordaten einen Zustand oder ein Bewegungsmuster des prothetischen und/oder orthetischen Systems zu erkennen und an alle Steuerungseinheiten (16, 26, 36) zu übermitteln und zumindest einer weitere Steuerungseinheit (16, 26, 36) oder alle Steuerungseinheiten (16, 26, 36) und die dazugehörigen Komponenten (10, 20, 30) in eine Grundkonfiguration zu bringen.
Prothetisches und/oder orthetisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mechatronischen Komponenten (10, 20, 30) Befestigungseinrichtungen zum lösbaren Festlegen aneinander aufweisen.
Prothetisches und/oder orthetisches System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede mechatronische Komponente (10, 20, 30) eine eigene Schnittstelle (17, 27, 37) zum Transport von Energie und/oder Daten aufweist.
Prothetisches und/oder orthetisches System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste mechatronische Komponente (10) ein künstliches Kniegelenk (12) mit einem Oberteil (28) und einem Unterteil (29) ist, die schwenkbar aneinander gelagert sind und an denen der Aktuator (25) angeordnet ist und dass die zweite mechatronische Komponente (20, 30) ein künstliches Hüftgelenk, ein Oberschenkelschaft, eine Befestigungseinrichtung und/oder ein künstliches Knöchelgelenk (23) ist.
Prothetisches und/oder orthetisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mechatronische Komponente (10) als Master-Komponente und die zumindest eine zweite mechatronische Komponente (20, 30) als Slave-Komponente ausgebildet ist.