DE1491236A1

DE1491236A1 - Kuenstliches Kniegelenk fuer Beinprothesen

Info

Publication number: DE1491236A1
Application number: DE19651491236
Authority: DE
Inventors: Jahn Prahl
Original assignee: TEUFEL WILH JUL FA
Current assignee: TEUFEL WILH JUL FA
Priority date: 1965-09-28
Filing date: 1965-09-28
Publication date: 1969-05-22
Also published as: US3417409A

Description

Künstliches kniegelenk für Beinprothesen.
Die Erfindung betrifft ein hydraulisch gesteuertes Kniegelenk für Beinprothesen.
Es sind hydraulisch gesteuerte Kniegelenke bekannt, hei denen der Hydraulik-Zylinder im Unterschenkel gelagert ist und der Hydraulik-Kolben am Obersohenkel angreift. Es sind auch Drehkolbensysteme bekannt, welche die Drehachse des Kniegelenkes bilden. Die zwischen die bewegten Beinteile geschaltete Hydraulik hat vorzugsweise einen geschlossenen Kreislauf des Druokmediums, dessen Strömungsgesohwindigkeit durch ein Drosselorgan eingestellt wird.
Diese bekannten Systeme sehen eine Bewegungsdämpfung in einer oder beiden Bewegungsriohtungen vor. Auf dies Weise lassen sich die natürlichen Verhältnisse des Gehen nioht erreichen.
Um optimale Gengeigensohaften einer Kniegelenk-Prothese zu erhalten, mtisste ein ktinstliohes Kniegelenk die Bedingung erfüllen, dass die Zeitabschnitte Beugung - Streokung in dem dem gleiohen Verhältnis zueinanderstehen wie die Zeitabschnitte, welche beim natlirlichen Gang flir diese Bewegungen bereiche benötigt werden. Die Winkelveränderungen bei der Beugung eines gesunden Knie gelenkes ergeben eine gleiehmässig abfallende Bewegung. An dem tiefsten Beugepunkt geht die Beugung in einem seiohten Bogen in eine sehr steil ansteigende Streckbewegung Aber.
Die Bewegungsverhältnisse sind in der Zeichnung in Fig. 1 veranschaulicht. In den Fig.2 und 3 sind nei masagebende Stellungen eines Beines gezeigt.
Auf der Ordinate sind aufgetragen: eine Gradskale von 1800 -1200 in jeweils 6° Abständen mit den entsprechenden Veränderungswerte ini. Auf der Abszisse wurden Zeiteinheiten in 1/18 - Sekunden aufgetragen.
1750 ist in etwa die Normalstellung des Beinee kurz vor Beginn der Beugung. 1/18 Sekunde später hat sich dieser Winkel um 4° verändert. Mit weiter ablaufenden Zeiteinheiten lässt sich der Verlauf der Beugung bis zur Beugung max in 6 Zeiteinheiten verfolgen (durohgezogene Linie).
Die Zeitverhältnisse sind etwa 6 t 5, auf 1750 bezogen sogar nur 6 s 4,5.
Bereite kurz nachdem die Beugung des Standbeines beginnt, muss das Schwungbein die maximale Streokstellung erreicht haben. Tritt bei der Streokung eine zeitliche Verzögerung ein, so muse der Patient diese Verzögerung durch überhöhte Konzentration ausg@@iohen. Soll der Zeitabschnitt der Streokung Streokung d.i natürliohen Gang entsprechen, so muss die Streckung eines künstliohen Kniegelenkes mit einer grossen Beschleunigung ausgeführt werden. Nine Abbremsung der streokenden Bewegung würde wieder eine zeitliche verzögerung der Streokung bedeuten und so das angestrebte Zeitverhältnie stören.
Durch die grouse Beschleunigung der Streckung besteht die Gefahr eines harten Ansohlagens der mechanischen Bewegungebegrenzung. Diese harte Bewegungsbegrenzung führt zu einen Stossen in der Prothese und no wiederum zur psychisohen Belsatung des Patienten. WUrde dieeer mechanische Ansohlag durch einen Voransohlag gedämpft werden, so käme eB wieder zu einer zeitlichen Verzögerung der Streokbswegung. Weitere nachteilige Beeinflussungen des Gengbildes eines Prothee nträgere sind die statischen Veränderungen, wie eie etwa beim Herabgehen von einer schrägen Ebene wirksam werden.
Duroh diese statischen Veränderungen wird die Beugung mit einer grösseren Kraft eingeleitet. Be kommt zur ilberhöhten Drehbewegung um die Knieaohse und es gelingt dem Prothesenträger nur schwer, dieses nach vorne Herausbreohende Kniegelenk unter Kontrolle zu halten. Hohe Konzentration ist auch hier wieder die Folgearsoheinung, die den Prothesesträger bis zur Angstpsyohose beanspruchen kann.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein hydraulisch gesteuertes Kniegelenk ftlr Oberschenkelprothesen zu sohaffen, welohes die erörterten Bedingungen für ein dem natürliohen Geng Gang entsprechendes Gehen ermöglicht und gleichzeitig soll erreicht werden, den gesamten Steuerungsvorgang auf kleinstem Raum zu verwirklichen.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die von der Hydraulik beeinflussten Bewegungen und deren Ablauf durch Xurvenbahnen gesteuert werden, deren Bahnverlaufauf die natürlichen Bewegungen abgestimmt sindO Die Hydraulik lässt erfindungsgemäss nur die durch die Steuerkurve, wie in Fig.1 gezeigt ist, festgelegten Bewegungen des Eniegelenkes bzw. der Beinprothese zu und ermöglicht eo dem Träger ein störungsfreies Gehen, das auch im Gangbild dem natürlichen Gang weitgehend entspricht. Der Zeitablauf der Bewegungen wird noch zuszlich durch gesteuerte Drosselabsperrorgane geregelt und damit werden auch Störungen im Gang, die durch Steigungen, Gefälle und dgl.
Hindernisse auftreten können, ausgeglichen.
Nach der Erfindung wird die Hydraulik mit ihren Steuergliedern auf der Gelenkachse angeordnet und so ein raumsparender betriebssicherer Gesamtaufbau ermöglicht, bei dem der Träger der Steuerkurve auf der Steuerwelle festgelegt unmittelbar auf den Druckkolben zur Wirkung gebracht wird.
Der Druckkolben und auch der federbelastete Druokausgleichkolben können als fliegende Kolben auf der Gelenkachse angeordnet werden.
Erfindungsgemäss wird das in den Strömungsweg des Druckmediums eingeschaltete die Bewegungsgeschwindigkeit susätzlich lioh sichernde Regelorgan von einem federbelastetn Steuerschieber oder Membranventil gebildet, auf welche der hydraulische und der atmosphärische Druck steuernd wirkt. Es wird so bei abnormalen Belastungen eine schnelle aber stossfreie Drosselung beim Abfangen der zu schnellen Bewegungen des Beines erreicht.
Die Brfindung ist in Fig.4 im Mittelsohnitt an einer beispielaweisen Ausführungsform veranschaulicht.
Das Gehäuse 1 wird fest mit dem Oberschenkelteil der Prothese verbunden. Der Unterschenkel wird durch den Befestigungskonus 22 mit der Knieachse 4 fest verbunden. Das Gehäuse 1 ist durch eine Verschlusskappe 2 abgeschlossen, in der gleichzeitig die BnieachBe 4 gelagert ist. Auf der Enieachae 4 ist der die Steuerkurve 29 tragende Ringkörper 25 mit einer Passfeder 13 festgelegt. Jede Drehbewegung der Knieschse 4 führt zu einer Verdrehung der Steuerkurve 29.
Hierdurch wird der frei auf der Knieaohse 4 gleitende Druokkolben 5 vorgeschoben, wodurch sich die Druokkammer 23 in ihrem Volumen verkleinert. Der Druckkolben 5 ist durch einen Führungszapfen 14, welcher in einer Führungsnut 26 läuft, an einer Verdrehung gehindert. Des Hydraulik-Medium wird durch den vorgeschobenen Druckkolben 5 durch den Durchströmungskanal 16 in den Druckregler 15 gedrückt. Von hier gelangt das Hydraulik-Medium durch den Durohströmungskanal 20 in die Auagleiohkammer 24. Der Austritt aus dem Durohstrdinungskanal 20 wird durch die exzentrisch auf der Enieachse 4 gelagerte und durch die Gegenmutter 11 festgelegte Scheibe Scheibe 10 gesteuert. Die Scheibe 10 bildet ein Absperrorgan, das bei den ersten Bewegungsgraden einer beginnenden Beugung den Durchströmungskanal 2D freigibt. Des in die Ausgleichskammer 24 strömende Hydraulik-Medium drückt den auf der Knieaohse 4 freibeweglich gelagerten Ausgleichskolben 6 gegen die Druckfeder 12 zurück. Die Druckfeder 12 wird durch die Abschlusskappe 3 in ihrer Druckkraft eingestellt.
In der Abschlusskappe 3 ist die Xnieachse 4 gelagert.
Entsteht während der Beugung, etwa bei veränderten statischen Einflüssen, plötzlich eine grössere Beugungskraft, so wirkt diese auf den Druckkolben 5 und es entsteht in der Druckkammer 27 ein überhöhter Druck, der den Steuerkolben 17 hoohdrüokt und den Durchströmungskanal 16 blockiert und so eine unzulässige Beschleunigung verhindert.
Durch ein Drosselventil 21 wird die Strömungsgesohwindigkeit des Druckmediums verändert und auf einen Normalwert der Drehgeschwindigkeit der Knieaohse 4 eingestellt. Ist eine bestimmte Geschwindigkeit der Knieaohse 4 durch das Drosselventil 21 eingestellt, so wird auch der Druderegler 15 durch die Schraubkappe 19 die Druckfeder 18 auf einen bestimmten Wert eingestellt. Wird die Schraubkappe 19 so eingestellt, dass die Druckfeder 18 sehr weich wirkt, so verschliesst der Xolbenschieber 17 schon bei geringen Drehgeschwindigkeitsabweichungen der Enieachse 4 den Durohströmungskanal.
16. Es kann also so eine individuell auf den Prothesenträger abgestimmte Einstellung des gesamten Hydraulik*Sy3tems vorgenommen werden.
Bei Bei der Streckung des Beines kommt es dsrauf an, dass das Hydraulik-Medium aus der Ausgleichskammer 24 möglichst schnell in die Druckkammer 23 gelangt. Dies geschieht über den Strömungsweg 28, der dadurch ein Einwegventil gesteuert wird, das von der Kugel 8 gebildet wird, welche unter der Wirkung der Feder 7 steht. Die Feder 7 stützt sich mit ihrem freien Ende gegen den Segerring 9.
Ist die Ausgangsstellung, also Streckstellung, erreicht, so verschliesst die mit der Enieachse 4 bewegte Steuerscheibe 10 den Durchströmungskanal 20. Die Vorschubkurve 28 verläuft eo, dass sie bei weiterer Streckbewegung den Dru¢kkolben 5 wiederum vorschiebt. Durch die Absperrung des Durohströmung@kanals 20 entsteht eine Druckerhöhung in der Druckkammer 27 und der oueuerkolben 17 verschliesst den Durchströmungskanal 16. zu . Es kommt zu einer voll hydraulischen Bewegungsbegrenzung, die keine stossende Wirkung auf das Xunstbein ausübt.
Die Form der Vorschubkurve 29, die in Fig.1 gestrichelt gezeichnet ist, ergibt sich aus dem Reziprok-Wert der in α umgerechneten Veränderungen der gemessenen Winkelwerte.
Die Vorschubkurve verhält sich umgekehrt proportional zu der Beugungskurve. Hierdurch wird erreicht, dass der Ölstrom aus der Druckkammer 23 in die Ausgleiohskammer 24 immer gleichmässig bleibt und durch den Druckregler 17,18 überwacht wird.

Claims

Patentansprüche t 1. Künstliohes Kniegelenk für Beinprothesen mit zwischen die beweglichen Gliederteile geschalteter Hydraulik mit geschlossenem 3reislau ! des Druckmediums, dessen Strömungswiderstand durch ein Drosselorgan eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Hydraulik beeinflussten Bewegungen und deren Ablauf durch Kurvenbahnen gesteuert werden, deren Bahnverlauf auf die natürlichen Bewegungen abgestimmt ist.
2. Xünstliches Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Ablauf der Bewegungen durch in den Kreislauf des Druckmediums geschaltete, gesteuerte Drossel-Absperrorgane bestimmt wird0
3. KEnstliches Kniegelenk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hydraulik mit ihren Steuergliedern auf der zu steuernden Gelenkachse hintereinanderliegend angeordnet ist.
4. Xünstliches Kniegelenk nach Anspruch 1 und den Urteransprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einen Ring bildende, gegen Drehung gesichert geführte Druckkolben (5) mit seiner äusseren stirnfläche mit der fest auf der Gelenkachse sitzenden Steuerkurve (29) in Kontakt ist0
5. Künstliohes Kniegelenk nach Anspruch 1 und den Unteransprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in den hydraulischen hydraulischen Strömungsweg eingeschaltete, die Bewegungsgeschwindigkeit sichernde Drosselorgan (17,18,19) von einem federbelasteten Steuerschieber (17,18) oder Membranventil gebildet wird, auf welche der hydraulische und der atmosphärische Druck steuernd wirkt.
6. Künstliches Kniegelenk nach Anspruch 1 und den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das den Bewegungswinkel der Gliederteile begrenzende Steuerorgan von einem Drehschieber (10) auf der die Steuerwelle bildenden Gelenkachse (4) gebildet wird, welcher den Strömungsweg (20) des Druckmediums freigibt oder schliesst.
7. Eünstliches Kniegelenk nach Anspruch 1 und den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmittelkreis durch einen federbelasteten, auf der Gelenkachse gleitenden Kolben (6) abgeschlossen ist.