DE1491236C

DE1491236C - Artificial knee joint for leg prostheses

Info

Publication number: DE1491236C
Authority: DE
Inventors: Jan 7151 Weiler Prahl
Original assignee: Fa Wilhelm Julius Teufel, 7000 Stutt gart
Publication date: 1972-04-20

Description

Die Erfindung Lu'irilTt ein hydraulisch gesteuertes Kniegelenk für Beinprothese!!.The invention Lu'irilTt a hydraulically controlled Knee joint for leg prosthesis !!.

Es sind hydraulisch gesteuerte Kniegelenke bekannt, hei denen der Hydraulik-Zylinder im Unterschenkel gelagert ist und der Hydraulik-Kolben am Oberschenkel 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 Druckmediums, dessen Strömungsgeschwindigkeit durch ein Drosselorgan eingestellt wird.There are known hydraulically controlled knee joints, namely the hydraulic cylinder in the lower leg is stored and the hydraulic piston engages the thigh. There are also rotary piston systems known, which form the axis of rotation of the knee joint. The one between the moving leg parts switched hydraulics preferably has a closed circuit of the pressure medium, its Flow rate is adjusted by a throttle device.

Diese bekannten Systeme sehen eine Bewegungsdämpfung in einer oder beiden Bewegupgsrichtungen vor. Auf diese Weise lassen sich die natürlichen Verhältnisse des Gehens nicht erreichen.These known systems see movement damping in one or both directions of movement before. In this way, the natural conditions of walking cannot be achieved.

Um optimale Gangeigenschaften einer Kniegelenk-Prothese zu erhalten, müßte ein künstliches Kniegelenk die Bedingung erfüllen, daß die Zeitabschnitte Beugung—Streckung in dem gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die Zeitabschnitte, welche beim natürlichen Gang für diese Bewegungsbereiche benötigt werden. Die Winkelveränderungen bei der Beugung eines gesunden Kniegelenkes ergeben eine gleichmäßig abfallend. Bewegung. An dem tiefsten Beugt punkt geht die Beugung in einem seichten Bogen in eine sehr steil ansteigende Streckbewegung über.In order to obtain optimal gait characteristics of a knee joint prosthesis, an artificial knee joint would have to be used meet the condition that the flexion-elongation periods are in the same ratio to one another stand like the periods of time that are required for these areas of movement during natural gait will. The changes in angle when flexing a healthy knee joint result in a uniform sloping. Move. At the lowest point of flexion, the flexion goes in in a shallow arc a very steep stretching movement.

Die Bewegungsveihältni>se sind in der Zeichnung in Fig. 1 veranschaulicht. In den Fig. 2 und 3 sind zwei maßgebende Stellungen eines Beines gezeigt.The movement conditions are shown in the drawing illustrated in fig. In FIGS. 2 and 3, two decisive positions of a leg are shown.

Die Ordinate der Fig. 1 gibt den Winkel zwischen Ober- und Unterschenkel an und erfaßt den Bereich von 120' bis zur Strecklage 180°. Die Ordinateneinheit entspricht 6^. \ ist die Abweichung von der Strecklage .m Bogenmaß. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen. Die Zeiteinheit ist ¹Ae Sekunde.The ordinate of FIG. 1 indicates the angle between the upper and lower legs and covers the range from 120 'to the extended position of 180 °. The ordinate unit corresponds to 6 ^. \ is the deviation from the straight position .m radians. The time is plotted on the abscissa. The time unit is ¹ Ae second.

175' ist in etwa die Normalstellung des Beines kurz vor Beginn der Beugung. ¹As Sekunde später hat sich dieser Winkel um 4° verändert. Mit weiter ablaufenden Zeiteinheiten läßt sich der Verlauf der Beugung bis zur maximalen Beugung in 6 Zeiteinheiten verfolgen (durchgezogene Linie).175 'is roughly the normal position of the leg shortly before the start of flexion. ¹ A second later, this angle has changed by 4 °. With further time units, the course of the flexion up to the maximum flexion can be followed in 6 time units (solid line).

Das Verhältnis der Zeiten von Beugung und Streckung ist etwa 6 : 5, auf 175^ bezogen sogar nur 6:4,5.The ratio of the times of flexion and extension is about 6: 5, based on 175 ^ even only 6: 4.5.

Bereits kurz nachdem die Beugung des Standbeines beginnt, muß das Schwungbein die maximale Streckstcllung erreicht haben. Tritt bei der Streckung ei'ie zeitliche Verzögerung ein, so muß der Patient diese Verzögerung durch überhöhte Konzentration ausgleichen. Soll der Zeitabschnitt der Streckung dem natürlichen Gang entsprechen, so muß die Streckung eines künstlichen Kniegelenkes mit einer großen Beschleunigung ausgeführt werden. Eine Abbremsung der streckenden Bewegung würde wieder eine zeitliehe Verzögerung der Streckung bedeuten und so das angestrebte Zeitverhältnis stören.Shortly after the standing leg begins to flex, the swing leg must reach its maximum extension achieved. If there is a time lag in extension, the patient must do so Compensate for delay caused by excessive concentration. Should the stretching period be the natural gait, the extension of an artificial knee joint must be very accelerated are executed. Braking the stretching movement would again be temporal Delay in the stretching and thus disrupt the desired time ratio.

Durch die große Beschleunigung der Streckung besteht die Gefahr eines harten Anschlagens der mechanischen Bewegungsbegrenzung. Diese harte Bcwegungsbcgrenzung führt zu einem Stoßen in der Prothese und so wiederum zur psychischen Belastung des Patienten. Würde dieser mechanische Anschlag durch einen Voranschlag gedämpft werden, so käme es wieder zu einer zeitlichen Verzögerung der Streck- »v.'wegunji. Weitere nachteilige Beeinflussungen des Ciungbildes eines Prothesenträgers sind die statischen Veränderungen, wie sie etwa beim Herabgellen von einer schragen Ebene wirksam werden. Durch diese statischen Veränderungen wird die Beugung mit einer größeren Kraft eingeleitet. Es kommt zur überhöhten Drehbewegung um die Knieaclv.-,e und es gelingt dem Protheseiitriiger nur schwer, dieses nadi vorn herausbrechende Kniegelenk unter Kontrolle /u halten. Hohe Konzentration ist auch hier wieder die Folgeerscheinung, die den Prothesenträger bis zur Angstpsychose beanspruchen kann.Due to the great acceleration of the stretching there is the risk of the mechanical movement limitation hitting hard. This hard movement limit leads to a bump in the prosthesis and thus in turn to psychological stress on the patient. Would this mechanical stop are dampened by an estimate, there would be a delay in the stretching »V.'wegunji. Further adverse effects on the The static images of a prosthesis wearer are Changes, such as those that take effect when falling down from an inclined plane. Through this static changes, the flexion is initiated with a greater force. It comes to the excessive Rotational movement around the knee acv-, e and it is difficult for the prosthesis to pull this nadi Keep the knee joint breaking out in front under control / u. Here, too, the focus is again high A consequence that can stress the prosthesis wearer to the point of fear psychosis.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein künstliches Kniegelenk für Beinprothesen mit zwischen die beweglichen Gliederteile geschalteter Hydraulik mit geschlossenem Kreislauf des Druckmediums, dessen Strömungswiderstand durch ein Drosselorgan eingestellt wird, zu schaffen, welches die erörterten Bedingungen für ein dem natürlichen Gang entsprechendes Gehen ermöglicht und gleichzeitig soll erreicht werden, den gesamten Steuerungsvorgang auf kleinstem Raum zu verwirklichen.The object of the invention is to provide an artificial knee joint for leg prostheses with between the moving parts of switched hydraulics with a closed circuit of the pressure medium, whose flow resistance is adjusted by a throttle element to create which enables and at the same time the discussed conditions for walking in accordance with the natural gait the aim is to realize the entire control process in the smallest of spaces.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein einen Ring bildender Druckkolben auf der zu steuernden Knieachse geführt und im Gehäuse gegen Verdrehung gesichert ist, daß die äußere Stirnfläche dieses Druckkolbens mit einer Steuerkurve in Kontakt steht, die fest mit der Achse verbunden ist, daß ein den Abschluß der Ausgleichskammer bildender weiterer Kolben ebenfalls auf der Achse geführt ist und durch eine Feder in Richtung zur Steuerkurve gedrückt wird, daß eine Druckkammer mit der Ausgleichskammer über Strömungswege mit Ventilen in Verbindung steht und daß der Bahnverlauf der Steuerkurve auf die natürlichen Bewegungen abgestimmt ist.This is achieved according to the invention in that a pressure piston forming a ring on the to controlled knee axis and secured in the housing against rotation that the outer end face this pressure piston is in contact with a control cam which is firmly connected to the axis that another piston forming the end of the compensation chamber is also guided on the axis and is pressed by a spring in the direction of the control cam that a pressure chamber with the compensation chamber is in communication with valves via flow paths and that the trajectory of the control curve is matched to the natural movements is.

Die Hydraulik läßt dabei nur die durch die Steuerkurve, wie in Fig. 1 gezeigt ist, festgelegten Bewegungen des Kniegelenkes bzw. der Beinprothese zu und ermöglicht so dem Träger ein störungsfreies Gehen, das auch im Gangbild dem natürlichen Gang weitgehend entspricht. Der Zeiablauf der Bewegungen wird noch zusätzlich durch gesteuerte Drossel-Absperrorgane geregelt und damit werden auch Störungen im Gang, die durch Steigungen, Gefälle und dergleichen Hindernisse auftreten können, ausgeglichen. The hydraulics only allow the control cam, as shown in Fig. 1, fixed movements of the knee joint or the leg prosthesis and thus allows the wearer a trouble-free Walking that largely corresponds to the natural gait in terms of its gait pattern. The course of the movements is additionally regulated by controlled throttle shut-off devices and thus also malfunctions in the corridor, which can occur due to inclines, declines and similar obstacles, balanced.

Die Hydraulik wird 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 Druckausgleichkolben können als fliegende Kolben auf der Gelenkachse angeordnet werden.The hydraulic system is arranged with its control elements on the joint axis, making it more space-saving Reliable overall construction enables the carrier of the control cam on the control shaft set is brought into effect directly on the plunger. The plunger and also the Spring-loaded pressure compensation pistons can be arranged as flying pistons on the joint axis will.

Das in den Strömungsweg des Druckmediums eingeschaltete, die Bewegungsgeschwindigkeit zusätzlich sichernde Regelorgan wird von einem federbelasteten Steuerschieber oder Membranventil gebildet, auf welche der hydraulische und der Federdruck steuernd wirkt. Es wird so bei abnormalen Belastungen eine schnelle aber stoßfreie Drosselung beim Abfangen der zu schnellen Bewegungen des Beines erreicht.The switched on in the flow path of the pressure medium, the speed of movement in addition The securing control element is formed by a spring-loaded control slide or diaphragm valve which control the hydraulic and spring pressure. It becomes one with abnormal loads fast but smooth throttling achieved when intercepting the too fast movements of the leg.

Die Erfindung ist in F i g. 4 im Mittelschnitt an einer beispielswciscn Ausführungsform veranschaulicht. The invention is shown in FIG. 4 illustrates in center section on an exemplary embodiment.

Das Gehäuse 1 wird fest mit dem Oberschenkelteil der Prothese verbunden. Der Unterschenkel wird durch den Befestigungskonus 22 mit der Knieachsc 4 fest verbunden. Das Gehäuse 1 ist durch eine Verschluß-The housing 1 is firmly connected to the thigh part of the prosthesis. The lower leg is through the fastening cone 22 is firmly connected to the knee axis 4. The housing 1 is closed by a closure

kuppe 2 abgeschlossen, in der gleichzeitig die Knieaehse 4 gelagert ist. Auf der Knieachse 4 ist der die Steuerkurve 29 tragende Ringkörper 25 mit einer Paßfeder 13 festgelegt. Jede Drehbewegung der achse 4 gleitende Druckkolben 5 vorgeschoben, kurve 29. Hierdurch wird der frei auf der Knie-Knieachse 4 gleitende Druckkolben 5 vorgeschoben, wodurch sich die Druckkammer 23 in ihrem Volumen verkleinert. Der Druckkolben 5 ist durch einen Führiingszapfen 14, welcher in einer Führungsnut 26 läuft, an einer Verdrehung gehindert. Das Hydraulik-Medium wird durch den vorgeschobenen Druckkolben S durch den Durchströmungskanal 16 in den Druckregler 15 gedrückt. Von hier gelangt das Hydraulik-Medium durch den Durchströmungskanal 20 in die Ausgleichkammer 24. Der Austritt aus dem Durchströmungskanal 20 wird durch die ex?.entrisch auf der Knieachse 4 gelagerte und durch die Gegenmutter 11 festgelegte Scheibe 10 gesteuert. Die Scheibe 10 bildet ein Absperrorgan, das bei den ι ersten Bewegungsgraden einer beginnenden Beugung den Durchströmungskanal 20 freigibt. Das in die Ausgleichskammer 24 strömende Hydraulik-Medium drückt den auf der Knieachse 4 freibeweglich gelagerten Ausgleichskolben 6 gegen die Druckfeder 12 zu- ; rück. Die Druckfeder 12 wird durch die Abschlußkappe 3 in ihrer Druckkraft eingestellt. In der Abschlußkappe 3 ist die Knieachse 4 gelagert.top 2 completed, in which the knee axle 4 is stored at the same time. On the knee axis 4, the ring body 25 carrying the control cam 29 is fixed with a feather key 13. Each rotary movement of the axis 4 sliding pressure piston 5 is advanced, curve 29. As a result, the pressure piston 5 sliding freely on the knee-knee axis 4 is advanced, whereby the pressure chamber 23 is reduced in volume. The pressure piston 5 is prevented from rotating by a guide pin 14 which runs in a guide groove 26. The hydraulic medium is pressed by the advanced pressure piston S through the flow channel 16 into the pressure regulator 15. From here the hydraulic medium passes through the flow channel 20 into the compensation chamber 24. The exit from the flow channel 20 is controlled by the disc 10, which is mounted ex-centrically on the knee axis 4 and fixed by the counter nut 11. The disk 10 forms a shut-off device which releases the flow channel 20 at the first degrees of movement of an incipient flexion. The hydraulic medium flowing into the compensation chamber 24 presses the compensation piston 6, which is freely movably mounted on the knee axis 4, against the compression spring 12; back. The compression spring 12 is adjusted in its compressive force by the end cap 3. In the end cap 3, the knee axis 4 is mounted.

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 hochdrückt und den Durchs" römungskanal 16 blockiert und so eine unzulässige Beschleunigung verhindert.If during flexion, for example with changed static influences, a greater flexion force suddenly arises, so this acts on the pressure piston 5 and there is an excessive pressure in the pressure chamber 27 Pressure that pushes the control piston 17 up and blocks the passage 16 and thus an impermissible one Acceleration prevented.

Durch ein Drosselventil 21 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Druckmediums verändert und auf einen Normalwert der Drehgeschwindigkeit der Knieachse 4 eingestellt. Ist eine bestimmte Geschwindigkeit der Knieachse 4 durch das Drosselventil 21. eingestellt, so wird auch der Druckregler 15 durch die Schraubkappe 19 und Druckfeder 18 auf einen bestimmten Wert eingestellt. Wird die Schraubkappe 19 so eingestellt, daß die Druckfeder 18 sehr weich wirkt, so verschließt der Steuerkolben 17 schon bei geringen Drehgeschwindigkeitsabweichungen der Knieachse 4 den Durchströmungskanal 16. Es kann also so eine individuell auf den Prothesenträger abgestimmte Einstellung des gesamten Hydraulik-Systems vorgenommen werden.The flow rate of the pressure medium is changed by a throttle valve 21 and set to a normal value of the rotational speed of the knee axis 4. Is a certain speed the knee axis 4 is set by the throttle valve 21, so the pressure regulator 15 is also through the screw cap 19 and compression spring 18 set to a certain value. Will the screw cap 19 set so that the compression spring 18 acts very softly, the control piston 17 already closes in the case of small deviations in the rotational speed of the knee axis 4, the flow channel 16. It can So a setting of the entire hydraulic system that is individually tailored to the prosthesis wearer be made.

Bei der Streckung des Beines kommt es darauf an, daß das Hydraulik-Medium aus der Ausgleichskammer 24 möglichst schnell in die Druckkammer gelangt. Dies geschieht über den Strömungsweg 28, der durch 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.When extending the leg, it is important that the hydraulic medium from the compensation chamber 24 as quickly as possible into the pressure chamber got. This is done via the flow path 28, which is controlled by a one-way valve that is controlled by the ball 8 is formed, which is under the action of the spring 7. The spring 7 is supported with her free end against the Segerring 9.

Streckstelluni:. meachse 4 bewStreckstelluni :. axis 4 mov

t;Si S de^meah ^t; Si S de ^ meah ^

reicht, so verse,OH^ _chstriimungskanal 2(1 Dieenough, so verse, OH ^ _chstriim ungskanal 2 (1 The

Steuerkurve 29 v.ruiiii wiederum ■ or-Control curve 29 v.ruiiii turn ■ or-

Streckbewegung den Dru
schiebt. Durch die AbspcStretching the Dru
pushes. Through the Abspc

Form derShape of

Ji₁ 5 wiederum ir-[cs Durchströmt..IlN der Dii:-:k- :l.li den er .oll )-Ji ₁ 5 again ir- [cs flow through..IlN der Dii: -: k-: l.li den er .oll) -

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Wert der in \ umgerecnneiL-n ν ^ Value of the in \ umgerecnneiL-n ν ^

messt-nen Winkelwerte. Die Steuerkurve verhält ich umgekehrt proportional zu der Knie-Beugungskurve. Hierdurch wird erreicht, da·.' der ölstrom aus der Druckkammer 23 in die Ausgleiciiskammer 24 immer gleichmäßig bleibt und durch den Druckregler 17.18measure angular values. The control curve behaves myself inversely proportional to the knee flexion curve. This achieves that ·. ' the oil flow from the Pressure chamber 23 in the balancing chamber 24 always remains uniform and through the pressure regulator 17.18

überwacht wird.is monitored.

Claims

Patent claims:

1. Artificial knee joint for leg prostheses with a switched between the movable limb parts Hydraulics with a closed circuit of the pressure medium, its flow resistance is set by a throttle member, characterized in that a one Ring-forming pressure piston (5) guided on the knee axis (4) to be controlled and in the housing (1) is secured against rotation (14, 26) that the outer end face of this pressure piston (5) with a control cam (29) is in contact, which is firmly connected to the axis (4) that a conclusion the compensation chamber (24) forming further piston (6) also on the axis (4) is guided and is pressed by a spring (12) in the direction of the control cam (29) that a Pressure chamber (23) with the compensation chamber (24) is in communication with valves (7 to 9, 16 to 21) via flow paths and that the course of the path the control cam (29) is matched to the natural movements.

2. Knee joint according to claim 1, characterized in that one of the valves (7 to 9) is direction-dependent is.

3. knee joint according to claim 1, characterized in that in the bidirectional Flow path (16 to 21) a throttle member (17 to 19) is used, which when a given pressure is actuated and the flow :. * eg locks.

4. knee joint according to claim 1, characterized in that in the bidirectional Flow path (16 to 21) a soap fever (10) is arranged. that of the rotary motion of the ·· axis (4) is controlled.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings