DE1808934A1

DE1808934A1 - Myoelektrische Steuerschaltung fuer proportional gesteuerte servomotorisch betaetigte Kunstglieder

Info

Publication number: DE1808934A1
Application number: DE19681808934
Authority: DE
Inventors: Richard Prassel; Alfred Prillmann
Original assignee: VIENNATONE HOERGERAETE ING KOE
Current assignee: VIENNATONE HOERGERAETE ING KOE
Priority date: 1967-12-29
Filing date: 1968-11-14
Publication date: 1969-07-17
Also published as: AT283586B; DE1808934B2; DE1808934C3

Description

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i'Viennatone Hörgeräte" Ing. Köhler und Ing. May Kommanditgesellschaft, Wien

Myoelektrisch^ Steuerschaltung für proportional gesteuerte servomotorisch betätigte Kunstglieder

Die Erfindung betrifft servomotorisch betätigte Kunstglieder, insbes. eine Unterarm-Handprothese, deren Handteil etwa als Greif- und Drehhand ausgeführt ist, zu welchem Zwecke sie einen wahlweise den Greif- oder Drehmechanismus antreibenden Elektromotor enthält, der von einer Steuerschaltung beherrscht wird, die ihre Befehle in Form von Myospannungen erhält, die durch willkürliches Spannen von Muskeln der die Prothese tragenden Person gewonnen werden. Diese Person trägt die zur Speisung des Motors dienende Batterie mit sich.

Bekanntlich können an der Hautoberfläche des menschlichen Körpers diese Myospannungen (Wechselspannung von einigen Hertz und bis etwa 5 kHz) mittels Kontaktelektroden abgenommen werden.

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Die Größe dieser Myospannung ist proportional der Kraft, die der Muskel aufbringt, d.h. bei einem schwach gespannten Muskel ist die Spannung kleiner als bei einem stärker gespannten Muskel. Der Proportionalitätsfaktor ist jedoch individuell unterschiedlich. Die absolute Größe dieser Myospannungen ist sehr gering; sie be-

etwa
trägt/20/uV bis 1 oo/UV.

Bs sind Steuerschaltungen für Handprothesen bekannt, die auf digitaler Basis und solche, die proportional gesteuert arbeiten. Die digitale Steuerung wirkt so, daß sie bei Auftreten eines Einschaltimpulses den Motor in Gang setzt, der mit jener Drehzahl, welche der angelegten Speise- (Batterie-)spannung entspricht, rotiert; nach Auftreten des Abschaltimpulses wird der Motor stillgesetzt. Die Proportionalsteuerung hingegen erlaubt es zusätzlich auch die Drehzahl des Motors und damit die Arbeitsgeschwindigkeit der Prothesenmechanik zu regeln und zwar in Abhängigkeit vom Spannungszustand des steuernden Muskels: bei gering gespanntem Muskel läuft der Motor langsam, bei stark gespanntem Muskel läuft er schneller und es leuchtet ein, daß eine so beschaffene Prothese ihrem Träger weit mehr Nutzen bringt als ein bloß digital gesteuertes Antriebssystem. Da die .Energiequelle (Batterie) der Steuerschalteinrichtung und für die Speisung des Prothesenmotors möglichst leicht sein soll, trachtet man nach bestmöglichem Wirkungsgrad dieser Steuer- und Antriebssysteme. Bei digitaler Steuerung ist dies am einfachsten zu lösen, da es nur zwei Betriebszustände gibt: Strom eingeschaltet = Motor läuft, Strom ausgeschaltet = Motor steht. Die Proportionalsteuerung hingegen arfordert zusätzliche Maßnahmen,

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da die Motordrehzahl variabel sein soll. So kann man die je nach Stärke der Kontraktion des Muskels mit unterschiedlicher Größe auftretenden Myospannungen elektrisch integrieren und mit dem Integralwert eine Gleichspannung steuern, die an den Elektromotor gelegt wird, der (über weitere bewegliche Kraftübertragungsmittel) die künstliche Hand öffnet oder schließt bzw. die Hand als Ganzes in der Handwurzel dreht. Da jedoch die Motorverluste bei kleiner

der Wirkungsgrad werdender Gleichspannung nicht im gleichen Maß sinken, ist/dieses Systemsnur über einen sehr kleinen Drehzahlbereich annehmbar, was jedoch aus dem Gesichtspunkt der Stromversorgung der Prothese nachteilig ist. Eine andere bekannte proportional gesteuerte Schaltung benutzt als integrierendes Element den Motor und steuert in der Weise, daß die Zeitabstände, in welchen die vom gespannten Muskel abgegebenen Impulse auftreten, die Drehzahl des Motors festlegen. Dies bedingt den Nachteil, daß die Batterieleistung nicht voll ausgenützt wird, weil die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen bestehenden Zeitabstände für die Steuerung des Motors verloren sind. Ein weiterer Nachteil dieser Proportionalsteuerung besteht darin, daß sehr niedrige Motordrehzahlen nicht oder nur schwer einstellbar sind, weil diese Steuerung ab. einem gewissen Impulsmindestabstand nicht mehr zufriedenstellend arbeitet.

Die vorliegende myoelektrische Steuerschaltung für proportional gesteuerte servomotorisch betätigte Kunstglieder, insbes. Armprothesen mit Kunsthand, gehört jener Art an, deren Antriebsmotor für die Zeit seiner Tätigkeit impulsweise an Spannung liegt und sie vermeidet die angeführten Nachteile erfindungsgemäß dadurch,

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daß mit einer konstanten Impulsfolgefrequenz gearbeitet wird und die Myospannung die Impulsbreite der servomotorisehen Steuerspannung bestimmt. Die Impulsfolgefrequenz wird auf die mechanischen Gegebenheiten des Motors und des nachgeschalteten Getriebes abgestimmt. Das die Impulsbreiten bestimmende Schaltglied kann als Stromtrigger oder als synchronisierter bistabiler Multivibrator ausgeführt sein» In der Regel wird ein Kunstglied der hier interessierenden Art mit zwei vorzugsweise zueinander symmetrischen Steuerkanälen, nämlich für Vor- und Rücklauf des Servomotors, ausgeführt. In diesem Fall liegt ein weiteres Merkmal der Erfindung darin, daß vom impulsbestimmenden Glied eine Sperre zum anderen Kanal hin erfolgt.

Das schematische Blockschaltbild zeigt in Fig.. 1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Proportionalsteuerschaltung; die Fig, 2 und 3 sind Spannungs-Zeitdiagramme und dienen der Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Steuerschaltung.

Von einem Impulsgenerator 1, Fig. 1, mit konstanter Frequenz* etwa einem Multivibrator, wird mittels eines Impulsformers 2 eine Sägezahnspannung abgeleitet. Je nach abgegebener Myospannung, die mittels der lastelektroden 3 und 3a am Ende des Öffnungs- bzw. Schließmuskels der Finger oder der Hand am Armstumpf abgenommen werde, entsteht an der Integrationskette (bestehend aus Verstärker 4, 5> 6 bzw. 4a, 5a, 6a) eine Gleichspannung . Diese Gleichspannung (Fig. 2a), die proportional dem Spannungszustand des Muskels ist, wird zur Sägezahnspannung (Fig. 2b) addiert. Dadurch wird ein Stromtrigger 7 bzw. 7a ab einem bestimmten Schwellwerk (Einschaltpegel Ee, Fig. 2c) geöffnet und derselbe: schließt, wenn auf Grund der Sägezahnspannung eine untere Schwelle (Ausschaltpegel Ea, Fig. 2c)

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unterschritten wird. Am Ausgang des Impulsformers, im gegenständlichen Fall als Stromtrigger 7 und 7a ausgeführt, steht das Steuersignal (Fig. 2a) für den elektronischen Schalter zur Verfugung. Die Größe der" am Ausgang des Integrators 7, 7a entstehenden Gleichspannung, die den Impulsen des Impulsformers 2 überlagert und an den Stromtrigger 7 gelegt wird, bestimmt die Breite b der Impulse, die der elektronische Schalter 8 der (nicht dargestellten aber mit ihm verbundenen) Batterie des Systems entnimmt und an den Servomotor M legt (Fig. 2d). Ab einer bestimmten Höhe der aus dem Integrator 6 bzw. 6a kommenden Gleichspannung kann die Sägezahnspannung den Stromfluß nicht mehr unterbrechen, der Motor läuft normal mit Gleichstromspeisung, vgl. Fig. 3a-d, wobei U, in Fig. 2d und 3d die Batteriespannung angibt. Bs ist ersichtlich, daß mit dem Ansteigen der vom Muskai gelieferten Impulse auch die integrierte Spannung, Fig. 2a, größer wird und damit die Breite/der den Motorschalter steuernden Signalimpulse zunimmt, und umgekehrt.

Auf Grund der vorliegenden Schaltungsanordnung ist eine Motorsteuerung für elektromotorisch gesteuerte Unterarmprothesen möglich, die von kleinen Geschwindigkeiten des Motors (schmale Impulse 6, Fig. 2d) bis zur vollen Ausnutzung der Batteriespannung (Schalter dauernd eingeschaltet, Fig. 3d), reicht.' Bei schmalen Impulsen wird der Motor nur impulsweise, aber mit voller Batteriespannung XJ-D gespeist und überbrückt die stromlosen Zeiträume T, die zwischen den Impulsen b bestehen, durch Schwung. Eine besondere Schwungmasse ist nicht erforderlich, wenn die Impulsfolge entsprechend gewählt wird.

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Eine gegenseitige Sperre 9, Fig. 1, der beiden Kanäle, die von den Stromtriggern abgeleitet wird und so wirkt, daß bei Arbeiten des einen Kanals, z. B. 4-5-6-7, der andere Kanal, also 4a-5a-6a-7a gesperrt ist, verhindert,daß der Steuerschalter 8 gleichzeitig von beiden Seiten im Öffnungssinn beeinflußt wird.

Wesentlich ist, daß die volle Batteriespannung sowohl bei langsamem Motorlauf als auch im Schnellaufzustand wirksam ist, Diese Art der Schaltung vermeidet die Nachteile der bisher bekannten Schaltungen.

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Claims

• ■-'■ Λ <■- « !' !! Ii!!! «■· | Il 1!<||1!Ι!;; Patentansprüche

1. Myoelektrische Steuerschaltung für proportional gesteuerte servomotor!sch betätigte Kunstglieder, insbes. Armprothesen, wobei deren Antriebsmotor für die Zeit seiner Tätigkeit impulsweise an Spannung gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit konstanter Impulsfolgefrequenz gearbeitet wird und die Myospannung die Impulsbreite der servomotorischen Steuerspannung bestimmt.

2. Myoelektrische Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Impulsbreiten bestimmende Schaltglied als Stromtrigger ausgeführt ist.

3. Myoelektrische Steuerschaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das die Impulsbreiten bestimmende Schaltglied als synchronisierter bistabiler Multivibrator ausgeführt ist.

4. Myoelektrische Steuerschaltung nach einem der Ansprüche

1 bis 3» mit zwei vorzugsweise zueinander symmetrischen Steuerkanälen für Vor- und Rücklauf, dadurch gekennzeichnet, daß vom impulsbestimmenden Glied eine Sperre zum anderen Kanal hin erfolgt.

Der Patentanwalt:

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