DE3509879A1

DE3509879A1 - Ellenbogengelenk fuer kuenstliche arme

Info

Publication number: DE3509879A1
Application number: DE19853509879
Authority: DE
Inventors: Martin Kemp
Original assignee: Hugh Steeper Ltd
Current assignee: Hugh Steeper Ltd
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1985-03-15
Publication date: 1985-09-19
Anticipated expiration: 2005-03-16
Also published as: GB2155790B; US4636221A; DE3509879C2; GB8406928D0; GB2155790A

Description

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Beschreibung :
"Ellenbogengelenk für künstliche Arme"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ellenbogengelenk für künstliche Arme mit einem axial bewegbaren Bolzen zum Verriegeln des Gelenkes, einem Schlitten, an dem der Bolzen gelagert ist, und elektrischen Antriebsmitteln, die den Schlitten auf einem Träger zwischen zwei Stellungen bewegen.

Mit "Armen" sind solche von Menschen wie auch solche von Robotern u.dgl. gemeint.

Bei einem bekannten Gelenk dieser Art wird der Bolzen durch die elektrischen Antriebsmittel direkt bewegt. Hierbei wird relativ viel Energie verbraucht, nämlich während der gesamten Zeit, in der der Träger des Gelenkes eine Armverschwenkung vollführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs erwähnte Gelenk derart auszubilden, daß der Energieverbrauch reduziert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an dem Schlitten eine Feder vorgesehen ist, die den Bolzen in eine Verriegelungsstellung drückt, wenn sich der Schlitten in der einen Stellung befindet, und in eine Entriegelungsstellung drückt, wenn sich der Schlitten in uer anderen Stellung befindet.

Auf diese Weise wird erreicht, daß weniger Energie verbraucht wird als in dem bekannten Fall, da die Energie nur während einer sehr kurzen Zeit, nämlich während der Zeit aufgewendet wird, die erforderlich ist, um die Feder zu spannen.

Es sei erwähnt, daß bereits ein künstliches Ellenbogengelenk bekannt ist, bei dem ein Verriegelungsbolzen durch eine Feder (in diesem Falle eine Spiralfeder) beaufschlagt wird. Indessen wirkt

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in diesem Falle die Feder nur in eine Richtung, nämlich zum Verriegeln des Bolzens. Die Federkraft kann nicht dazu verwendet werden, um den Bolzen in der Entriegelungsstellung zu halten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Perspektive,

Fig. 2 eine Seitenansicht derselben, teilweise geschnitten,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine Ansicht ähnlich der der Fig. 4, wobei jedoch die dargestellten Teile eine andere Position zueinander haben und

Fig. 6-9 einen Ausschnitt aus Fig. 2, wobei sich die dargestellten Komponenten in verschiedenen Positionen zueinander befinden.

Das Ellenbogengelenk weist einen Bolzen 10 auf, der in axialer Richtung bewegbar ist. Dieser besitzt eine konisch geformte Nase 12, die in ein Loch 14 von mehreren, kreisförmig auf einer Quadrantplatte 16 angeordneten Löchern, eindringen kann. Ist die Nase in ein Loch 14 eingedrungen, verhindert sie jedwede Bewegung der beiden Glieder 18 relativ zu einer Grundplatte 20 und zweier Backen 22, die auf der Grundplatte 20 mittels Bolzen 24 und 26 befestigt sind. An den Gliedern 18 ist ein Unterarm und an der Grundplatte 20 ein Oberarm befestigt. Die beiden Glieder 18 sitzen an den Enden einer Welle 28, die durch die Quadrantplatte 16 hindurchläuft. Die Welle 28 und die Quadrantplatte sind fest miteinander verankert. Die Welle 28 wird von den Backen 22 gehalten.

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Die Grundplatte 20 trägt auf ihrer Oberseite einen Träger 30 und einen Elektromotor 32. Ferner weist die Grundplatte 20 auf ihrer Unterseite eine Ausnehmung auf (siehe Fig. 3)» in der sich ein Untersetzungsgetriebe 34 befindet, das zwischen einer Welle 36 des Motors 32 und einer Welle 38, die vertikal verläuft, angeordnet ist. Das obere Ende der Welle 38 wird von einem Lager 40 gehalten. An ihm sitzt außerdem eine Kurbelplatte 42, die an ihrer Oberseite mit einem Kurbelzapfen 44 versehen ist (siehe Fig. 3)· Letzterer sitzt in einem Rollenlager 46. Das Rollenlager 46 ruht in einer Querausnehmung 48 eines Schlittens 50, der auf einer horizontalen Fläche 52 des Trägers 30 gleiten kann. Der Schlitten 50 folgt somit den Bewegungen der Welle 38 derart, daß er sich parallel zu der Längsachse des Bolzens 10 hin und her bewegt.

Um die Bewegungen des Schlittens 50 zu begrenzen, ist ein Nocken 54 vorgesehen, der fest auf dem mittleren Teil der Welle 38 sitzt. Wie sich aus den Figuren 4 und 5 ergibt, hat der Nocken 54 auf seinem Umfang zwei flache Bereiche 56 und 58, die gegen eine Anschlagfläche 60 eines Riegels 61 anstoßen, wenn sich der Schlitten 50 in seinen beiden äußeren Lagen befindet.

Eine Schraubendruckfeder 62 umgibt mit Spiel den mittleren Teil des Bolzens 10, der von dem Schlitten 50 gehalten wird. Die Feder befindet sich in einer Ausnehmung 64 zwischen zwei Vorsprüngen 66 und 68 des Schlittens 50. Von dem Bolzen 10 ragen seitlich zwei Stifte 70 und 72 ab. Denen liegen zeitweilig (Einzelheiten siehe weiter unten) die Enden der Feder 62 an. Eine Drehung des Bolzens 10 um seine Längsachse wird durch eine Stift-Schlitz-Verbindung 74 verhindert. Diese Verbindung befindet sich zwischen dem Bolzen 10 und einem Teil 76 des Trägers 30.

Der Verriegelungsmechanismus arbeitet folgendermaßen:

Der Elektromotor 32 wird durch ein myoelektrisches oder anderes elektrisches Signal z.B. über einen Mikroschalter, in Gang gesetzt.

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In diesem Zeitpunkt ist der Verriegelungsmechanismus nicht in seiner Verriegelungsstellung, d.h. der Bolzen 10 und der Schlitten 50 befinden sich in der in Fig. 9 dargestellten Stellung. Der Motor bewegt über das Untersetzungsgetriebe 34 und die Kurbelzapfenanordnung 44,46 den Schlitten 50 in die Position, die die Fig. 6 zeigt, wobei die Feder 62 zwischen dem Vorsprung 68 des Schlittens 50 und dem Stift 70 an dem Bolzen 10 zusammengedrückt wird. Der Bolzen 10 wird durch die Federkraft beaufschlagt, so daß, wenn kein Loch 14 zu dem Bolzen 10 ausgerichtet ist, die Feder immer stärker zusammengedrückt wird. Der Nocken 54 ist so angeordnet, daß der Kurbelzapfen 44 über den Scheitelpunkt hinwegläuft, so daß die komprimierte Feder daran gehindert wird, den Schlitten zurückzubewegen. Der Motor wird ausgeschaltet, wenn die Halteposition erreicht ist, was dazu führt, daß weiterer Strom nicht verbraucht wird. Der Motor wird ausgeschaltet durch einen nicht dargestellten elektronischen Antriebskreis, der die Motorhaltebedingungen abtastet.

Die Feder 62 drückt auf den Bolzen 10, bis entweder die Quadrantplatte 16 bewegt wird, so daß der Bolzen 10 in ein Loch 14 eindringen kann und damit das Gelenk blockiert ist (siehe Fig. 7), oder ein anderes Steuersignal den Motor beaufschlagt, das den Schlitten in die Entriegelungsposition (siehe Fig. 8) bewegt. In dieser Position kann der Bolzen 10 daran gehindert werden_fsich zu bewegen aufgrund einer besonders starken Bewegung der Quadrantplatte 16, die eine Reibungskraft auf den Bolzen ausübt, die grosser ist als die Federkraft. Wenn dann diese Reibungskraft aufhört, wirkt die komprimierte Feder 62 (siehe Fig. 8) auf den Stift 72 derart, daß die Nase 12 des Bolzens 10 aus dem Loch 14 herauskommt.

Der Verriegelungsmechanismus hat zahlreiche Vorteile:

1. Der Verbrauch an elektrischer Energie des Motors 32 ist reduziert, indem die Betätigungskraft für den Bolzen 10 in der Feder 62 gespeichert ist. Ein Patient benötigt ein oder zwei

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Sekunden, um die Quadrantplatte 16 auszurichten, wohingegen 1/10 Sekunde erforderlich ist, um den Schlitten 50 gegen die Kraft der Feder 62 zu bewegen.

2. Die Kraft, die auf den Bolzen 10 wirkt, damit dieser in die Quadrantplatte eingreift bzw. von dieser gelöst wird, ist unabhängig vom Motor 32 und dem Ladezustand der Batterie. Sie hängt vielmehr allein von der Steifigkeit der Feder 62 ab. Das ist besonders wichtig für den Fall des Entriegeins: Es ist möglich, einen Federwert zu wählen, der ein ungewolltes Entriegelungssignal daran hindert, eine Entriegelung zu verursachen, wenn eine schwere Last getragen wird. Eine Entriegelung erfolgt nur, wenn der Patient die Last unterstützt und auf diese Weise die Bewegung des Bolzens 10 ermöglicht.

3· Das Antriebssystem ist gegenüber Schockbelastungen gesichert, die auf den Verriegelungsmechanismus wirken können. Es ist insofern besonders leicht ausgebildet.

Das Ellenbogengelenk können Patienten verwenden, die einen schwer arbeitenden, mechanischen Blockierungsmechanismus haben. Hinzu kommt, daß die energiebeaufschlagte Blockierungsvorrichtung die Benutzung erleichtert in Verbindung mit einer servogesteuerten Hand, gesteuert durch einen hinteren Gurt, da dieser ebenso für eine Ellenbogenverschwenkung verwendet werden kann. Wenn ein Mikroschalter oder ein anderes Fühlglied durch den Verriegelungsbolzen betätigt wird, kann die Energie für die Hand ausgeschaltet werden, während der Ellenbogen verschwenkt wird, und kann andererseits angeschaltet werden, wenn der Ellenbogen verriegelt wird, wobei jede Fehlsteuerung vermieden wird.

Claims

DIPL.-INQ. DIETER JANDER DR.-INQ. MANFRED BÖNINQ PATENTANWÄLTE European Patent Attorneys KURFÜRSTENDAMM 66 1 BERLIN 15 Telefon: 030/8 83 50 71 /72 Telegramme: Consideration Benin 15. März 1985 227/19 590 DE Anmeldung der Firma Hugh Steeper Limited 237-239 Roehampton Lane London SW15 4LB, ENGLAND Ansprüche :

1. Ellenbogengelenk für künstliche Arme mit einem axial bewegbaren Bolzen zum Verriegeln des Gelenkes, einem Schlitten, an dem der Bolzen gelagert ist, und elektrischen Antriebsmitteln, die den Schlitten auf einem Träger zwischen zwei Stellungen bewegen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schlitten (50) eine Feder (62) vorgesehen ist, die den Bolzen (10) in eine Verriegelungsstellung drückt, wenn sich der Schlitten (50) in der einen Stellung befindet, und in eine Entriegelungsstellung drückt, wenn sich der Schlitten (50) in der anderen Stellung befindet.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Platte (16) vorzugsweise in Form eines Kreisquadranten vorgesehen ist, die mit auf einem Bogen angeordneten Löchern (14)

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Postscheckkonto Berlin West Konto 1743 84-100 Berliner Bank AG , Konto 01 10921 900

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versehen ist, in die der Bolzen (10) zwecks Verriegelung eindringen kann.

3. Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Grundkörper, insbesondere einer Grundplatte (20), der Träger (30) und ein Elektromotor (32) sitzt.

4. Gelenk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper, insbesondere die Unterseite der Grundplatte (20), eine Ausnehmung aufweist, in der sich ein Untersetzungsgetriebe (34) zwischen der Motorwelle (36) und einer Antriebswelle (38) für den Schlitten (50) befindet.

5. Gelenk nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise ein Ende einer Antriebswelle (38) in einem Lager (40) gelagert ist, daß das Ende der Welle (38) mit einem Kurbelteil, insbesondere einer Kurbelplatte (42), versehen ist, an dem ein Kurbelzapfen (44) sitzt, daß ein Lager (46), insbesondere Rollenlager, den Zapfen (44) erfaßt, das in einer Querausnehmung (48) des Schlittens (50) sitzt, so daß eine Rotation der Antriebswelle (38) den Schlitten (50) auf dem Träger (30) parallel zur Längsachse des Bolzens (10) bewegt.

6. Gelenk nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nocken (54) an der Antriebswelle (38), insbesondere in einem mittleren Teil derselben sitzt, der die Bewegungen des Schlittens (50) begrenzt.

7. Gelenk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nocken (54) auf seinem Umfang mit zwei flachen Flächen (56,58) versehen ist, die in den beiden Stellungen des Schlittens (50) gegen eine Anschlagfläche (60) eines Riegels (61) anschlagen.

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8. Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Feder eine Schraubenfeder (62) ist, die den mittleren Teil des Bolzens (10) mit Spiel umgibt und sich in einer Ausnehmung (64) des Schlittens (50), insbesondere zwischen zwei Vorsprüngen (66,68) desselben befindet.

9· Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (10) zwei seitlich abragende Vorsprünge (70,72), insbesondere Stifte, aufweist, denen sich die Enden der Feder (62) wechselweise anlegen können.

10. Gelenk nach Anspruch 8 oder 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotation des Bolzens (10) um seine Längsachse durch eine Stift-Schlitz-Verbindung (74) zwischen dem Bolzen (10) und einem Teil (76) des Trägers (30) verhindert wird.

11. Gelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Ende der Feder (62) einem Vorsprung (70,72) des Bolzens (10) und/oder einem Vorsprung (66,68) des Schlittens (50) anliegt.

12. Gelenk nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (50) ein kleines Stück über seine Scheitelpunktlage hinaus bewegt wird, bevor seine Bewegung durch den Anschlag (54,61) begrenzt wird.