DE3909672C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine
schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Ein künstliches Bein wird im allgemeinen so gestaltet und
konstruiert, daß nicht ohne weiteres zu erkennen ist, daß
eine Person ein solches künstliches Bein trägt, um physi
sche und psychische Belastungen zu vermeiden.
Die beigefügte Fig. 15 zeigt schematisch die aufeinander
folgenden Änderungen in der Körperhaltung einer Person, be
trachtet von deren rechter Seite, wobei die Ferse a, das
Knie b, die Hüfte c, der Unterschenkel d, der Oberschenkel
e und die Zehen g angedeutet sind. In einer Haltungsphase
zwischen dem Aufsetzen der Ferse a am Boden und dem Abhe
ben der Zehen g vom Boden wirkt auf den Unterschenkel d im
wesentlichen eine vertikale Gegenkraft f des Bodens ein.
Eine Phase zwischen dem Abheben der Zehen g vom Boden und
dem nächsten Aufsetzen der Ferse a am Boden ist eine Schwung-
oder Pendelphase.
In der beigefügten Fig. 16 ist eine herkömmliche Oberschen
kelprothese dargestellt, die in der JP-Patentschrift Nr.
52 - 47 638 offenbart ist und einen pneumatischen Zylinder z enthält. Von diesem
Stand der Technik geht die Erfindung aus.
Ein Oberschaft h und ein Unterschaft i sind gelenkig durch
eine Kniewelle j verbunden, wobei das oberste Ende der Kol
benstange des Zylinders z schwenkbar an den Oberschaft
h und das untere Ende des Zylindergehäuses des Luftzylinders
z schwenkbar an den Unterschaft i angeschlossen sind. Da
der Unterschaft i in einer Schwungphase wie ein Pendel
schwingt, dienen ein Widerstand gegen die Luftströmung und
die Expansionskraft der im Zylinder z komprimierten
Luft als Ersatz für Muskeln. Insofern unterdrückt der
Zylinder z den Aufwärtsschwung der Ferse im Anfangszustand
einer Schwungphase, er erlaubt den anschließenden freien
Vorwärtsschwung des Unterschaftes i und er bremst den Vor
wärtsschwung des Unterschaftes i im Schlußzustand der Schwung
phase, um einem Stoß im Endzustand entgegenzuwirken. In
einer an die Schwungphase anschließenden Standphase kommen
der Oberschaft h und der Unterschaft i mit einem Anschlag
k zur Anlage, wodurch das Kniegelenk an einem Abfallen ge
hindert wird.
Die Fig. 17a-17d zeigen eine weitere Oberschenkelprothese,
wie sie in der japanischen Fachzeitschrift BIOMECHANISM 8,
FUNKTIONS AND SUBSTITUTES IN THE BIOLOGICAL SYSTEM im
September 1986 beschrieben wurde. Gemäß Fig. 17c wird ein Druck
schalter 1, der aus Metallplatten m1 sowie m2 besteht, und
eine druckleitende Gummiplatte n zwischen den Metallplatten
m1 sowie m2 umfaßt, geschlossen, wenn ein einen vorbestimm
ten Wert überschreitender Druck auf diesen wirkt. Dann gibt
ein Mikrocomputer o (Fig. 17d) ein Signal an einen Treiber
kreis p, um ein Drehsolenoid q anzutreiben, wodurch die
Öffnung des Ventils r eines pneumatischen Zylinders z geregelt wird.
Der Versorung der elektrischen Einrichtung dient die Energiequelle
s.
Die Bewegung des Unterschaftes i mit Bezug zum Oberschaft
h in einer Schwungphase wird in einer Mehrzahl von Geschwindigkeiten
gemäß einem Steuerprogramm geregelt, welches auf
der Grundlage von simulierten Ergebnissen aus der dynamischen
Analyse von verschiedenen Körperhaltungen normaler
Personen organisiert ist. Deshalb kann die Bewegung des Unterschaftes
i geregelt werden, so daß eine Anpassung an unterschiedliche
Körperhaltungen von normalen Personen erlangt
wird, nämlich eine Haltung für ein normales Gehen, eine Haltung
für ein Wandern und eine Haltung für ein schnelles Gehen.
Diese Obeschenkelprothese ist in bezug auf die Bewegung
vergleichsweise zufriedenstellend.
Bei der beschriebenen Prothese werden verschiedene Bewegungsabläufe
für unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten, individuell auf den
Träger angepaßt, fest abgespeichert.
Von diesen abgespeicherten Bewegungsabläufen kann während der
Benutzung der Prothese nicht abgewichen werden.
Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Aufgabe zugrunde, eine schwungphasengeregelte
Oberschenkelprothese der eingangs genannten Art mit verbesserter Prothesensteuerung zu
schaffen, die eine spontane Anpassung der Bewegungsabläufe, gemäß
den momentanen Erfordernissen des Trägers, zuläßt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst. Mit den genannten technischen Merkmalen
wird der Bewegungsablauf des Unterschafts von der Länge einer
Standphase abhängig gemacht; dadurch hat der Träger die Möglichkeit,
die Gehgeschwindigkeit der Prothese über die Standzeit den
momentanen Erfordernissen anzupassen.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die
schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese gemäß der Erfindung umfaßt ein Playback-
Lehrprogramm, einen Oberschaft, einen über eine Kniege
lenkwelle verschwenkbar verbundenen Unterschaft, einen die
beiden Schäfte verbindenden Luftzylinder, der mit einer Re
gulierschraube zur Einstellung der Öffnung des Ventils des
Luftzylinders auf eine Mehrzahl von Gradstellungen jeweils
für eine Mehrzahl von während eines versuchsweisen Gehens
ausgewählten Gehgeschwindigkeiten versehen ist, eine Be
triebsart-Wähleinrichtung mit einer Mehrzahl von Stellungen
einschließlich jener, die in einem Programmeingabebetrieb
zur Einstellung von Öffnungsgraden des Ventils des Luftzy
linders jeweils für die Mehrzahl von Gehgeschwindigkeiten
zu wählen sind, und einschließlich jener, die für einen
Playbackbetrieb zu wählen ist, eine die Öffnung des Ventils
des Luftzylinders erfassende Ermittlungseinrichtung, eine
eine Mehrzahl von Öffnungsgraden dieses Luftzylinderventils,
welches für die Mehrzahl von Gehgeschwindigkeiten festge
setzt sind, speichernde Einrichtung, eine Schwung- sowie
Standphasen erfassende Phasenermittlungseinrichtung, eine
Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung, die eine tatsäch
liche Gehgeschwindigkeit auf der Grundlage der jeweiligen
Zeitspannen der von der Phasenermittlungseinrichtung erfaß
ten Schwung- sowie Standphasen feststellt, und eine Regel-
oder Steuereinrichtung, die den Öffnungsgrad des Luftzylin
derventils auf einen der vorbestimmten Öffnungsgrade ent
sprechend der von der Gehgeschwindigkeit-Ermittlungsein
richtung erfaßten tatsächlichen Gehgeschwindigkeit einregelt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird
zwischen einer Standphase sowie einer Schwungphase
durch Ermitteln des Winkels zwischen dem Oberschaft und dem
Unterschaft durch einen Winkelfühler unterschieden.
Eine Weiterbildung der Erfindung umfaßt
eine Fall- oder Abfallbewegung des Unterschaf
tes bremsende Bremsvorrichtung mit einer Bremsscheibe, mit
einem bewegbaren Bremsschuh und mit einer den Bremsschuh
von der Bremsscheibe wegdrückenden Rückstellfeder, einen
pneumatischen Stellantrieb mit einer hermetisch abgeschlos
senen Kammer, der mit dem Bremsschuh in Wirkverbindung steht,
eine die obere Kammer des Luftzylinders mit der hermetisch
abgeschlossenen Kammer des Stellantriebs verbindende Luft
leitung, in der sich ein Rückschlagventil befindet, eine
die hermetisch abgeschlossene Stellantriebkammer mit der
unteren Kammer des Luftzylinders verbindende Luftleitung,
in der ein Rückschlagventil sowie ein Bemessungsventil ange
ordnet sind, und einen die untere sowie obere Kammer des
Luftzylinders verbindenden Luftkanal, der mit einem Rück
schlag- sowie einem Meßventil versehen ist.
Gemäß der Erfindung werden in einem Training des die erfin
dungsgemäße Oberschenkelprothese tragenden Trägers durch
schnittliche Standphasendauern und Öffnungen des Ventils
des Luftzylinders jeweils für unterschiedliche Gehgeschwin
digkeiten in einem Speicher gespeichert. Wenn der Prothe
senträger mit einer willkürlichen Geschwindigkeit geht, so
wird eine tatsächliche Standphasendauer durch eine Phasener
mittlungs- oder durch eine Winkeländerung-Ermittlungsein
richtung erfaßt und dann eine der tatsächlichen Standphasen
dauer entsprechende Öffnung gewählt, so daß die Bewegung
der Oberschenkelprothese in Übereinstimmung mit der Gehge
schwindigkeit des Prothesenträgers geregelt wird.
Der Kolben des pneumatischen Zylinders erreicht
seine oberste Lage im Zylindergehäuse in einer Standphase,
um Luft von der oberen Zylinderkammer in den Stellantrieb
zu überführen. Dadurch verkürzt sich der Stellantrieb in
seiner Länge, um die Kniebremseinheit durch Anziehen des
bewegbaren Bremsschuhs tätig werden zu lassen, so daß das
Kniegelenk für eine vorbestimmte Zeitspanne gebremst ist,
um ein Abfallen zu verhindern. Die in den Stellantrieb einge
führte Luft wird allmählich in die untere Zylinderkammer
durch das Meß- sowie Rückschlagventil abgeführt, so daß sich
die Bremskraft in einer vorgegebenen Zeit auf Null vermin
dert.
Die
Erfindung wird in der folgenden, auf die Zeichnun
gen Bezug nehmenden Beschreibung von Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Oberschenkelprothese
detailliert beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht eines pneumatischen Zylinders der schwung
phasengeregelten Oberschenkelprothese mit einer
Playback-Lehrprogrammeingabe in einer ersten Ausfüh
rungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Druckschal
ters, der bei der Oberschenkelprothese von Fig. 1
zur Anwendung kommt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Steuerungssystems, das in
die Oberschenkelprothese von Fig. 1 eingegliedert
ist;
Fig. 4 einen abgebrochenen Längsschnitt eines wesentli
chen Teils einer Oberschenkelprothese einer weite
ren Ausführungsform gemäß der Erfindung;
Fig. 5 die Frontansicht zu Fig. 4;
Fig. 6 einen Flußplan zur Erläuterung einer Arbeitsweise
der Regelung der Oberschenkelprothese von Fig. 4;
Fig. 7 einen Schnitt einer Abwandlung einer Oberschenkel
prothese von Fig. 4;
Fig. 8a und 8b einen Flußplan bzw. ein Diagramm zur Erläu
terung eines Regelvorgangs bei der Prothese von
Fig. 7;
Fig. 9 einen abgebrochenen Längsschnitt einer Oberschen
kelprothese in einer dritten Ausführungsform gemäß
der Erfindung;
Fig. 10 eine Seitenansicht zu Fig. 9;
Fig. 11 die Draufsicht zu Fig. 9;
Fig. 12a und 12b schematische Darstellungen eines bei der
Prothese von Fig. 9 verwendeten Stellantriebs in
einem entlüfteten sowie einem aufgeblasenen
Zustand;
Fig. 13 einen abgebrochenen Längsschnitt eines in die Pro
these von Fig. 9 eingegliederten Luftzylinders;
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Abwandlung der
Prothese von Fig. 9;
Fig. 15 die eingangs bereits besprochene schematische Dar
stellung der aufeinanderfolgenden Änderung der Kör
perhaltung einer normalen Person während des Gehens;
Fig. 16 eine Seitenansicht der bereits erläuterten herkömm
lichen Oberschenkelprothese;
Fig. 17a eine Seitenansicht einer Oberschenkelprothese nach
dem Stand der Technik, auf die
eingangs bereits eingegangen wurde;
Fig. 17b die Frontansicht der Prothese von Fig. 17a;
Fig. 17c eine schematische Darstellung eines Druckschalters,
der in die Prothese von Fig. 17a eingegliedert ist;
Fig. 17d ein Blockbild eines Regelsystems, das bei der Pro
these von Fig. 17a zur Anwendung kommt.
Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele für eine Ober
schenkelprothese gemäß der Erfindung beschrieben.
Gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt eine Oberschenkelprothese gemäß
der Erfindung einen (nicht gezeigten) Oberschaft, einen
(nicht gezeigten) Unterschaft, einen pneumatischen Druckzylinder 5 mit einem
oberen Anschlußstück 32, das gelenkig mit dem Oberschaft ver
bunden ist, und mit einem unteren Anschlußstück 33, das gelen
kig mit dem Unterschaft verbunden ist, eine von außen ein
stellbare Reguliereinrichtung 34, die am oberen Anschlußstück
32 vorgesehen ist, eine (nicht gezeigte) Schraubspindel, die
mit der Reguliereinrichtung 34 in Eingriff ist, und ein Regelsy
stem. Der Druckzylinder 5 ist am Unterschaft befestigt. Die
Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 wird durch die Regu
liereinrichtung 34 eingeregelt, um die Geschwindigkeit in der
Bewegung der Oberschenkelprothese zu justieren.
Das Regelsystem umfaßt eine Betriebsartwähleinrichtung
35 mit einer Mehrzahl von Einstellpositionen, nämlich eine
Playback-Position, eine Position für ein langsames Gehen,
eine Position für ein Gehen mit mittlerer Geschwindigkeit
und eine Position für ein schnelles Gehen. Die Betriebsartwähleinrichtung
35 ist unter der Reguliereinrichtung 34 vorgesehen, während
oberhalb der Reguliereinrichtung 34 ein Erfassungseinrichtung 36 angeord
net ist, um die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 durch
ein Erfassen der Stellung der Reguliereinrichtung 34 zu ermit
teln. Oberhalb der Erfassungseinrichtung 36 ist ein Schrittmotor
37 angeordnet. Ein am Unterschaft angebrachter Druckschalter
38 (Fig. 3) dient der Ermittlung einer auf den Unterschaft
wirkenden Belastung. Für den Antrieb des Schrittmotors 37
ist ein Treiberkreis 39 vorgesehen. Ein A/D-Wandler 40 dient
der Umwandlung des analogen Ermittlungssignals der Erfassungseinrichtung
36 in entsprechende Digitalsignale. Ein RAM als speichernde
Einrichtung 41 speichert von der Erfassungseinrichtung 36 sowie vom Druckschalter 38
erhaltene Daten. Des weiteren sind eine Steuereinrichtung 42 und
eine Energiequelle 43 vorhanden. Der Schrittmotor 37 regelt
die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 gemäß Befehlen
von der Steuereinrichtung 42. Der Druckschalter 38 ist am Unterschaft
angebracht. Der Treiberkreis 39, der A/D-Wandler 40, der RAM
41, die Steuereinrichtung 42 und die Energiequelle 43 des Regel
systems sind mit einem Mikrocomputer integriert zusammenge
faßt und im Zylindergehäuse des Druckzylinders 5 aufgenommen.
Bei der Bestimmung der Arbeitszustände der Oberschenkelpro
these, die für einen Prothesenträger geeignet sind, wird die
Betriebsartwähleinrichtung 35 auf eine Langsam-Position
eingestellt. Dann wird die Öffnung des Ventils des Druckzylin
ders 5 auf einen geeigneten Wert SL für ein langsames Gehen
durch Betätigen der Reguliereinrichtung 34 eingeregelt. Die Öff
nung SL für ein langsames Gehen wird durch den Erfassungseinrichter
36 erfaßt und im RAM 41 gespeichert. Dann beginnt der
Prothesenträger mit einem Gehen bei einer langsamen Geschwin
digkeit. Während des Gehens wird eine Standphasenperiode,
d.h. eine Zeitspanne, in der der Druckschalter 38 geschlossen
ist, gemessen, und es werden die gesamten Standphasenperio
den durch die Anzahl der Gehschritte dividiert, um eine mitt
lere Langsamgang-Haltungsphasenperiode TL zu bestimmen, wel
che im RAM 41 gespeichert wird.
Dann wird die Betriebsart-Wähleinrichtung 35 auf eine Po
sition für eine mittlere Geschwindigkeit eingestellt sowie
die Öffnung des Ventils des Druckzylinders 5 auf einen geeigne
ten Wert SM für ein Gehen mit mittlerer Geschwindigkeit ju
stiert, worauf der Prothesenträger mit einer mittleren Ge
schwindigkeit geht. Während der Prothesenträger mit dieser
mittleren Geschwindigkeit geht, wird in der gleichen Weise,
wie oben beschrieben wurde, eine durchschnittliche Mitteltem
po-Haltungsphasenperiode TM bestimmt. Die Öffnung SM für ein
Gehen mit mittlerem Tempo und die durchschnittliche Mittel
tempo-Haltungsphasenperiode TM werden im Speicher 41 ge
speichert.
In gleichartiger Weise werden eine Öffnung SS und eine mittle
re Schnellgang-Haltungsphasenperiode TS für ein schnelles
Gehen bestimmt und im RAM 41 gespeichert.
Anschließend wird die Betriebsart-Wähleinrichtung 35 auf
die Playback-Position gebracht, die Öffnung des Ventils des
Zylinders 5 wird auf die Stellung SL eingestellt, und
dann beginnt der Prothesenträger mit einem Gehen bei einer
willkürlichen Geschwindigkeit. Während dieses Gehens werden
Schließperioden des Druckschalters 38, die Standphasenperioden
T wiedergeben, in Aufeinanderfolge im RAM 41 gespeichert.
Die Steuereinrichtung 42 vergleicht die Standphasenperioden T in
Aufeinanderfolge mit der mittleren Langsamgang-Haltungsphasen
periode TL, mit der durchschnittlichen Mitteltempo-Haltungs
phasenperiode TM und mit der mittleren Schnellgang-Haltungs
phasenperiode TS, und es gibt einen Befehl an den Treiber
kreis 39, um die Öffnung des Ventils des Zylinders 5 auf
einen für die Standphasenperiode T geeigneten Öffnungswert
ST durch den Schrittmotor 37 zu justieren. Die geeignete
Öffnung ST wird in der folgenden Weise bestimmt:
- (1) Wenn T<(TL+TM)/2 ist, wird ST auf SL justiert.
- (2) Wenn (TM+TS)/2<T<(TL+TM)/2 sind, wird ST auf SM justiert.
- (3) Wenn T<(TM+TS)/2 ist, ST auf SS justiert.
Wenn das Gefühl der Gangarten oder Haltungen bei jeweils
den den Öffnungen SL, SM und SS entsprechenden Gehgeschwin
digkeiten unterschiedlich ist zu demjenigen, das jeweils den
Gangarten oder Haltungen bei den ursprünglich eingestellten
Öffnungen entspricht, so werden die Öffnungen in geeigneter
Weise erneut justiert.
Somit werden die Bewegung der Oberschenkelprothese beeinflus
sende Faktoren auf der Grundlage der Ganghaltungen des Pro
thesenträgers festgesetzt und nicht auf der Grundlage von
simulierten Ergebnissen aus einer großen Menge von Daten von
Ganghaltungen normaler Personen, wie das bei einer herkömm
lichen Oberschenkelprothese der Fall ist. Demzufolge ist der
Prothesenträger imstande, mit Ganghaltungen zu gehen, die
exakt den physischen Eigenschaften des Prothesenträgers ange
paßt sind. Da ferner die Art der Bewegung der Oberschenkel
prothese selbsttätig entsprechend der tatsächlichen Ganghal
tung des Prothesenträgers geregelt wird, kann dieser mit
einer seinem physischen Zustand angepaßten Ganghaltung gehen.
Darüber hinaus kann eine Justierung der Oberschenkelprothese
durch den Träger selbst vorgenommen werden, ohne andere Per
sonen in Anspruch zu nehmen.
Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, ist ein Oberschaft 1 mit einem
Unterschaft 2 über eine Kniegelenkwelle 3 verschwenkbar ver
bunden. Bei dieser Ausführungsform ist die Kniegelenkwelle
3 am Unterschaft 2 befestigt und drehbar in eine Buchse 4,
die am Oberschaft 1 fest angebracht ist, eingepaßt, so daß
der Oberschaft 1 um die Gelenkwelle 3 mit Bezug zum Unter
schaft 2 drehen kann.
Das äußerste Ende der Kolbenstange eines pneumatischen Druckzylinders 5 ist
schwenkbar an eine rückwärtige Verlängerung des Oberschaftes
1 angeschlossen, während das untere Ende des (nicht gezeig
ten) Zylindergehäuses des Druckzylinders 5 verschwenkbar mit
dem Unterschaft 2 verbunden ist. Der Druckzylinder 5 weist
ein (nicht gezeigtes) Ventil, um die Luftströmung zu regeln,
und ein Drehsolenoid 6 für das Betreiben des Ventils auf.
Gummikissen 7 sind jeweils an den einander gegenüberliegen
den Seiten des oberen Endes des Unterschaftes 2 angebracht
und werden zwischen einem am unteren Ende des Oberschaftes
1 sowie am oberen Ende des Unterschaftes 2 befindlichen Ansatz
zusammengedrückt, wenn der Unterschaft 2 mit Bezug zum
Oberschaft 1 vorwärts schwingt, um die Schwungbewegung des
Unterschaftes 2 an einer bestimmten Grenze anzuhalten. Ein
Winkelfühler 8 (ein Näherungsschalter) ist vor der Knie
gelenkwelle 3 angeordnet und an der Innenfläche des Front
teils des oberen Endes des Unterschaftes befestigt. An dem
frontseitigen Ansatz des Oberschaftes 1 ist eine mit dem
Winkelfühler 8 übereinstimmende Metallplatte 9 fest ange
bracht. Der Winkelfühler 8 ermittelt einen Winkel zwi
schen dem Oberschaft 1 sowie dem Unterschaft 2 aus der Stel
lung der Metallplatte 9 mit Bezug zum Winkelfühler 8. Ein Steuer
gerät entscheidet aus der Änderung der Ermittlungssignale,
die die Änderung des Kniewinkels wiedergeben und dem Steuer
gerät vom Winkelfühler 8 zugeführt werden, ob die Ober
schenkelprothese in einer Stand- oder Schwungphase ist. Dann
gibt das Steuergerät Steuersignale zur Regelung der Öffnung
des Ventils des Druckzylinders 5 durch das Drehsolenoid 6 in
mehreren Schritten ab, so daß die Schwungbewegung des Unter
schaftes 2 in geeigneter Weise für eine Schwungphase gere
gelt wird. Der Winkelfühler 8 kann von irgendeiner Bau
art sein und an irgendeiner geeigneten Position angebracht
werden, wobei vorausgesetzt wird, daß dieser Winkelfühler 8 imstan
de ist, den Winkel zwischen dem Oberschaft 1 und dem Unter
schaft 2 zu ermitteln, wenn der Unterschaft 2 sich in einer
Winkellage in einem vorbestimmten Winkelbereich von einer
Position, in der die Oberschenkelprothese gestreckt ist, be
findet. Beispielsweise kann der Winkelfühler 8 ein licht
elektrischer Schalter oder ein Berührungs-Grenzschalter sein.
Das Steuergerät umfaßt einen Mikrocomputer und Ein-/Ausgabe-
Vorrichtungen oder eine gleichartige Hardware-Logikschaltung.
Bei der in Fig. 7 gezeigten Abwandlung kommt eine Kombina
tion eines Potentiometers 10 als Winkelfühler mit einem Kontaktelement 11 an
stelle der Kombination eines Näherungsschalters und der
Metallplatte 9 zur Anwendung. Das Potentiometer 10 ist an
der Kniegelenkwelle 3 vorgesehen, während das Kontaktelement
11 am Oberschaft 1 angebracht ist. Da das Potentiometer 10
in der Lage ist, kontinuierlich den veränderlichen Kniewin
kel zu ermitteln, wird durch die Verwendung eines Potentiome
ters 10 ein kontinuierliches Öffnen des Ventils des Druckzylin
ders 5 ermöglicht. Da jedoch lediglich die genaue Ermittlung
der Periode der Standphase, in welcher der Kniewinkel innerhalb
eines festen Winkelbereichs liegt, notwendig ist, um die mit
der Erfindung verfolgten Ziele zu erreichen, wird die Perio
de einer Standphase durch Messen einer Zeitspanne t (Fig.
8b), in welcher der Kniewinkel sich unterhalb eines vorbe
stimmten Grenzwertwinkels TH befindet, bestimmt.
Die Oberschenkelprothese in der zweiten Ausführungsform gemäß
der Erfindung ist imstande, in geeigneter Weise die Bewegung
des Unterschaftes 2 in Übereinstimmung mit der Änderung der
Gehgeschwindigkeit des Prothesenträgers zwischen einer lang
samen, einer mittleren und einer schnellen Gehgeschwindigkeit
zu regeln. Da ferner die Notwendigkeit für einen Druckschal
ter, um eine Belastung am Unterschaft zu ermitteln, beseitigt
ist, kann die Oberschenkelprothese in einer kompakten Kon
struktion von geringem Gewicht ausgebildet werden, so daß
der Erfindungsgegenstand in wirksamer und leistungsfähiger
Weise auf kleine Oberschenkelprothesen für Kinder und klein
wüchsige Personen anwendbar ist. Weil des weiteren die Funk
tion des Kniewinkelfühlers 8 nicht durch den Zustand des Bodens
beeinflußt wird und dieser Fühler eine hohe Zuverlässigkeit
für eine sehr lange Gebrauchszeit aufrechterhält, frei von
einer Fehlfunktion ist sowie die Einstellung und Wartung er
leichtert, weil der Kniewinkelfühler 8 keine gleitenden Bau
elemente aufweist, und weil dieser Fühler ohne Schwierigkei
ten auf dem Markt verfügbar ist, kann die erfindungsgemäße
Oberschenkelprothese mit verminderten Kosten hergestellt
werden.
Eine Oberschenkelprothese in der dritten Ausführungsform
gemäß der Erfindung enthält eine Vorrichtung, um ein Abfal
len des Knies zu verhindern.
Diese Oberschenkelprothese hat einen Oberschaft 1 und einen
mit seinem oberen Ende am unteren Ende des Oberschaftes 1
durch eine Kniegelenkwelle 3 gelenkig verbundenen Unterschaft
2. Die Kniegelenkwelle 3 ist am Oberschaft 1 befestigt, so
daß der Unterschaft 2 daran schwenken kann. Der Unterschaft
2 kann an der Kniegelenkwelle 3 eine Rückwärts-Schwenkbe
wegung aus einer gestreckten Lage ausführen und ist nicht
imstande, eine Schwenkbewegung nach vorne über die gestreck
te Lage hinaus auszuführen. Die Schwenkbewegung des Unter
schaftes nach vorne über die gestreckte Lage hinaus wird durch
ein Gummikissen 44 (Fig. 10), das an der Vorderseite des obe
ren Endes des Unterschaftes 2 angebracht ist, begrenzt.
Ein pneumatischer Druckzylinder 5 mit einem Zylindergehäuse 46, einem Kol
ben 47 und einer Kolbenstange 48 ist in Längsrichtung in einen
Raum innerhalb des Unterschaftes 2 angeordnet. Die Kolben
stange 48 ist mit dem Oberschaft 1 durch ein Gelenk 49 verbun
den, jedoch kann sie auch unmittelbar am Oberschaft 1 ange
bracht sein.
An der Kniegelenkwelle 3 ist eine Unterschaft-Bremsvorrichtung 50 befe
stigt, die eine an der Kniegelenkwelle 3 feste Bremsscheibe
51, einen am Unterschaft 2 angebrachten unteren Bremsschuh
12, der sich gegen den unteren Teil der Bremsscheibe 51 anle
gen kann, einen mit dem Oberschaft 1 über einen Stift 14
gelenkig verbundenen oberen Bremsschuh 13, der sich an den
oberen Teil der Bremsscheibe 51 anlegen kann, und eine zwi
schen den freien Enden des unteren sowie oberen Bremsschuhs
12 bzw. 13 angeordnete Druckfeder 15, die den oberen Brems
schuh 13 von der Bremsscheibe 51 trennt, umfaßt.
Ein Stellantrieb 16, um den oberen Bremsschuh 13 mit der
Bremsscheibe 51 in Anlage zu bringen, ist in einem Raum in
nerhalb des Unterschaftes 2 angeordnet. Das eine Ende des
Stellantriebs 16 ist mit dem freien Ende des oberen Brems
schuhs 13 durch einen Seilzug 17 verbunden, während das ande
re Ende an den Unterschaft 2 durch einen Seilzug 18 ange
schlossen ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Stellan
trieb 16 eine Gummiblase oder -röhre (Fig. 12a), die sich
seitwärts ausdehnt und in ihrer Länge verringert, wenn Luft
eingeführt wird, wie in Fig. 12b gezeigt ist. Der Stellantrieb
16 kann beispielsweise ein bereits
bekannter Antrieb sein.
Der Stellantrieb 16 ist mit der oberen Kammer 19 des
Druckzylinders 5 durch eine ein Rückschlagventil 21 enthaltende
Leitung 22 und mit der unteren Kammer 20 des Zylinders
5 durch eine ein Meßventil 23 sowie ein zweites Rückschlagventil 24
enthaltende Leitung 25 verbunden. Das Rückschlagventil 21
läßt lediglich eine Luftströmung von der oberen Kammer 19
des Druckzylinders 5 in den Stellantrieb 16 zu. Das Rückschlag
ventil 24 ermöglicht nur eine Luftströmung vom Stellantrieb
16 in die untere Kammer 20 des Druckzylinders 5. Wie am be
sten der Fig. 13 zu entnehmen ist, stehen die obere Kammer
19 und die untere Kammer 20 des Luftzylinders 5 miteinander
durch einen durch den Kolben 47 hindurch ausgebildeten Luft
kanal 28 in Verbindung, der mit einem veränderlichen Meßven
til 26 und einem modifizierten Rückschlagventil 27 versehen ist. Dieses
Rückschlagventil 27 läßt lediglich eine Luftströmung durch
den Kanal 28 von der oberen Kammer 19 in die untere Kammer 20
zu. Der Luftkanal 28 kann auch ein außerhalb des Zylinder
gehäuses 46 ausgebildeter externer Kanal sein, der die obere
Kammer 19 und die untere Kammer 20 miteinander verbindet.
Wenn der Unterschaft 2 aus der obersten Position vorwärts
schwingt, so bewegt sich der Kolben 47 aufwärts, und es wer
den das Rückschlagventil 27 geschlossen sowie das Rückschlag
ventil 21 geöffnet, um eine Strömung der in der oberen Kammer
19 enthaltenen Luft in den Stellantrieb 16 zu ermöglichen.
Demzufolge kann der Unterschaft 2 leicht in der Anfangsstufe
einer Vorwärts-Schwingbewegung schwenken. Das Meßventil 23
begrenzt die Durchsatzmenge der Luft, um die Schwinggeschwin
digkeit des Unterschaftes 2 bei dessen Schwenken nach vorne
in geeigneter Weise zu regeln. Da die Menge der in den Stell
antrieb 16 eingeführten Luft ansteigt, dehnt sich dieser Stellan
trieb 16 seitwärts aus und verringert sich in seiner Länge,
um den oberen Bremsschuh 13 durch den Seilzug 17 allmählich
zum Zapfen 14 hin zu schwenken, so daß sich der obere Brems
schuh 13 fortschreitend gegen die Bremsscheibe 51 anlegt.
Am Ende der Schwingbewegung des Unterschaftes 2 nach vorne
hält der obere Bremsschuh 13 die Bremsscheibe 51 fest, um
das Abfallen der Oberschenkelprothese, nachdem die Ferse
der Prothese am Boden aufgekommen ist, zu verhindern. In der
letzten Stufe einer Standphase fließt die auf diese Weise
im Stellantrieb 16 angesammelte Luft allmählich durch das
Rückschlagventil 24 mit einer durch das Meßventil 23 begrenz
ten Durchflußmenge in die untere Kammer 20 des Luftzylinders
5 ab, so daß sich der Druck innerhalb des Stellantriebs 16
fortschreitend vermindert und dieser zu seiner ursprüngli
chen Gestalt zurückkehrt. Demzufolge wird der obere Brems
schuh 13 von der Bremsscheibe 51 durch die elastische Kraft
der Druckfeder 15 getrennt. Eine Bremsperiode, während wel
cher die Bremsvorrichtung 50 tätig ist, wird durch das Meß
ventil 23 geregelt.
Während der Schwingbewegung des Unterschaftes 2 nach rück
wärts, nachdem sich die Ferse der Oberschenkelprothese vom
Boden gelöst hat, führt der Kolben 47 eine Abwärtsbewegung
aus. Dann strömt die im Zylindergehäuse 46 des Zylin
ders 5 enthaltene Luft von der oberen Kammer 19 durch das
Rückschlagventil 27 und das Meßventil 26 in die untere Kam
mer 20. Die Durchsatzmenge der von der unteren Kammer 20 in
die obere Kammer 19 strömenden Luft wird durch das Meßventil
26 begrenzt, um die Geschwindigkeit der Schwingbewegung des
Unterschaftes 2 unter einen vorbestimmten Pegel zu begrenzen.
Bei der in Fig. 14 gezeigten Abwandlung wird anstelle der
Gummiröhre oder -blase als Stellantrieb 16 ein weiterer pneumatische Zylinder
30 verwendet, der mit einer Druckfeder 29 in der unteren Kam
mer ausgestattet ist, um einen Kolben 31 aufwärts zu drücken.
Die Funktion des Zylinders 30 ist die gleiche wie dieje
nige des Stellantriebs 16.
Die Unterschaft-Bremsvorrichtung 50 ist nicht auf die gezeigte Ausfüh
rungsform beschränkt, sondern kann von irgendeiner geeigneten
Art sein.
Somit wird bei der dritten Ausführungsform die Schwenkbewegung
des Unterschaftes 2 in geeigneter Weise geregelt, und dieser
Schaft wird während einer Standphase gebremst, so daß
eindeutig das Abfallen der Oberschenkelprothese verhindert
wird.
Claims (3)
1. Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese mit einem
Oberschaft (1), der mit einem Unterschaft (2) gelenkig über
eine Kniegelenkwelle (3) verbunden ist und einem diesen
bewegenden Druckzylinder (5), der über ein Ventil angesteuert
wird, dessen Öffnungsgrad über Einrichtungen eingestellt
wird, gekennzeichnet durch eine Reguliereinrichtung (34), die
den Öffnungsgrad in Abhängigkeit von mehreren während
Gehversuchen ausgewählten Gehgeschwindigkeiten (SL, SM, SS)
einstellt,
eine Betriebsart-Wähleinrichtung (35) zur Wahl verschiedener Öffnungsgrade für mehrere unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten in einem Lehrprogrammeingabebetrieb sowie für einen Playbackbetrieb,
eine die Öffnungsgrade ermittelnde Erfassungseinrichtung (36),
eine die Öffnungsgrade der Betriebsart-Wähleinrichtung (35) speichernde Einrichtung (41),
eine Schwung- und Standphasen erfassende Phasenermittlungseinrichtung (8, 9, 10, 11),
eine Gehgeschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung, die die tatsächliche Gehgeschwindigkeit aufgrund der jeweiligen Zeitspannen der durch die Phasenermittlungseinrichtung (8, 9, 10, 11) erfaßten Schwung- und Standphasen ermittelt,
eine Steuereinrichtung (6, 42), die die tatsächlich von der Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung ermittelte Gehgeschwindigkeit mit den entsprechenden gespeicherten Öffnungsgraden der Betriebsart-Wähleinrichtung vergleicht und den Öffnungsgrad des Ventils einstellt.
eine Betriebsart-Wähleinrichtung (35) zur Wahl verschiedener Öffnungsgrade für mehrere unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten in einem Lehrprogrammeingabebetrieb sowie für einen Playbackbetrieb,
eine die Öffnungsgrade ermittelnde Erfassungseinrichtung (36),
eine die Öffnungsgrade der Betriebsart-Wähleinrichtung (35) speichernde Einrichtung (41),
eine Schwung- und Standphasen erfassende Phasenermittlungseinrichtung (8, 9, 10, 11),
eine Gehgeschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung, die die tatsächliche Gehgeschwindigkeit aufgrund der jeweiligen Zeitspannen der durch die Phasenermittlungseinrichtung (8, 9, 10, 11) erfaßten Schwung- und Standphasen ermittelt,
eine Steuereinrichtung (6, 42), die die tatsächlich von der Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung ermittelte Gehgeschwindigkeit mit den entsprechenden gespeicherten Öffnungsgraden der Betriebsart-Wähleinrichtung vergleicht und den Öffnungsgrad des Ventils einstellt.
2. Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Phasenermittlungseinrichtung ein Winkelfühler
(8; 10) ist, der den Winkel zwischen Oberschaft (1) und Unterschaft (2)
mißt.
3. Schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese nach einem der Ansprüche 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterschaftbremseinrichtung (50)
vorgesehen ist.
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