DE3923056A1 - Knee-joint with free-wheel - is fitted with brake which is controlled by sensor inside prosthesis - Google Patents

Knee-joint with free-wheel - is fitted with brake which is controlled by sensor inside prosthesis

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Abstract

The knee-joint prosthesis has the lower leg (2) attached to the upper leg (5) by a free-wheel. This has a housing (3) which can be held stationary relative to the upper leg (5) by a brake (6). When the brake is applied the lower leg can be swung from the bent position to the straight position but it cannot be swung in the reverse direction. The magnitude of the braking force can be varied by a signal generated by a sensor fitted inside the prostesis. The variation in the braking force controls the swing of the lower leg from the straight position to the bent position. USE - Knee-joint prosthesis.

Description

Die Erfindung betrifft ein künstliches Kniegelenk für eine Prothese für Personen, die einen oder beide Unterschenkel einschließlich der Kniegelenke verloren haben. The invention relates to an artificial knee joint for a prosthesis for those who lost one or both lower leg including the knee joints.

Bereits bekannt sind künstliche Kniegelenke, die lediglich eine Lagerfunktion aufweisen. Already known are artificial knee joints which have only a bearing function. Bei derartigen Gelenken ist jedoch nur eine Belastung im gestreckten Zustand möglich, während bei Belastung im gebeugten Zustand das Kniegelenk mehr oder weniger schnell einknickt, was zu schweren Stür zen führen kann. In such joints, however, only one load in the extended state is possible while the knee joint more or less quickly buckling under load in the flexed state, which can lead to serious Stür zen. Aus diesem Grunde werden bereits derartige Gelenke mit zusätzlichen Feststellmechanismen versehen, die jedoch manuell und bei gestrecktem Gelenk betätigt werden müssen. For this reason, such joints with additional locking mechanisms are already provided, but must be operated manually and when the joint. Hierdurch wird zwar die Sicherheit beim Stehen er höht, beim Gehen sind derartige Sperren jedoch nicht betä tigt und daher unwirksam. Although this security is standing he höht, when walking such barriers are not betae Strengthens and therefore ineffective.

Ebenfalls bereits bekannt sind künstliche Kniegelenke mit belastungsabhängiger Sperrung in Beugerichtung. Also known are artificial knee joints with load-dependent locking in bending direction. Diese Ge lenke bieten eine relativ hohe Sicherheit gegen Einknicken und können trotzdem noch unter Belastung gestreckt werden. This Ge joints offer a relatively high degree of safety against buckling and can still be stretched even under load. Dies ist beispielsweise beim Treppaufgehen erforderlich. This is for example required when climbing stairs. Ein Treppabgehen oder Hinsetzen des Prothesenträgers ist dagegen in der Regel nur möglich, wenn die Bremsvorrichtung zuvor durch Eingriff von außen außer Betrieb gesetzt wurde. A walking down stairs or sitting down the prosthesis wearer, however, is usually only possible if the braking device has previously been taken out of operation by engagement from the outside. Dann ist aber auch keine Sicherheit gegen Einknicken mehr vorhanden. But then no security against buckling longer exists.

Wesentliche Vorteile bietet hier das künstliche Kniegelenk gemäß der Erfindung. Offers substantial advantages here the artificial knee joint according to the invention. Hierbei wird ein Signalgeber innerhalb der Prothese eingesetzt, der die Bremswirkung einer Brems vorrichtung so steuert, daß ohne Eingriff von außen das Kniegelenk stets in Beugerichtung möglichst günstig ge bremst wird. Here, a signal generator is employed within the prosthesis, the device controls the braking action of a brake that the knee joint always as favorable as possible ge in bending direction is braked without intervention from the outside.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bremsmoment abhängig vom Beugewinkel, von der Beugegeschwindigkeit oder von der Beugebeschleunigung gesteuert wird. It is particularly advantageous if the braking torque dependent on the flexion angle, is controlled by the speed or bending of the flexor acceleration.

Durch die beugewinkelabhängige Steuerung ergibt sich bei spielsweise die Möglichkeit, bei kleinen Beugewinkeln klei nere Bremsmomente aufzubringen als bei großen Beugewinkeln. Through the lean angle-dependent control, the possibility for small deflection angles apply klei nere braking torques than at large deflection angles results when playing as. Dadurch wird die Bremswirkung an den Belastungsfall ange paßt. The braking effect on the loading case is fit.

Eine sehr gute Variante stellt die geschwindigkeitsabhän gige Steuerung des Bremsmoments dar. Wird die Bremswirkung mit zunehmender Beugegeschwindigkeit größer, läßt sich bei spielsweise die Beugegeschwindigkeit in gewissen Grenzen steuern bzw. sogar konstant halten. A very good option, the geschwindigkeitsabhän-independent control of the braking torque is If the braking effect increases with increasing bending speed., The flexor speed can be controlled within certain limits or even hold steady at play as. Hierdurch ist es mög lich, das künstliche Kniegelenk so auszulegen, daß beim Beugen eine Maximalgeschwindigkeit nicht überschritten wird. This makes it possible, please include to design the artificial knee joint that a maximum speed is not exceeded during bending. Dieser Grenzwert kann so gewählt werden, daß beim Hinsetzen oder beim Treppabgehen ein langsames Beugen pro blemlos möglich ist. This limit can be chosen so that a slow bends per without difficulty is possible when sitting down or in a walking down stairs. Hierdurch wird das Trennabsteigen ähn lich dem Bewegungsablauf eines gesunden Beines ermöglicht. In this way, the separation is descending similarity Lich enables the movement of a healthy leg. Wird dagegen eine ungewollte Beugung des Kniegelenks durch einen Bedienungsfehler des Prothesenträgers hervorgerufen, so erfolgt dieses Einknicken relativ langsam. If, however, an unwanted flexion of the knee joint caused by incorrect operation of the prosthesis wearer, this buckling is relatively slow. Hierdurch verbleibt dem Prothesenträger relativ viel Reaktionszeit, um einen Sturz zu verhindern oder um zumindest die Folgen eines Sturzes gering zu halten. In this way, the amputees, relatively large amount of response time to prevent a fall or at least to minimize the consequences of a fall low. Die prinzipielle Funktions weise der geschwindigkeitsabhängigen Steuerung ist der ei nes Automatik-Sicherheitsgurtes ähnlich, bei dem ebenfalls langsame Bewegungen möglich sind, wogegen schnelle Bewegun gen gesperrt werden. The basic function as the speed-dependent control of the egg nes automatic seat belt is similar in the slow movements are also possible, while fast Bewegun be gen locked.

Zur Realisierung eines geschwindigkeitsabhängig gesteuerten Kniegelenks kann beispielsweise ein rotierendes Element mit beweglich aufgehängten Massen als Signalgeber verwendet werden. To implement a speed-dependent controlled knee joint with a rotating member movably suspended masses, for example, be used as a signal generator. Die auf die Massen wirkende Fliehkraft kann dabei als Steuergröße dienen. The centrifugal force acting on the masses can serve as a control variable.

Eine andere Möglichkeit der geschwindigkeitsabhängigen Steuerung ergibt sich durch den Einsatz einer Viskositäts bremse, bei der ein Medium zwischen zwei relativ zueinander bewegten Flächen geschert wird. Another possibility for the speed-dependent control results from the use of a viscosity brake, in which a medium is sheared between two relatively moving surfaces.

Soll die Steuerung der verwendeten Bremseinrichtung abhän gig von der Beugebeschleunigung erfolgen, so ist die Funktionsweise ähnlich der geschwindigkeitsabhängigen Steuerung. If the control of the braking device used depen carried gig of the flexor acceleration, so the operation is similar to the speed-dependent control. Eine technische Realisierung dieser Variante kann beispielsweise auf elektronischem Wege erfolgen. A technical realization of this variant can for example, be electronic. Hier bei findet ein Beschleunigungsaufnehmer als Signalgeber Verwendung, der ein Signal liefert, das der Größe der Win kelbeschleunigung proportional ist, mit der das Kniegelenk gebeugt wird. Here, in place an accelerometer as the signal generator use, delivers a signal kelbeschleunigung the size of the win is proportional, with the knee joint is flexed. Das elektrische Ausgangssignal des Gebers kann über geeignete Verstärkungs- und Umformelemente an eine elektrisch betätigte Bremseinrichtung weitergeleitet werden, die dann das Bremsmoment abhängig von der Winkelbe schleunigung aufbringt. The electrical output signal of the encoder can be routed via suitable amplifying and forming elements on an electrically actuated braking device, which then acceleration applying the braking torque depending on the Winkelbe.

Alle beschriebenen Varianten weisen erheblich Vorteile ge genüber herkömmlichen künstlichen Kniegelenken auf. All variants described have significant advantages ge genüber conventional artificial knee joints. Durch die belastungsabhängige Bremsung in Beugerichtung wird eine erhöhte Sicherheit im Stand und beim Gehen gewährleistet. By the load-dependent braking in bending direction increased security in the state and while walking is ensured. Außerdem ist ein Treppaufgehen ohne weiteres möglich. In addition, a climbing stairs is readily possible. Die wesentlichen Vorteile liegen im Verhalten des künstlichen Kniegelenks beim Hinsetzen oder beim Treppabgehen. The main advantages lie in the behavior of the artificial knee joint when sitting down or while walking down stairs. Dabei ist - im Gegensatz zu den bereits bekannten Prothesen - ein Bewegungsablauf möglich, der dem eines nicht behinderten Menschen sehr ähnlich ist. a movement possible, which is very similar to that of non-disabled people - It is - in contrast to the known prostheses.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Kniegelenks ge mäß der Erfindung gezeigt. In Fig. 1, an embodiment of the knee joint accelerator as the invention is shown. Hierbei findet eine Klemmrollen- Freilaufkupplung Verwendung, deren Innenteil ( 1 ) mit dem Unterschenkel ( 2 ) der Prothese fest verbunden ist. Here, a pinch roller is overrunning clutch use, the inner part (1) with the lower leg (2) of the prosthesis is firmly connected. Das Außenteil ( 3 ) der Freilaufkupplung ist im Hebel ( 4 ) so ge lagert, daß bei Belastung des Unterschenkels ( 2 ) das Außen teil ( 3 ) gegen ein im Oberschenkelteil ( 5 ) der Prothese ge führtes Bremselement ( 6 ) gedrückt wird. The outer part (3) of the overrunning clutch is in the lever (4) so-layered, that under load the lower leg (2) the outer part (3) against a thigh part (5) of the prosthesis ge Convicted braking element (6) is pressed. Dieses Bremselement ( 6 ) wird mittels eines Hebelgestänges ( 7 ), einer Buchse ( 8 ) und einer Feder ( 9 ) vorgespannt. This braking element (6) is biased by means of a lever linkage (7), a socket (8) and a spring (9).

Ist das Bein entlastet, so liegt das Außenteil ( 3 ) nicht an der Bremsvorrichtung ( 6 ) an. Is the leg relieved so the outer part (3) does not abut against the brake device (6). Daher ist das Kniegelenk unge bremst und damit in beiden Richtungen frei beweglich. Therefore, the knee joint is unge brakes and thus free to move in both directions. Bei Belastung dagegen bewegt sich der Unterschenkel mit der Freilaufkupplung nach oben, bis der Hebel ( 4 ) an einen An schlag stößt. Under load, however, the lower leg is moved with the one-way clutch upward until the lever (4) abuts an on impact. Gleichzeitig liegt das Außenteil ( 3 ) an der Bremsvorrichtung ( 6 ) an. At the same time the outer part (3) is applied to the braking device (6). Diese Bremsvorrichtung ( 6 ) wird durch die Feder ( 9 ) gegen das Außenteil ( 3 ) gedrückt. This braking device (6) is pressed by the spring (9) against the outer part (3). Die Vorspannkraft der Feder ( 9 ) wird mittels des Hebelgestänges ( 7 ) und der Buchse ( 8 ) abhängig vom Beugungswinkel des Kniegelenks gesteuert, so daß die Größe der Bremswirkung vom Beugewinkel des Kniegelenks abhängig ist. The biasing force of the spring (9) by means of the lever linkage (7) and the bush (8) is controlled depending on the diffraction angle of the knee joint, so that the magnitude of the braking effect from the bending angle of the knee joint is dependent.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit von der Beugungs geschwindigkeit abhängiger Bremswirkung. Fig. 2 shows an embodiment with speed-dependent diffraction of the braking effect. Diese Anordnung ist durch hydraulische Elemente realisiert. This arrangement is implemented by hydraulic elements. Hierbei dient der Drehpunkt ( 1 ) lediglich zur drehbaren Verbindung von Ober- und Unterschenkelteil der Prothese. Here, the point of rotation (1) only serves for pivotally connecting the upper and lower leg portion of the prosthesis. Zwischen beiden Teilen ist ein Zylinder ( 2 ) angeordnet, dessen Kolben beim Beugen des Kniegelenks einfahren und beim Strecken ausfah ren muß. Between two parts of a cylinder (2) is arranged, the piston retract during flexion of the knee joint and in stretching must ausfah ren. Ist das Bein entlastet, so befindet sich das 2/2- Wege-Ventil ( 5 ) in Durchgangsstellung. Is the leg relieved, then the 2/2-way valve (5) is in the passage position. Wird nun das Kniege lenk in einer der beiden Richtungen bewegt, so strömt das Hydrauliköl aus dem Kolbenraum ( 3 ) in den Stangenraum ( 4 ) bzw. umgekehrt, wobei das Differenzvolumen mit Hilfe des Speichers ( 8 ) ausgeglichen wird. If now the steering Kniege moved in either direction, so the hydraulic oil from the piston chamber (3) flows into the rod space (4) or vice versa, wherein the differential volume with the aid of the memory (8) is compensated. Wird dagegen der Unter schenkel belastet, so wird das Ventil ( 5 ) betätigt und in Sperrstellung gebracht. If, however, the loaded lower leg, the valve (5) is actuated and brought into locking position. In dieser Stellung kann das Kniege lenk nur noch weitgehend ungehindert gestreckt werden, wo bei das Hydrauliköl über das Rückschlagventil ( 6 ) strömt. In this position, the Kniege can only be stretched largely unhindered joint, where the hydraulic oil flows in via the check valve (6). In Beugerichtung wird der Ölstrom jedoch durch das Rück schlagventil ( 6 ) blockiert, so daß lediglich Öl durch das Steuerventil ( 7 ) abfließen kann. In bending direction of the oil flow is blocked by the back check valve (6), so that only oil by the control valve (7) can flow. Dieses ist so aufgebaut, daß der Druckunterschied zwischen beiden Seiten des Ventils durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. This is constructed so that the pressure difference between both sides of the valve is determined by the flow velocity. Somit ist die Bremswirkung von der Beugeschwindigkeit des Kniegelenks abhängig. Thus, the braking effect of the Beugeschwindigkeit the knee depends.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Feder ( 10 ) in Fig. 1 bzw. ( 9 ) in Fig. 2, die der Belastungskraft entgegenwirkt. Particularly advantageous is the use of a spring (10) in Fig. 1 and (9) in Fig. 2, which counteracts the loading force. Mit Hilfe dieser Feder kann bewirkt werden, daß eine gewisse Mindestaufstandskraft erforderlich ist, bis die Bremsvorrichtung wirksam wird. With the aid of this spring may be caused to a certain minimum contact force is required until the brake device becomes effective.

Neben den beschriebenen Möglichkeiten ist prinzipiell ein künstliches Kniegelenk gemäß der Erfindung auch über elek trische, elektronische oder pneumatische Hilfselemente bzw. durch Kombinationen davon realisierbar. In addition to the options described an artificial knee joint according to the invention also elec tric, electronic or pneumatic auxiliary elements or combinations thereof is in principle realizable.

Claims (7)

1. Kniegelenk für eine Prothese als Ersatz für das natürli che Kniegelenk, mit freier Beweglichkeit in Streckrich tung des Beines und belastungsabhängiger Bremsung in Beu gerichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Bremswirkung durch einen Signalgeber innerhalb der Pro these gesteuert wird. 1. knee joint for a prosthesis as a substitute for the Natürli che knee joint, with free mobility in stretch rich processing of the leg and load-dependent braking in Beu court tung, characterized in that the size of the braking action is controlled by a signal generator within the Pro synthesis.
2. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung abhängig vom Beugewinkel erfolgt. 2. The knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect is dependent on the flexion angle.
3. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung abhängig von der Geschwin digkeit der Beugebewegung erfolgt. 3. The knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect depends on the Geschwin speed of the bending movement takes place.
4. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung abhängig von der Beschleu nigung der Beugebewegung erfolgt. 4. The bending movement takes place knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect depends on the nigung Accelerat.
5. Kniegelenk nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeich net, daß als Steuersignal die Fliehkraft eines rotieren den Elements genutzt wird. 5. The knee joint according to claim 1 and 3, characterized in that as a control signal to rotate the centrifugal force of the element is used.
6. Kniegelenk nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeich net, daß zur Steuerung die Viskosität eines Mediums ge nutzt wird, und zwar derart, daß entweder das Medium durch eine enge Öffnung (z. B. Drossel) gepreßt wird oder dadurch, daß das Medium zwischen zwei relativ zueinander bewegten Flächen geschert wird. is utilized 6. The knee joint according to claim 1 and 3, characterized in that for controlling ge the viscosity of a medium in such a manner that either the medium through a narrow aperture (z. B. throttle) is pressed or by the fact that the medium between two relatively moving surfaces is sheared.
7. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung über elektrische, elektro nische, hydraulische bzw. pneumatische Hilfselemente re alisiert wird. 7. The knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect re via electrical, electromagnetic niche, hydraulic or pneumatic auxiliary elements is alisiert.
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