DE4305213C2 - Dämpfungs-Zylinder für eine Beinprothese - Google Patents
Dämpfungs-Zylinder für eine BeinprotheseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinder für eine
Beinprothese gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
wie er in einer Beinprothese für eine Person verwendet wird,
deren Oberschenkel oberhalb des Knies amputiert ist.
Typische Beispiele solcher Beinprothesen und in diesen
verwendete Zylinder sind in der JP 52-47638 C beschrieben
und der Stand der Technik wird im folgenden anhand dieser
Beispiele erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Prothese mit einem Oberschenkelteil 1 und
einem Unterschenkelteil 2, die durch ein Knie-Gelenk 3
schwenkbar miteinander verbunden sind. Zwischen dem Ober
schenkelteil 1 und dem Unterschenkelteil 2 ist ein das
Gelenk überbrückender pneumatischer Stoßdämpfungs-Zylinder
angeordnet, der an Schwenklagern 5 und 6 befestigt ist und
das Gelenk der Teile 1 und 2 abstützt. Der Zylinder 4 wird
beim Strecken und Abbiegen des Gelenks während des Gehens
auseinandergezogen bzw. zusammengedrückt und dient dazu, die
Streck- und Biegebewegung des Gelenks durch seinen internen
Luftdruck zu bremsen und zu puffern.
Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, enthält der
bekannte Zylinder eine zylindrische Buchse 10, die an ihren
Enden durch einen Kopfdeckel 12 und einen Kolbenstangen
deckel 14 verschlossen ist, durch den eine Kolbenstange 18
geht, an der ein in die Buchse 10 gleitend passender Kolben
16 befestigt ist. Die Kolbenstange 18 weist an ihrem einen
Ende einen Kopplungsteil 20 zur Verbindung mit dem Schwenk
lager 5 am Oberschenkelteil 1 auf und der Kopfdeckel 12 ist
mit einem Kopplungsteil 22 zur Verbindung mit dem Schwenk
lager 6 des Unterschenkelteils 2 versehen. Der Zylinder 4
kann auch umgekehrt angeordnet werden, so daß das Kopplungs
teil 20 mit dem Unterschenkelteil 2 und das Kopplungsteil 22
mit dem Oberschenkelteil 1 gelenkig verbunden ist, wenn dies
die Umstände zulassen.
Der Kolben 16 unterteilt den Innenraum der Buchse 10 in eine
an den Kopfdeckel 12 angrenzende Kopfkammer 24 und eine an
den Kolbenstangendeckel 14 angrenzende Kolbenstangenkammer
26. Fig. 2 zeigt den Zylinder im ausgezogenen Zustand, bei
dem die Kopfkammer 24 ihr maximales Volumen hat, und Fig. 3
zeigt den Zylinder im zusammengedrückten Zustand, bei dem
die Kolbenstangenkammer 26 ihr maximales Volumen hat. Der
Kolben 16 enthält ein Rückschlagventil 28 zum Verbinden der
Kopfkammer 24 mit der Kolbenstangenkammer 26. Das Rück
schlagventil 28 gestattet der Luft in der Buchse von der
Kolbenstangenkammer 26 in die Kopfkammer 24 zu strömen,
sperrt jedoch eine Strömung in der entgegengesetzten
Richtung. Der Zylinder bietet daher in Richtung des
Zusammendrückens einen großen Widerstand, in der Streck
richtung jedoch einen kleineren Widerstand dar, so daß sich
das Gelenk der Prothese leicht strecken jedoch schwerer
biegen läßt. Die Kolbenstange 18 enthält, wie dargestellt,
ein Drosselventil 30, das die Kopfkammer 24 mit der Kolben
stangenkammer 26 verbindet, und einen Nadel-Ventilkörper 32
enthält, der durch eine Justierschraube 34 in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung verstellt werden kann, um den Durchlaß des
Drosselventils 30 zu verstellen. Der Widerstand des
Zylinders beim Zusammendrücken bzw. der Biegewiderstand des
Gelenks kann daher durch Verstellen des Drosselventils 30
verstellt werden.
Wie am deutlichsten aus Fig. 3 ersichtlich ist, hat die
Kolbenstange 18 angrenzend an den Kolben 16 einen Teil
größeren Durchmessers, der als "dickerer" Teil 36 bezeichnet
werden soll. Das Durchgangsloch im Kolbenstangendeckel 14,
durch das die Kolbenstange 18 geht, ist teilweise erweitert,
so daß es einen Hohlraum 38 zur Aufnahme des dickeren Teiles
36 bildet, und in seiner Öffnung ist ein O-Ring 40 mit
V-förmigem Querschnitt angeordnet. Wie Fig. 2 zeigt, tritt
der dickere Teil 36 der Kolbenstange beim Ausziehen des
Zylinders in den Hohlraum 38 ein und bildet unten in ihr
eine Pufferkammer 42. Ein Teil der Luft in der Pufferkammer
42 wird durch einen gestrichelt angedeuteten Drosselkanal in
die Kolbenstangenkammer 26 abgelassen.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Menschen beim Gehen, wobei
der Kopf mit A1, der Rücken bzw. Körper mit A2, die Hüfte
mit A3, das Knie mit A4, die Ferse mit A5 und die Zehen mit
A6 bezeichnet sind. Der dargestellte Bewegungszyklus beim
Gehen beginnt und endet mit dem Zeitpunkt, bei dem die Ferse
A5 des einen Beines die Erde berührt und er umfaßt 13
Positionen oder Phasen B1, B2, . . . B7 und C1, C2, . . . C6,
wobei die Periode zwischen den Positionen B1 und B7, in der
die Ferse A5 oder die Zehen A6 den Boden berühren, als
"Aufsetzphase" B und die Periode mit den Positionen C1 bis
C6, in der sowohl die Ferse A5 als auch die Zehen A6 vom
Boden abgehoben sind, als "Abhebephase" C bezeichnet werden
sollen. Wenn sich beim Gehen das eine Bein in der Aufsetz
phase B befindet, befindet sich das andere Bein in der
Abhebephase C und beim Gehen wechseln sich Aufsetz- und
Abhebephasen jeweils ab.
In der Position B1 fluchten der Oberschenkel 1 und der
Unterschenkel 2 im wesentlichen, während der Kopf und der
Rücken A1 bzw. A2 sich etwas hinter der Ferse A5 befinden.
Beim Übergang von der Position B1 in die Position B4
schwenken der Oberschenkel 1 und der Unterschenkel 2 um die
Ferse, wobei sie im wesentlichen eine Gerade bilden, und
ungefähr zur gleichen Zeit wie die Zehen 6 in der Position
B4 in Berühung mit dem Boden kommen, bilden alle Teile vom
Kopf A1 bis zur Ferse A5 im wesentlichen eine Gerade in
einem aufrechten Zustand. Während diese Teile vorn Kopf A1
bis zur Ferse A5 beim Übergang von der aufrechten Position
B4 zur Position B7 allmählich nach vorne fallen, beginnt
etwas nach der Position B7 der obere Teil des Körpers sich
um die Hüfte A5 aufzurichten und der Oberschenkel 1 und der
Unterschenkel 2 schwenken, so wie sie sind, um die Zehen A6.
Als nächstes verlassen die Zehen A6 nach der Position C1 den
Boden und der Unterschenkel beginnt in Uhrzeigerrichtung um
die Hüfte A3 bezüglich des Oberschenkels 1 zu schwenken
oder, mit anderen Worten gesagt, beginnt das Bein sich
abzubiegen bis die Beugung in der Position C3 ihr Maximum
erreicht. Von der Position C3 zur Position C6 schwenkt dann
der Unterschenkel 2 in Gegenuhrzeigerrichtung um die Hüfte
A3 bezüglich des Oberschenkels 1 und das Bein erreicht in
der Position C6 seinen nahezu gestreckten Zustand.
Der Zylinder 4 arbeitet während des oben beschriebenen Geh
zyklus wie folgt: Während der Aufsetzphase B, in der der
Oberschenkelteil 1 und der Unterschenkelteil 2 der Prothese
im wesentlichen eine gerade Linie bilden, befindet sich der
Zylinder 4 im wesentlichen in dem in Fig. 2 dargestellten
ausgezogenen Zustand. Nach der Position C1 beginnt er jedoch
zusammengedrückt zu werden und die Luft in der Kopfkammer 24
strömt durch das Drosselventil 30 in die Kolbenstangenkammer
26. Durch Einstellen dieser Luftströmung mittels des Nadel
ventilkörpers 32 kann die Hochschwenkgeschwindigkeit des
Unterschenkelteiles 2 geeignet eingestellt werden. Bei der
maximal hochgeschwenkten Position C3 des Unterschenkelteiles
2 erreicht der Zylinder 4 den in Fig. 3 dargestellten
zusammengedrückten Zustand und die in der Kopfkammer 24
verbliebene Luft wird in einer Vertiefung 46 komprimiert,
die im Kopfdeckel 12 gebildet ist. Durch die Rückstellkraft
dieser verdichteten Luft beginnt der Zylinder 4 sich
anschließend zu strecken um das Abwärts-Schwenken des Unter
schenkelteiles 2 einzuleiten. Die Luft in der Kolbenstangen
kammer 26 strömt dann durch das Rückschlagventil 28 in die
Kopfkammer 24 und das Unterschenkelteil 2 wird dadurch sanft
nach unten geschwenkt. In der Position C2 ist das Unter
schenkelteil 2 schließlich vollständig gestreckt und der
Zylinder 4 gelangt in den in Fig. 2 dargestellten
gestreckten Zustand, in dem der Teil 36 größeren Durch
messers in den Hohlraum 38 eingreift um eine Dämpfungskammer
42 zu bilden. Die Dämpfungskammer 42 dient dazu, den Stoß
beim Anschlag des oberen Endes 2a des Unterschenkelteiles 2
am unteren Ende 1a des Oberschenkelteiles 1 zu dämpfen.
Bei dem oben beschriebenen bekannten Zylinder ist der Stoß
dämpfungseffekt der Dämpfungskammer 42 jedoch verhältnis
mäßig klein, da sie ein kleines Volumen hat und die Luft in
ihr rasch zusammengedrückt wird. Insbesondere wenn die
Abwärtsschwenkgeschwindigkeit des Unterschenkelteiles 2 hoch
ist, kann der erwähnte Stoß nicht vollständig absorbiert
werden und es ergibt sich für den Träger der Prothese ein
unangenehmes Gefühl durch diese Stöße, wenn er schneller zu
gehen beginnt. Auch bei verhältnismäßig niedriger Geh
geschwindigkeit ergeben sich ähnliche Probleme, wenn die
Beinprothese lang und schwer ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe
zugrunde, einen verbesserten Zylinder für eine Beinprothese
anzugeben, der eine einwandfreie Dämpfung des oben beschrie
benen Stoßes gewährleistet und ein komfortables Gehen
unabhängig von der Gehgeschwindigkeit und vom Gewicht des
Unterschenkelteiles gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst, insbesondere dadurch, daß der Zylinder eine große
Dämpfungskammer aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Zylinder für eine Beinprothese hat eine
ähnliche Konstruktion wie der oben beschriebene bekannte
Zylinder. Sein Kolben 16 hat jedoch kein Rückschlagventil
26, das die Kolbenstangenkammer 26 mit der Kopfkammer 24
verbindet; statt dessen weist der Teil größeren Durchmessers
36 seiner Kolbenstange 18 einen Kanal auf, der durch eine
longitudinale Bohrung gebildet wird und seitlich an einer
Stelle der Kolbenstange 18 mündet, die sich bei dem Teil
großen Durchmessers 36 befindet, und in diesem Kanal ist ein
Rückschlagventil angeordnet, das in derselben Richtung
arbeitet, wie das oben erwähnte Rückschlagventil 28.
Wenn der so konstruierte Zylinder zusammengedrückt wird,
strömt die Luft aus der Kolbenstangenkammer 26 durch das
Rückschlagventil im Teil 36 großen Durchmessers in die Kopf
kammer 24 bevor der Teil 36 großen Durchmessers an dem
Kolbenstangendeckel 14 anlangt. Nachdem jedoch der Teil 36
großen Durchmessers in den Hohlraum 38 im Kolbenstangen
deckel 14 eintritt, ist die Kolbenstangenkammer 26 mit
Ausnahme des Strömungsweges 24 hohen Widerstandes voll
ständig abgetrennt und bildet eine große Dämpfungskammer,
die in der Lage ist, jeden Stoß vollständig zu absorbieren.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei
werden noch weitere Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Beinprothese, bei
der der vorliegende Zylinder angewendet werden kann;
Fig. 2 einen Längsschnitt eines bekannten Zylinders, von dem
die Erfindung ausgeht, im gestreckten Zustand;
Fig. 3 einen Längsschnitt des Zylinders gemäß Fig. 2 im
zusammengedrückten Zustand;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Bewegungsphasen
eines Menschen beim Gehen und
Fig. 5 eine teilweise längsgeschnittene Seitenansicht einer
Ausführungsform des vorliegenden Zylinders im
zusammengedrückten Zustand.
In den Zeichnungen sind entsprechende Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
Der in Fig. 5 als Ausführungsbeispiel der Erfindung darge
stellte Zylinder 4 enthält wie der oben beschriebene
bekannte Zylinder eine zylindrische Buchse 10, deren Enden
durch einen Kopfdeckel 12 und einen kolbenstangenseitigen
Deckel ("Kolbenstangendeckel") 14 verschlossen sind, und
einen Kolben 16, der gleitend in der Buchse 10 sitzt und an
dem ein Ende einer Kolbenstange 18 befestigt ist, die durch
den Kolbenstangendeckel 14 geht. Der Kolben 16 teilt den
Innenraum der Buchse 10 in eine Kopfkammer 24 und eine
Kolbenstangenkammer 26. Die Kolbenstange 18 hat einen Teil
36 größeren Durchmessers angrenzend an den Kolben 16. Der
kolbenstangenseitige Deckel 14 weist einen Hohlraum 38 zur
Aufnahme des Teiles 36 größeren Durchmessers der Kolben
stange auf. An der Mündung des Hohlraumes 38 ist ein O-Ring
40 mit V-förmigem Querschnitt angeordnet. In den kolben
stangenseitigen Deckel 14 ist ein Kanal 44 gebohrt, der den
Hohlraum 38 mit der Kolbenstangenkammer 26 verbindet. Der
Querschnitt des Kanals 44 kann von außen durch ein als
Nadelventil ausgebildetes Drosselventil 45 eingestellt
werden. Der Kopfdeckel 12 weist eine Vertiefung 46 auf.
Der Teil 36 größeren Durchmessers der Kolbenstange 18 ist
von einem Kanal 29 durchbohrt, um die Kopfkammer 24 mit der
Kolbenstangenkammer 26 zu verbinden. Im Kanal 29 ist ein
Drosselventil 30 mit einem Nadelventilkörper 32 angeordnet.
Im Gegensatz zu dem bekannten Zylinder mündet der Kanal 29
nicht an der Seitenwand des Teiles 36 größeren Durchmessers,
er hat vielmehr eine Öffnung 31 im Teil kleineren Durch
messers neben dem Teil 36 größeren Durchmessers, wie aus
Fig. 5 ersichtlich ist. Die Öffnung des Drosselventils 30
wird durch einen Motor 33 gesteuert, der mit dem anderen
Ende des Nadelventilkörpers 32 verbunden ist und durch einen
nicht dargestellten Elektronenrechner gesteuert wird.
In den Teil 36 größeren Durchmessers der Kolbenstange 18 ist
noch ein zweiter Kanal 48 gebohrt, der die Kopfkammer 24 mit
der Kolbenstangenkammer 26 verbindet und ein zur Kopfkammer
24 hin öffnendes Rückschlagventil 50 enthält. Der Kanal 48
und der Kanal 29 haben eine gemeinsame Mündung 31 in die
Kolbenstangenkammer 26.
Wenn der Zylinder 4 von der dargestellten Position aus
gestreckt wird, strömt die Luft in der Kolbenstangenkammer
26 hauptsächlich durch den Kanal 48 und das Rückschlagventil
50 in die Kopfkammer 24 und die Streckbewegung kann daher
leicht fortschreiten. Die Abwärtsschwenkbewegung des
Unterschenkelteiles 2 nach der Position C3 in Fig. 4 läuft
daher leicht ab. Wenn der Teil 36 größeren Durchmessers in
der Nähe der Position C5 in den Hohlraum 38 eintritt, wird
der Kanal 48 jedoch von der Kolbenstangenkammer 26
abgetrennt und statt dessen mit dem Hohlraum 38 verbunden.
Der Luftströmung von der Kolbenstangenkammer 26 zur Kopf
kammer 24 steht daher kein anderer Weg zur Verfügung als
durch den Kanal 44 mit dem Drosselventil 45 und den Hohlraum
48 obwohl die Luft im Hohlraum 38 leicht durch das
Rückschlagventil 50 in die Kopfkammer 24 strömt. Diese Luft
strömung wird daher durch den Widerstand des Drosselventils
45 gedrosselt und die Streckbewegung wird gebremst. Da
außerdem das verbleibende Volumen der kolbenstangenseitigen
Kammer 26 groß genug ist, ist die Bremswirkung verhältnis
mäßig langsam und der Stoß wird genügend gedämpft. Die Stoß
dämpfung kann mittels des Drosselventils entsprechend dem
Gewicht der Prothese und außerdem durch das Drosselventil 30
frei eingestellt werden. Es ist daher möglich, die Stoß
dämpfung in Abhängigkeit von der Gehgeschwindigkeit einzu
stellen, wenn die Gehgeschwindigkeit erfaßt und in den
Computer zur Steuerung des Motors 33 eingegeben wird. Wenn
der Motor außerdem so gesteuert wird, daß er das Drossel
ventil 30 in der gestreckten Position des Zylinders
schließt, bleibt der Luftdruck in der Kopfkammer 24 genügend
hoch, um das Oberschenkelteil 1 und das Unterschenkelteil 2
während der Aufsetzphase B von der Position B1 zur Position
B7 annähernd gestreckt zu halten.
Wenn der Zylinder 4 genügend zusammengedrückt wird, wird die
Luft in der Kopfkammer 24 komprimiert und ein Teil von ihr
strömt durch das Drosselventil in den Hohlraum 38, da das
Rückschlagventil 50 geschlossen ist. Die in den Hohlraum 38
strömende Luft drückt dann den inneren Umfang des V-förmigen
O-Ringes 40 zur Seite und strömt in die kolbenstangenseitige
Kammer, da die Volumenänderung der kolbenstangenseitigen
Kammer 26 wesentlich größer ist als die des Hohlraums 38.
Nachdem der Teil 36 größeren Durchmessers der Kolbenstange
18 aus dem Hohlraum 38 ausgetreten ist, strömt die durch das
Drosselventil gehende Luft direkt in die kolbenstangen
seitige Kammer. Wenn der den Motor 33 steuernde Computer so
eingestellt ist, daß er das Drosselventil beim Kontraktions
prozeß des Zylinders öffnet, läßt sich die Hochschwenk-
(Beuge-)Bewegung des Unterschenkelteiles 2 nach der Position
C1 leicht und natürlich bewirken.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich in der
verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der
Erfindung zu überschreiten. Beispielsweise kann der Nadel
ventilkörper 32 von Hand einstellbar sein, wie es in den
Fig. 2 und 3 dargestellt ist, anstatt durch den Motor 33.
Claims (3)
1. Zylinder für eine Beinprothese, der zwischen ein Ober
schenkelteil (1) und ein an diesem angelenktes Unter
schenkelteil (2) der Prothese gekoppelt ist um einem
Abbiegen und Strecken der Prothese einen gewünschten Wider
stand entgegenzusetzen, mit
- - einer zylindrischen Buchse (10), deren Enden durch einen Kopfdeckel (12) bzw. einen kolbenstangenseitigen Deckel (14) verschlossen sind;
- - einem Kolben (16), der mit einem Ende einer durch den kolbenstangenseitigen Deckel (14) gehenden Kolbenstange (18) verbunden ist, gleitend in der Buchse (10) sitzt und das Innere der Buchse in eine Kolbenstangenkammer (26) auf der Seite der Kolbenstange und eine Kopfkammer (24) auf der Seite des Kopfdeckels (12) unterteilt, wobei die Kolbenstange einen Teil vergrößerten Durchmessers (36) zwischen dem Kolben und einem restlichen Teil kleineren Durchmessers aufweist,
- - einem zylindrischen Hohlraum (38) im kolbenstangenseitigen Deckel (14) zur Aufnahme des Teiles (36) vergrößerten Durchmessers der Kolbenstange,
- - einem ersten Kanal (44) im kolbenstangenseitigen Deckel (14), der ein einstellbares erstes Drosselventil (45) enthält und den Hohlraum (38) mit der Kolbenstangenkammer (26) verbindet,
- - einem zweiten und einem dritten Kanal (29, 48) in der Kolbenstange (18), welche die Kopfkammer (24) mit der Kolbenstangen kammer (26) verbinden,
- - einem einstellbaren zweiten Drosselventil (30) im zweiten Kanal (29), und
- - einem Rückschlagventil (50), das im dritten Kanal (48) angeordnet ist und in Richtung auf die Kopfkammer öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Kanal (29, 48) zur Kolbenstangenkammer hin an einer Stelle des Teiles kleineren Durchmessers der Kolbenstange (18) bei dem Teil (36) größeren Durchmessers münden.
2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Teil (36) größeren Durchmessers lose in den zylin
drischen Hohlraum (38) paßt; daß der Hohlraum an seiner
Mündung mit einem O-Ring (40) versehen ist, der am Teil (36)
größeren Durchmessers der Kolbenstange angreift und so aus
gebildet ist, daß er eine Luftströmung von dem genannten
Hohlraum zur Kolbenstangenkammer zuläßt, ein Rückströmen von
Luft jedoch verhindert, wenn der Teil (36) größeren Durch
messers in den Hohlraum (38) eintritt.
3. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite Drosselventil (30) durch einen Motor (33) verstellbar
ist, der durch einen elektronischen Rechner gesteuert ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4305213C2 true DE4305213C2 (de) | 1995-07-13 |
Family
ID=13518553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4305213A Expired - Lifetime DE4305213C2 (de) | 1992-02-24 | 1993-02-19 | Dämpfungs-Zylinder für eine Beinprothese |
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