DE69326951T2

DE69326951T2 - Künstliches gelenk mit einem hydraulischen dämpfenden zylinder

Info

Publication number: DE69326951T2
Application number: DE69326951T
Authority: DE
Inventors: Finn Gramnas
Original assignee: Individual
Current assignee: Gramtec Innovation AB
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1993-06-09
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2013-06-10
Also published as: CA2137691C; GR3032513T3; US5800566A; WO1993025165A1; SE9202472L; JPH08505063A; SE9202472D0; ATE186197T1; DK0645993T3; ES2141159T3; EP0645993B1; DE69326951D1; SE508780C2; CA2137691A1; JP3672308B2; EP0645993A1

Description

Künstliches Gelenk mit einem hydraulisch dämpfenden Zylinder

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein künstliches Gelenk mit einem oberen Teil und einem unteren Teil, die durch zumindest einen ersten Drehpunkt miteinander verbunden sind und mit einer Vorrichtung zur Dämpfung der Drehbewegung des Gelenkes versehen sind. Sie betrifft speziell ein solches künstliches Kniegelenk, bei welchem es nicht möglich ist, normale dämpfende Zylinder mit einem Zylinderblock, in den sich eine Kolbenstange hin- und hergehend hinein und heraus bewegt, einzubauen. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere ausgelegt, um mit künstlichen Kniegelenken des Typs mit sieben Drehpunkten verwendet zu werden, was in der schwedischen Patentanmeldung Nr. 91 001 183-4 und in der internationalen Patentanmeldung PCT/SE91/00240 weiter beschrieben ist, wobei die dämpfenden Zylinder nach der vorliegenden Erfindung auch mit künstlichen Gelenken anderer Typen, wie zum Beispiel mit polyzentrischen Kniegelenken mit vier Drehpunkten und selbst mit Gelenken, die einen einzigen Drehpunkt aufweisen, vorteilhaft verwendet werden können.
Der Typ eines künstlichen Gelenks mit sieben Drehpunkten, der in der oben erwähnten Patentveröffentlichung beschrieben ist, bringt an sich einen großen Fortschritt in Bezug auf den bisherigen Stand der Technik. Mit einem wie unten beschriebenen und gemäß den Patentansprüchen ausgestatteten hydraulisch dämpfenden Zylinder ist das Gelenk außerdem mit einer Steuerung der Schwenkphase versehen, was zusammen mit der Qualität der Stabilität des Gelenkes ein künstliches Kniegelenk schafft, das einem natürlichen Bein, trotz Fehlens von aktiven Bauelementen zum Ersetzen der Muskelkraft, funktionell sehr nahe kommt.
Im Stand der Technik ist bekannt, hydraulisch dämpfende Zylinder mit anderen künstlichen Gelenken, siehe zum Beispiel die Druckschrift EP 0 097 226, anzubringen. In seiner einfachsten Ausführung weist der dämpfende Zylinder einen Kolben und Kanäle mit Drosselventilen im Zylinder zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Kolbens auf. Die vorliegende Erfindung ist auch auf dieses Prinzip angewiesen. Nach der vorliegenden Erfindung wird aber keine Kolbenstange verwendet, die sich in den dämpfenden Zylinder hinein oder aus diesem herausbewegt, weil es Nachteile und Schwierigkeiten mit sich bringen wird, derartige normale dämpfende Zylinder zum Beispiel in diese Kniegelenke mit mehrfachen Drehpunkten wie oben erwähnt, einzubauen.
Aus der schweizerischen Patentveröffentlichung Nr. 248 586 war außerdem seit langem bekannt, hydraulisch dämpfende Zylinder derart anzuordnen, dass die Längsbewegung des Kolbens mit Hilfe einer Verzahnung am Kolben, die sich mit einem Zahnrad in Eingriff befindet, direkt in eine Drehbewegung übertragen wird. Diese Konstruktion, die hauptsächlich für Türschließer beabsichtigt ist, weist eine eingebaute Feder mit einer Federkraft auf, die in einer Richtung auf den Kolben wirkt, während der Kolben ein federbelastetes Ventil umfaßt, das bei Bewegung gegen die Federkraft öffnet, und einen Kanal, der die Rückkehrbewegung dämpft. Obwohl diese Konstruktion seit 1947 bekannt gewesen ist, wurde vor der vorliegenden Erfindung keine ähnliche Konstruktion mit einem künstlichen Gelenk gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, noch weniger erfolgte eine Anpassung daran.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein künstliches Gelenk mit mehrfachen Drehpunkten zu erreichen, das mit einem hydraulisch dämpfenden Zylinder derart integriert ist, dass dieser die Länge zum Gelenk nicht nennenswert vergrößert oder die Funktion des Gelenkes anderweitig verschlechtert.
Eine zweite Aufgabe ist es, einen dämpfenden Zylinder zu erreichen, dessen gedämpfte Bewegung im Drehen einer Achse anstelle einer axialen Bewegung besteht, wodurch ein besseres Abdichten gegen Leckage von Hydrauliköl erreicht werden kann.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen dämpfenden Zylinder zustande zu bringen, in welchem das Dämpfen in mehreren Stufen in unterschiedlicher Größe stattfinden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den dämpfenden Zylinder in dem Gelenk derart anzuordnen, dass darin erzeugte Wärme abgeleitet wird, um keine zu hohe Temperatur zu erreichen.
Diese und andere Aufgaben werden mit einem künstlichen Gelenk und einem dämpfenden Zylinder zustande gebracht, denen Eigenschaften gemäß den Ansprüchen gegeben wurden, die nach der Beschreibung folgen.
Die Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen zeigen
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Gelenk mit sieben Drehpunkten, das einen Pumpraum sowie eine obere Auflagebrücke (1) aufweist, die einen dämpfenden Zylinder enthält;
Fig. 2 teilweise im Schnitt den Pumpraum gemäß Fig. 1;
Fig. 3 bis 7 verschiedene Ansichten, Schnitte und Einzelheiten davon;
Fig. 8 die Welle mit Zahnrad von Fig. 2;
Fig. 9 den Kolben mit Zahnstange in Fig. 2; und
Fig. 10, wie Kanäle und Ventile in dem Pumpraum angeordnet sind.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Gelenkes 10, das in der oben erwähnten schwedischen und in der PCT-Patentanmeldung ausführlicher beschrieben ist. Sie stellt sieben Drehpunktachsen 2 bis 8, eine obere Auflagebrücke 1, ein vorderes Verbindungsglied 9 mit zwei Drehpunktachsen, ein hinteres Verbindungsglied 11 mit drei Drehpunktachsen, eine Aussteifung oder Brücke 12 mit drei Drehpunktachsen dar, wobei die Brücke 12 die Verbindungsglieder 9 und 11 mit einem Schafthalter 13 an seiner oberen Drehpunktachse 5 verbindet, und ein unteres Verbindungsglied 14 mit zwei Drehpunktachsen das hintere Verbindungsglied 11 mit dem Schafthalter 13 an seiner unteren Drehpunktachse 8 verbindet. Wie aus den oben erwähnten Patentanmeldungen ausführlicher deutlich wird, bildet diese Konstruktion mit sieben Drehpunkten ein besonders vorteilhaftes künstliches Kniegelenk.
Bekannte Zylinder-Kolben-Anordnungen zur Regulierung und Dämpfung der Schwenkbewegung des Unterschenkelteils können in dieses Gelenk kaum eingebaut werden, es sei denn, dass die Konstruktion schwer und primitiv oder zu lang sein wird. Die den erfindungsgemäßen dämpfenden Zylinder bildende hydraulische Einheit wurde deshalb in die obere Auflagebrücke 1 eingebaut, die damit auch als Pumpraum funktioniert, wie es in der Fig. 2 näher dargestellt ist. So ist die obere Auflagebrücke oder der Pumpraum 1 derart geformt, dass sie mit einer zum Loch für die Drehpunktachse 2 senkrechten zylindrischen Bohrung 23 versehen wurde, die dieses zum Teil schneidet. Die offene Seite der Bohrung 23 ist durch einen Deckel 24 geschlossen. Die einen hydraulischen Zylinder bildende Bohrung 23 enthält eine Kolbenvorrichtung 20 mit einem Kolben 27, der eine das Hydraulikfluid abdichtende Passung in der Bohrung 23 aufweist. Die Kolbenvorrichtung 20 enthält außerdem einen zweiten Teil 28, der sich vom Kolben 27 erstreckt und einen Teil der Verlängerung des Kolbens mit einem axial angeordneten Zahnstangenteil 29 bildet. In der Öffnung für die Drehpunktachse 2 ist eine Welle 21 mit einem mittleren Zahnradteil 30 vorgesehen, das mit dem Zahnstangenteil 29 kämmt. Eine Drehbewegung der Welle 21 wird dadurch gedämpft, dass die Bewegung des Kolbens 27 durch eine Drosselung des Durchflusses in einem Kanal für Hydraulikfluid beeinflußt wird, der mit der Bohrung 23 an beiden Seiten des Kolbens 27 durch die Öffnungen 25 und 26 verbunden ist. Dichtungen sind angebracht, um zu verhindern, dass an der Welle 21 Hydraulikfluid entweichen kann. An der oberen Seite des Pumpraumes 1 ist ein Schraubhals 22 zur Befestigung einer Prothesenmanschette angebracht.
In den Einzeldarstellungen, die den Pumpraum 1 betreffen, zeigen Fig. 3 eine Seitenansicht, Fig. 4 eine Draufsicht, Fig. 5 einen mittleren Schnitt C-C gemäß Fig. 4, Fig. 6 eine Vorderansicht, während die Fig. 7A und 7B jeweils einen Schnitt A-A und einen Schnitt B-B zeigen.
Mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 ist gezeigt, dass der von oben gesehene Hauptteil des Pumpraumes 1 aus einem rechteckigen Teil 31 besteht, von dem sich der Schraubhals 22 und die beiden Seitenteile 32 und 33 erstrecken. Der Schraubhals 22 enthält eine abgeschrägte Fläche 34, die von dem mit Gewinde versehenen Bereich zu einer mittleren abgesenkten Fläche 35 reicht. Die zwei Seitenteile 32 und 33 sind für die Drehpunktachse 3 durchgebohrt, wobei sich zwischen ihnen ein Zwischenraum für das hintere Verbindungsglied 11 für drei Drehpunkte befindet.
Wie aus den Fig. 6, 7A und 7B deutlich wird, sind zwei Längskanäle 40 und 41 von dem vorderen Ende des Pumpraumes 1 parallel zu der zylindrischen Bohrung 23 gebohrt. Die Kanäle 40 und 41 befinden sich jeweils bei den Bezugszeichen 42, 43, 44 und 45 in Verbindung mit querverlaufenden Kanälen 46, 47, 48 und 49, die ihrerseits in die mittlere Bohrung 23 übergehen. Vorzugsweise kann ein weiterer querverlaufender Kanal 50 angeordnet sein und mit dem Kanal 40 in Verbindung stehen. Siehe weiter die Beschreibung in Verbindung mit Fig. 10.
Wie in Fig. 8 ersichtlich, besteht die Welle 21 aus einer Schraube 60 mit einem Hauptteil, der ein Ende der Welle bildet, das mit einer Bohrung 61 mit Innengewinde versehen ist, dem auf die Schraube 60 aufgeschraubten Zahnrad 30 und einer auf das Gewinde der Schraube 62 aufgeschraubten langen Überwurfmutter 63, die das andere Ende der Welle 21 bildet. Die Schraube 60 und das Zahnrad 30 sowie die Überwurfmutter 63 sind miteinander verbunden, indem ein starkes integriertes Teil zum Beispiel mit einem Gewindeklebstoff hergestellt wird. Es ist auch möglich, den Teil in einer solchen Art und Weise herzustellen, dass die Zähne nicht aus dem Umfang der Welle herausragen, wobei die Welle und das mittlere Zahnrad vorzugsweise in einem Stück hergestellt sind.
Wie im Schnitt von Fig. 9 dargestellt, ist der Kolben 20 vorzugsweise aus einem Metallstück 56 und einem Hülsenteil 67 hergestellt, welches den vorderen und den zylindrischen Teil des Metallstücks umgibt, wobei andererseits dieses teilweise zylindrische Teil die Verzahnung 29 bildet. Das Hülsenteil 67 ist vorzugsweise aus einem Material mit guten Abdichtungs- und Verschleißqualitäten hergestellt, selbst wenn ein Metallsplitter oder dergleichen vorhanden ist. Beispiele dieser Materialien sind Kunststoffe aus Polyacetat und Polyurethan. Der Kolbenteil des Metallstücks 66 ist mit einer Gewindebohrung 65 versehen, in die eine das Hülsenteil 67 haltende Schraube 68 eingeschraubt ist.
In Fig. 10 ist die Funktion der Kanäle 40 und 41 sowie der querverlaufenden Kanäle und ihrer Verbindungen mit dem hydraulischen Zylinder ausführlich gezeigt. Die querverlaufenden Kanäle 46 bis 50 sind angepaßt, um die Stellschrauben 71 bis 75 aufzunehmen, die mit Dichtungen in Form von in den Nuten angeordneten O-Ringen 81 bis 85 versehen sind. Die Stellschrauben 71, 72 und 75 sind mit den wie Drossel- und Rückschlagventile funktionierenden Kugelsitzen und Kugeln 91, 92 und 93 ausgeführt, während die Stellschrauben 73 und 74 an den Auslässen jeweils mit einem Filter 95 und einem Magnet 94 versehen sind, um eine gute Funktion zu gewährleisten. Die dämpfende Funktion der Vorrichtung ist so, dass, wenn sich der Kolben 27 in der Figur nach oben bewegt, was einer Rückwärtsbewegung des Schaftes entspricht, die Bewegung zuerst abhängig von der Einstellung der Stellschrauben 71 und 72 gedämpft wird, und anschließend, wenn sich der Kolben hinter den Auslaß an der Stellschraube 72 bewegt hat, die Bewegung allein auf Grund des Drosselventils an der Stellschraube 71 stärker gedämpft wird. Um bei steigender Dämpfung einen sanften Übergang zu erhalten, kann das Hülsenteil 67 des Kolbens 20 mit einer keilförmigen Nut (in den Figur nicht gezeigt) geformt werden, die sich vom Ende des Kolbens an dem Teil des Kolbens verjüngt, der sich hinter den Auslaß an der Stellschraube 72 bewegt. Eine Bewegung in die andere Richtung wird nur durch das Drosselventil an der Stellschraube 75 gedämpft. Um Beschädigungen zu verhindern, wenn mit den Stellschrauben 71, 72 oder 75 eine zu hohe Drosselung eingestellt ist, können auch ein oder mehrere Sicherheitsventile, zum Beispiel in Form von federbelasteten Kugelventilen, angebracht werden, um eine obere Grenze für den Druckunterschied zwischen beiden Seiten des Kolbens 20 zu setzen.
Anstelle der Stellschrauben 71, 72 und 75, die zusammen mit den Kugelsitzen und den Kugeln 91, 92 und 93 sowohl als Drosselventile als auch als Rückschlagventile wirken, können normale Rückschlagventile mit federbelasteten Kugeln verwendet werden, wobei eine nicht einstellbare Drosselung durch die Schrauben 71, 72 und 75 erzielt wird, aber der Grad der Dämpfung in Abhängigkeit von den Abmessungen der Kanäle mit möglichen permanenten Drosselventilen konstant ist, oder auf andere Weise einstellbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde jetzt ausführlich beschrieben. Die Erfindung kann auf viele verschiedene Weisen ausgeführt werden, zum Beispiel können erfindungsgemäße dämpfende Zylinder mit vielen unterschiedlichen Typen von Gelenken verwendet werden. Der Umfang der Erfindung ist nur auf die Fassung der Patentansprüche zu beschränken.

Claims

1. Künstliches Gelenk, insbesondere Kniegelenk (10), umfassend einen oberen Teil und einen unteren Teil, die durch zumindest einen ersten Drehpunkt (2) miteinander drehbar verbunden sind, und mit einer Vorrichtung zur Dämpfung der Drehbewegung des Gelenkes versehen, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Gelenkes eine einen hydraulischen Zylinder (23) enthaltende obere Auflagebrücke (1) bildet, die mit einem oberen Teil einer an einem Beinstumpf zu befestigenden Prothese fest zu verbinden ist, der untere Teil des Gelenkes mit dem oberen Teil des Gelenkes mittels zumindest einer Welle (21) verbunden ist, die mit einem Zahnrad (30) verbunden ist, das sich zumindest teilweise durch den hydraulischen Zylinder erstreckt, wobei das Zahnrad in einen Zahntrieb (29) eingreift, der mit einem Kolben (27) des hydraulischen Zylinders (23) verbunden ist, und die Bewegung des Kolbens (27) durch den Widerstand in Kanälen beeinflußt wird, die Hydraulikflüssigkeit von einer Seite des hydraulischen Zylinders (23) zu der anderen leiten.

2. Künstliches Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wellenbohrung (2) des ersten Drehpunktes quer zu dem hydraulischen Zylinder (23) erstreckt, daß eine Welle (21) in der Wellenbohrung des ersten Drehpunktes angeordnet ist, ein Verbindungsglied (9) an der Welle (21) festgelegt ist, die mit dem Zahnrad (30) verbunden ist, das sich zumindest teilweise in den hydraulischen Zylinder (23) hinein erstreckt.

3. Künstliches Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegung des Kolbens (27) beeinflußt wird durch den Widerstand gegen den Durchfluß von Hydraulikflüssigkeit in den Kanälen (40, 41) zum Leiten der Hydraulikflüssigkeit von einer Seite des hydraulischen Zylinders zu der anderen, und daß Rückschlagventile (91, 92, 93) in entgegengesetzten Richtungen in den Kanälen angeordnet sind, die das Fließen der Hydraulikflüssigkeit in unterschiedlichen Kanälen für jede Bewegungsrichtung steuern.

4. Künstliches Gelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Kolbens (27) durch den Widerstand von zumindest einem einstellbaren Drosselventil (71, 91; 72, 92; 75, 93) in zumindest einem der Kanäle (40, 41) beeinflußt wird.

5. Künstliches Gelenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Kanäle (40) für Hydraulikflüssigkeit außerdem einen zweiten Auslaß in den hydraulischen Zylinder aufweist, der mit einem einstellbaren Drosselventil (72, 92) versehen sein kann, das ein selektives Dämpfen für unterschiedliche Segmente der Drehbewegung möglich macht.

6. Künstliches Gelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbenvorrichtung (20) des dämpfenden Zylinders (23) mit einer keilförmigen Nut geformt ist, die sich von dem vorderen Ende des Kolbens (27) und nach hinten erstreckt, angeordnet gegenüber dem zweiten Auslaß und ein weicheres Schließen des zweiten Auslasses bewirkend, wenn die Kolbenvorrichtung (20) bewegt wird.

7. Künstliches Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk polyzentrischen Types mit sieben Drehpunkten ist.