JP5173821B2 - 力および／またはトルクを測定するためのセンサー・アセンブリ及び前記アセンブリの使用 - Google Patents

Description

本発明は、リジッドなトランスミッタにより伝達される力および／またはトルクを測定するためのセンサー・アセンブリに係る。このセンサー・アセンブリは、第一の接続部によりトランスミッタの第一の部分に接続され、第二の接続部によりトランスミッタの第二の部分に接続されることが可能であり、このセンサー・アセンブリは、機械的なパラメータを電気的なパラメータに変換するための、電気機械式のセンサー要素を備えている。

本発明は、更に、人工の四肢での、特に人工脚部での、そのようなセンサー・アセンブリの使用に係る。

それを用いて患者の歩行解析が実施されるセンサー・アセンブリが、知られている。センサー・アセンブリは、非常に大きな体積を有しているので、それらは、実際に使用されるプロテーゼに可能な限り近く対応しているテスト用のプロテーゼに組み込まれなければならない。しかしながら、テスト用のプロテーゼの異なる構造のために、且つセンサー・アセンブリに起因する重量分布の変化のために、可能な歩行解析は、実際に使用されるプロテーゼを用いた歩行に、非常に限定されたやり方でのみ、対応することになる
更にまた、患者の、プロテーゼが取り付けられた四肢に、加速度計で作られたセンサー・アセンブリを組み込みる試みもなされている。そのようなアセンブリは、歩行の動力学を解析するために、使用されることが可能である。しかし、それは,静止状態においてまたは準静的な動きの場合に、プロテーゼの負荷の測定を可能にするものではない。

DE 101 39 333 Al には、大腿部部分、膝関節、下腿部分、及び足部分を備えたプロテーゼが開示されており、その中で、下腿部が、センサー・アセンブリを保持するように形成されている。センサー・アセンブリは、曲げの負荷からの軸方向の負荷の度量衡学的な分離のために構成されている。このセンサー・アセンブリは,曲げの負荷を測定するための、曲がったサイド支柱を備えたフレーム、及び、縦方向の（軸方向の）負荷を測定するための、中央の細い支柱を有している。

プロテーゼのための力および／またはトルクを決定することは、望ましいだけではなく、アプリケイションの数多くの他の領域のために、例えば、ロボット・アームのデザイン及びコントロールためにも望ましい。
独国特許出願公開第 DE 101 39 333 Al 号明細書 独国特許出願公開第 DE 44 12 377 Al 号明細書 国際公開第 W0 2004/111 592 Al 号パンフレット

本発明は、それ故に、最初に挙げたタイプのセンサー・アセンブリを作り出す目的に基づいており、このセンサー・アセンブリは、小さなスペースの中に構築されることが可能であり、静的及び動的負荷の信頼性の高い測定を可能にする。

本発明によれば、この目的は、最初に挙げたタイプのセンサー・アセンブリにより実現される；このセンサー・アセンブリは：
第一の接続部の周囲を取り囲む第一のフランジを有し、第一の接続部から始まり、支柱を介して第一のフランジに対して垂直な第二のフランジに接続されていて、前記第二のフランジは、第一のフランジに対して平行に並べられ、支柱の間のギャップは、支柱の幅と比べて大きいこと；
また、第二の接続部は、第二のフランジの上に配置されていること；
また、前記センサー要素は、引張または圧縮を決定するためにデザインされ、且つ、第二のフランジの二つの表面の内の少なくとも一つの上で、前記支柱の隣に配置されていること；を特徴とする。

本発明のセンサー・アセンブリは、第一の接続部から第二の接続部への、力の安全な伝達を可能にし、またその逆方向への伝達を可能にする。この第二の接続部は、好ましくは、第二のフランジの上の中央に配置される。伝達される力は、第二のフランジの上の非常に僅かな変形を測定することにより、認識することが可能である。支柱による二つのフランジの間の力の伝達のために、変形が、支柱に隣接する第二のフランジの表面の領域の中に集中し、そこで、引張または圧縮に対して反応するセンサー要素により、検知されることが可能である。

これらの支柱は、好ましくはその長さがそれらの幅を上回っていて、二つのフランジの切り離しをもたらす。このことは、力の伝達を可能にし、且つもう一方では、変形を、フランジの内の一つ（この場合には、第二のフランジ）に集中させ、それによって、変形に対する（即ち、測定効果に対する）二つのフランジの切り離しが実現される。

本発明の好ましい実施形態において、引張及び圧縮を記録するためのセンサー要素は、第二のフランジの両方の表面の上に配置される。かくして、引張と圧縮の間を区別することにより、伝達される力および／またはトルクのタイプが、より信頼性高く決定されることが可能である。更にまた、もし、センサー要素が第二のフランジのトップ側の上及び下側の面の上に配置され、且つ、適切なやり方で互いに接続される場合には、増大された測定信号を得ることが可能である。

本発明の好ましい実施形態において、センサー・アセンブリは、第一のフランジを有する第一の部分と第二のフランジを有する第二の部分の二つの部分、及び支柱で構成され、これらの二つの部分は、例えばネジ接続部により、リジッドに互いに接続されることが可能である。ネジ接続部は、これらの支柱が固定ネジを保持するためのネジが切られたボアを備えている場合には、好ましくは、これらの支柱を介して実施されることが可能である。

センサー・アセンブリの第一の接続部は、好ましくは、円筒状の断面を備えた帽子の形状に形成され、それに対して、第一のフランジがつなげられる。帽子型の接続部は、好ましくは、既知の調整ピラミッドの上に係合することが可能であり、且つ、調整ピラミッドのフェイスに係合する調整ネジためのネジ切りされた貫通ボアを備えることが可能である。

例を挙げると、第二の接続部には、凸状の張り出し部を備えた第二のフランジの中に一体化された調整ピラミッドが形成されることが可能である。

好ましくは、センサー要素はストレイン・ゲージであり、それらは、本発明の好ましい実施形態において、リニアな引張または圧縮を記録するために配置される。

リセスの配置は、第二のフランジ上の好ましくはリニアな引張または圧縮領域の位置に影響を与えることが可能である。リセスは、円形のボア、あるいは、任意の外部輪郭（例えば、三角形の外部輪郭）を備えた貫通孔であることが可能である。

好ましくは、第一及び第二のフランジは、四辺形の輪郭を有していて、それらのコ−ナー部に、四つの支柱が、二つのフランジを接続するために設けられる。第二のフランジの中に引張または圧縮領域を位置させるために設けられるリセスは、好ましくは、第二の接続部と支柱の間に、即ち、好ましくは方形の第二のフランジの対角線の方向に、配置される。

そのような構造は、第二のフランジのエッジに対して平行で、リセスで生じ、第二のフランジのエッジに対して平行に伸びるリニアな引張または圧縮領域の形成を可能にし、この目的のために、ストレイン・ゲージが配置されている。

本発明のセンサー・アセンブリは、非常に小さいスペースの中で実現されることが可能であり、全体的な高さとして、２から３ｃｍ以下が必要とされる。

例を挙げると、本発明のセンサー・アセンブリは、かくして、脚部プロテーゼの中で人工膝関節の直ぐ上方に配置された回転アダプターのサイズ及び重量に適合されることが可能である。そのようなプロテーゼの回転アダプターは、付加的な回転を可能にするものであって、本発明のセンサー・アセンブリと容易に置き換えられることが可能であり、それによって、歩行解析のために要求される力及びトルクが、患者によるその後に続く使用のために作られたプロテーゼに関して、決定されることが可能である。負荷の決定は、かくして、最終的なプロテーゼで行われることが可能であり、このプロテーゼを調整することにより、最適化が可能である。

本発明のセンサー・アセンブリは、長期間の調査を実施するために、プロテーゼの中への長期間の組込みためにも、適している

以下のテクストにおいて、本発明が図面に示された実施形態の例を参照しながらより詳細に説明される。

図１から６は、本発明のセンサー・アセンブリの実施形態の例の構造を示している。このセンサー・アセンブリは,第一の部分１を有しており、この第一の部分は、帽子型の円筒状の接続部２及びそれに連なる方形のフランジ３から作られている。方形のフランジ３は、そのコーナー部に、固定ネジ（図示せず）ための貫通孔４を有している。

帽子型の接続部２は、円筒状の横方向壁面５で作られており、その中に、ネジが切られたボア６が配置され、９０度の回転角度でそれぞれ分離されている。帽子型の接続部２は、そのトップ側に円筒状のボトム部７を、その下側の面に環状の縁８を有しており、前記縁は、矩形のフランジ３と一体的に接続され、それを補強している。

図２は、帽子型の接続部２がほぼ矩形の保持スペース９を有していることを示している。この保持スペースは、四つの傾斜した調整表面を有する調整アダプターを保持するために使用され、この調整表面に対して、調整ネジ（ネジが切られたボア６により取り付けられている）が押圧する。

そのような調整アダプター１０が、センサー・アセンブリの第二の部分１１の上に形成されている。第二の部分１１は、第二の、方形のフランジ１２を有しており、その寸法は、第一のフランジ３の寸法に対応している。二つのフランジ３，１２は、第二の部分に一体的に形成された支柱１３により互いに接続され、この支柱は、第二のフランジ１２のコーナー部で、下方向に伸び、それによって、これらの支柱は、帽子型の接続部１２の径方向外側で、第一のフランジ３の上に載っている。支柱１３は、それぞれ、それらの下側の面にネジ切りされた盲孔を備え、この盲孔は、第一のフランジ３の貫通ボア４と一直線上にそろえられることが可能である。

図３及び４から分かるように、これらの支柱１２は、矩形の断面を有していて、傾斜１６により、それらの自由端の方向に、即ち下方向に、次第に細くなっていて、この傾斜は、二つの支柱１３の間のギャップ１５の方向を指している。

調整アダプター１０は、第二のフランジ１２のトップ側１７の上に配置され、このフランジは、支柱１３とは反対方向に向いている。この調整アダプターは、既知のやり方で、逆さまにしたピラミッド状の台状の形状に形成されており、かくして、調整の目的で調整ネジとの相互作用することが可能な四つの傾斜した平面状の調整表面１８を有している。調整アダプター１０は、拡大された直径を備えたベース１９の中に一体化されており、この直径は、張り出した平面により、方形の第二のフランジ１２への移行を作り出す。

調整アダプター１０は、センサー・アセンブリの第二の接続部を形成する。貫通ボアの形状のリセス２０が、それぞれ、この第二の接続部１０と支柱１３の間に配置され、これらの支柱は、第二のフランジ１２のコーナー部の中に配置され、そしてそれ故に、第二の方形のフランジ１２の対角線方向に配置されている。前記リセスは、ストレスまたは引張領域の形成に影響を与える。これについては、以下においてより詳細に説明される。

図５及び６は、二つの部分１，１１から組み立てられるセンサー・アセンブリを、組み立てられた状態で（但し、固定ネジ無しで）示している。第一の接続部の保持スペース９と、第二の接続部を形成する調整アダプター１０の間に、全体的な高さとして、僅かに２から３ｃｍが必要となることが分かる。

図７から１０は、それぞれ、図１から６に基づくセンサー・アセンブリの縦方向断面を、センサー要素としてフランジ１２の両方の表面に張り付けられたストレイン・ゲージ２１の概略図とともに、概略的に示している。

図７から１０において、それぞれ、下側に配置された平面図は、ストレイン・ゲージ２１の配置を示しており、それにより、ストレイン・ゲージの長さが、リニアな圧縮領域２２または引張領域２３により変化して、抵抗の変化をもたらす。

図７は、ｚ方向に作用する力の場合、即ち、下腿用の環状の骨格状のプロテーゼの軸方向に作用する力の場合を示しいている。ストレイン・ゲージ２１は、第二のフランジ１２のトップ側１７の上に配置されていて、この場合には、圧縮領域２２の中に、配置されている。これらの圧縮領域は、それぞれ、貫通ボア２０から隣接するエッジへ、第二のフランジのエッジ１２に対して平行に、リニアな状態で伸びている。このように並べられたストレイン・ゲージ２１は、かくして、圧縮の方向にそれらの抵抗値を変化させる。

図８によれば、調整アダプター１０は、図の平面（ｘ方向）に対して垂直な軸の周りのトルクにより、影響を受ける。トップ側１７に配置されたストレイン・ゲージ２１に対して、トルクは、トルクが向けられた一方のサイドで圧縮をもたらし(図８の中のプロットされた矢印Ｍｘと比較方)、これに対して、もう一方のサイドで、引張領域２３の形成をもたらす。

図９は、図の平面（ｙ方向）内で、調整アダプター１０に作用する横方向の力を示している。この力により、作用する力に対して垂直方向にのみ、引張領域２３及び圧縮領域２２が形成され、これに対して、第二のフランジ１２のトップ側１７残余のストレイン・ゲージ２１は、測定信号無しのままとどまる。

図１０に示されたｚ方向に作用するトルクＭｚの場合には、圧縮領域２３及び引張領域２２が各リセス２０に形成され、トルクＭｚの方向に見たとき、圧縮領域２３が、それぞれ９０度、引張領域２２に先行している。

ここに図示された例から、発生する異なる力及びモーメントが、センサー要素としてストレイン・ゲージ２１を使用することにより、明確に検知されることが可能であることが分かる。

第二のフランジ１２の下側の面のストレイン・ゲージ２１は、それぞれ、第二のフランジ１２のトップ側１７の３４ストレイン・ゲージ２１の信号に対して相補的な信号を発生させ、それによって、 これらは、適切に加算された場合に、測定信号の増幅に寄与することが可能である。

図１は、センサー・アセンブリの第一の部分の側面の斜視図を示している。 図２は、図１に基づく第一の部分の、対角線方向の下側から見た斜視図を示している。 図３は、センサー・アセンブリの第二の部分の側面の斜視図を示している。 図４は、図３に基づく第二の部分の、対角線方向の下側から見た斜視図を示している。 図５は、両方の部分から組み立てられたセンサー・アセンブリの側面の斜視図を示している。 図６は、図５に基づくセンサー・アセンブリの、対角線方向の下側から見た斜視図を示している。 図７は、軸方向の負荷（Ｚ方向）に対するセンサー・アセンブリの概略的な断面図を、第二のフランジ上のリニアな圧縮領域の概略図とともに示している。 図８は、水平方向の軸（ｘ軸）の周りのトルクに対する、図７に基づく図を示している。 図９は、作用している横方向の力に対する、図７に基づく概略図を示している。 図１０は、縦方向の軸（ｚ軸）の周りのトルクに対する、図７に基づく概略図を示している。

Claims (15)

1. リジッドなトランスミッタにより伝達される力および／またはトルクを測定するためのセンサー・アセンブリであって、
   当該センサー・アセンブリは、第一の接続部（２）により前記トランスミッタの第一の部分に接続され、且つ第二の接続部（１０）により前記トランスミッタの第二の部分に接続されることが可能であり、且つ当該センサー・アセンブリは、機械的なパラメータを電気的なパラメータに変換するための電気機械式のセンサー要素（２１）を備えている、
   センサー・アセンブリにおいて、
   当該センサー・アセンブリは、第一のフランジ（３）を有し、この第一のフランジは、第一の接続部（２）の周囲を取り囲み、ｚ軸方向に対して平行で且つ第一のフランジ（３）に対して垂直な支柱（１３）を介して第二のフランジ（１２）に接続され、
   前記第二のフランジ（１２）は、第一のフランジ（３）に対して平行に並べられ、且つ、ｘ−ｙ平面を規定し、
   前記支柱（１３）の間のギャップ（１５）は、前記支柱（１３）の幅と比べて大きく、
   前記第一のフランジ（３）は矩形であって、前記ｘ−ｙ平面内で当該フランジの隅に前記支柱（１３）を備え、
   前記第二の接続部（１０）は、第二のフランジ（１２）の上に配置され、
   前記センサー要素の全ては、引張と圧縮の間を識別するようにデザインされ、且つ、第二のフランジ（１２）の二つの表面の内の少なくとも一つの上で前記支柱（１３）の隣に配置され、それによって、ｚ軸方向及びｘ−ｙ平面内の力、並びに、ｚ軸方向及びｘ軸方向の周りのトルクを検出するように構成されていること、
   を特徴とするセンサー・アセンブリ。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載のセンサー・アセンブリ：
   引張または圧縮を記録するために、前記センサー要素（２１）は、第二のフランジ（１２）の両方の表面の上に配置されている。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載のセンサー・アセンブリ：
   当該センサー・アセンブリは,
   第一のフランジ（３）を有する第一の部分（１）、及び第二のフランジ（１２）を有する第二の部分（１１）を備えた二つの部分で作られていて；且つ、
   それらの部分（１，１１）は、リジッドに互いに接続されることが可能である。
4. 下記特徴を有する請求項３に記載のセンサー・アセンブリ：
   前記支柱（１３）は、固定ネジを保持するために、ネジが切られたボア（１４）を備えている。
5. 下記特徴を有する請求項３または４に記載のセンサー・アセンブリ：
   前記第一の接続部（２）は、第一のフランジ（３）が結合される円筒状の断面を備えた帽子の形状に形成されている。
6. 下記特徴を有する請求項１から５の何れか１項に記載のセンサー・アセンブリ：
   前記第二の接続部（１０）は、凸状の張り出し部を備えた第二のフランジ（１２）の中に一体化されている。
7. 下記特徴を有する請求項１から６の何れか１項に記載のセンサー・アセンブリ：
   前記センサー要素（２１）は、ストレイン・ゲージである。
8. 下記特徴を有する請求項７に記載のセンサー・アセンブリ：
   前記ストレイン・ゲージ（２１）は、リニアな引張または圧縮を記録するために、配置されている。
9. 下記特徴を有する請求項１から８の何れか１項に記載のセンサー・アセンブリ：
   前記第二のフランジ（１２）は、引張領域（２３）及び圧縮領域（２２）を配置するためのリセス（２０）を有している。
10. 下記特徴を有する請求項１から９の何れか１項に記載のセンサー・アセンブリ：
    前記第一のフランジ（３）及び第二のフランジ（１２）は、四辺形の輪郭を有していて、且つ四つの支柱（１３）が設けられている。
11. 下記特徴を有する請求項１０に記載のセンサー・アセンブリ：
    四つのリセス（２０）が、第二の接続部（１０）と支柱（１３）の間に、対角線状に配置されている。
12. 下記特徴を有する請求項１１に記載のセンサー・アセンブリ：
    前記センサー要素（２１）は、ストレイン・ゲージであり、このストレイン・ゲージ（２１）は、前記リセス（２０）からの引張または圧縮を記録するために配置されていて、前記引張または圧縮は、第二のフランジ（１２）のエッジに対して平行に伸びている。
13. 下記特徴を有する請求項１から１２の何れか１項に記載のセンサー・アセンブリ：
    前記第二の接続部（１０）は、第二のフランジ（１２）の中央に配置されている。
14. 人工脚部における、人工脚部の取り外し可能なコンポーネントの代わりの、請求項１から１３までのいずれか１項に記載されたセンサー・アセンブリの使用であって、
    前記センサー・アセンブリが、前記コンポーネントの寸法に適合されることを特徴とする使用。
15. 下記特徴を有する請求項１４に記載のセンサー・アセンブリの使用：
    人工脚部の回転アダプターの代わりに、センサー・アセンブリを使用する。

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