WO1994007442A1

WO1994007442A1 - Schwungphasensteuervorrichtung

Info

Publication number: WO1994007442A1
Application number: PCT/EP1993/002627
Authority: WO
Inventors: Gerhard Fitzlaff
Original assignee: Biedermann Motech Gmbh
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1994-04-14
Also published as: ES2115778T3; CA2124841C; EP0615430A1; CA2124841A1; ATE163533T1; EP0615430B1; DE4233247A1; JPH06511414A; US5545233A; DE59308220D1; JP2627822B2

Abstract

Es soll eine Schwungphasensteuervorrichtung für ein künstliches Prothesen-Kniegelenk vorgesehen werden, mit der ein natürlicher Bewegungsablauf möglich ist und die auf rasche Bewegungen reagieren kann. Die Schwungphasensteuervorrichtung ist aus einer Kolben-Zylinder-Einrichtung (2) gebildet. Es ist eine erste Kammer (8) auf der einen Seite des Kolbens (12) vorgesehen. Eine zweite Kammer (17) ist auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens (12) vorgesehen. Die beiden Kammern sind durch eine erste Drossel (38, 43) miteinander verbindbar. Auf der Ausgangsseite der zweiten Kammer (17) ist eine zweite Drossel (32) vorgesehen. Sie verbindet die zweite Kammer (17) mit einem Fluidreservoir. Ein Steuerkolben (27) wird von dem Druck in der zweiten Kammer (17) beaufschlagt. Er ist so ausgebildet, daß er die zweite Drossel (32) schließt, wenn der Druck in der zweiten Kammer (17) einen vorbestimmten Wert überschreitet. Wenn die zweite Drossel (32) geschlossen ist, unterstützt der elastische Druck in der zweiten Kammer (17) die Umkehrbewegung des Kolbens (12) in dem Zylinder, so daß eine rasche Streckung des Beines ermöglicht wird.

Description

Schwungphasensteuervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwungphasensteuervorrich¬ tung für ein künstliches Kniegelenk nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer derartigen Schwungphasensteuervorrichtung kann das Eintauchen des Kolbens der Kolbenzylindereinrichtung durch die erste Drossel und damit das Beugen des künstlichen Kniegelenkes gesteuert werden. Wenn das Kniegelenk wieder gestreckt werden soll, muß die Person, die das künstliche Kniegelenk benutzt, den Unterschenkel wieder nach vorne schwingen und in die Strek- kung mit dem Oberschenkel bringen. Hierbei tritt die gleiche Drosselwirkung wie bei der Beugung auf. Da jedoch der Beugungs¬ vorgang und der Streckungsvorgang getrennte Vorgänge sind, führt eine gleiche Drosselwirkung zu einem unnatürlichen Bewe¬ gungsablauf. Zwar ist die Drossel einstellbar und kann damit an den jeweiligen Laufstil angepaßt werden, jedoch weist sie keine dynamische Anpassung an unterschiedliche Bewegungsabläufe der Person auf. Die Drossel wirkt also nur Optimal entweder für langsame oder für schnelle Bewegungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schwungphasensteuer¬ vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die einen natürlichen Bewegungsablauf ermöglicht und die insbeson¬ dere für unterschiedlich schnelle Bewegungsabläufe geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schwungphasensteuervor¬ richtung der eingangs beschriebenen Art, die durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gekennzeich¬ net ist.

Durch das Vorsehen der zweiten Drossel ist es möglich, unter¬ schiedliche Steuerungen für das Beugen und das Strecken des Kniegelenkes vorzusehen. Der Bewegungsablauf wirkt natürlicher. Die Drossel wird so eingestellt, daß sie für langsame und mit- telschnelle Bewegungen geeignet ist. Wenn die Person sich aber sehr schnell bewegt, taucht der Kolben auch sehr schnell in den Zylinder ein und komprimiert das Fluid in der zweiten Kammer. Hat der Druck des Fluids in der zweiten Kammer den vorbestimm¬ ten Wert überschritten, wird die zweite Drossel geschlossen. Das Fluid kann nicht mehr durch diese zweite Drossel austreten. Dabei baut sich der Druck in der zweiten Kammer rascher auf und führt wie eine Luftfeder zu einem dynamischen Zurückstoßen des Kolbens in dem Zylinder. Das Kniegelenk wird wieder schnell und schwungvoll gestreckt. Dadurch ist durch die erfindungsgemäße Schwungphasensteuervorrichtung auch ein schwungvolles schnelles Gehen mit der Prothese möglich.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schwungphasen¬ steuervorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der erfindungsgemäßen Schwungphasensteuervorrichtung ergeben sich aus der Beschrei¬ bung eines Ausführungsbeispieles anhand der begleitenden Figur. In der begleitenden Figur ist eine Schnittansicht einer Aus¬ führungsform der Schwungphasensteuervorrichtung gezeigt.

Die Schwungphasensteuervorrichtung 1 weist eine Zylinderkolben¬ einrichtung 2 mit einem Zylinder 3 und einem Kolben 12 auf. Der Zylinder 3 umfaßt einen rohrförmigen Abschnitt 5 mit einem Deckelteil 4 an seinem einen Ende und einem Bodenteil 6 an dem gegenüberliegenden Ende.

Das Deckelteil 4 weist eine Einlaßöffnung 7 auf, die eine Ver¬ bindung zwischen der Umgebungsluft und einer in dem Zylinder 3 gebildeten eingangsseitigen ersten Kammer 8 ermöglicht. Die Einlaßöffnung 7 ist mit einem Rückschlagventil 9 versehen. Das Rückschlagventil 9 ist als Flatterventil ausgebildet, welches sich zu der ersten Kammer 8 hin öffnet. Konzentrisch zu dem Zylinder 3 ist eine Bohrung 10 in einer Buchse in dem Deckel¬ teil 4 vorgesehen. In der Bohrung 10 befindet sich ein Gleit¬ lager für eine Kolbenstange 11 , die mit dem Kolben 12 der Zy¬ linderkolbeneinrichtung 2 verbunden ist. Auf der Außenseite der Einlaßöffnung 7 ist ein Filter 13 zum Schutz gegen das Eindrin¬ gen unerwünschter Bestandteile aus der Außenluft vorgesehen. Zum Abdichten des Raumes zwischen der konzentrischen Bohrung 10 und der Kolbenstange 11 ist eine Ringdichtung 14 vorgesehen.

Das Deckelteil 4 ist auf den rohrförmigen Abschnitt 5 aufge¬ schraubt. Eine Ringdichtung 15 dichtet die Verbindung zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 5 und dem Deckelteil 4 ab. Der rohr- förmige Abschnitt 5 ist auf das Bodenteil 6 aufgeschraubt. Es ist eine Ringdichtung 16 zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 5 und dem Bodenteil 6 zum Abdichten vorgesehen.

Auf der der ersten Kammer 8 abgewandten Seite des Kolbens 12 ist eine zweite Kammer 17 in dem rohrförmigen Abschnitt 5 ge¬ bildet. Auf der dem Kolben 12 entgegengesetzten Seite ist die zweite Kammer von dem Bodenteil 6 begrenzt.

In dem Bodenteil 6 ist konzentrisch eine in die zweite Kammer 17 mündende Bohrung 18 vorgesehen. Das Bodenteil 6 weist eine radiale Auslaßbohrung 19 auf, die in die Bohrung 18 mündet. Die Auslaßbohrung 19 ist durch ein Staubfilter 20 abgedeckt.

Auf der der zweiten Kammer 17 zugewandten Seite ist in der Bohrung 18 ein Steuerkolben 27 vorgesehen. Dieser Steuerkolben 27 weist eine ringförmige Dichtung 28, die an die Innenseite der konzentrischen Bohrung 18 anliegt, auf. Der Steuerkolben 27 weist eine konzentrische Bohrung 29 auf. In diese mündet nahe an ihrem der zweiten Kammer 17 zugewandten Rand eine Drossel¬ bohrung, die eine Verbindung zwischen der Bohrung 29 und der Bohrung 18 bildet. Zur Begrenzung der Bewegung des Steuerkol¬ bens 27 zur zweiten Kammer 17 hin ist eine mit dem Bodenteil verschraubte Anschlagplatte 25 vorgesehen. Der Steuerkolben 27 wird durch eine Druckfeder 30 gegen die Anschlagplatte 25 vor¬ gespannt. Die Bohrung 18 und die Auslaßbohrung 19 bilden eine dritte Kammer 31. In dem an die Bohrung 18 angrenzenden eigent¬ lichen Boden ist eine konzentrische Bohrung mit einem Gewinde 21 vorgesehen. In das Gewinde 21 ist eine Drosselstange 24 mit einem Gewindeabschnitt 22 und einem Rändelkopf 23 einge- schraubt. Die Drosselstange 24 ist nur soweit in die Bohrung 29 eingeschraubt, daß der Eingang der Drosselbohrung 32 in der vorgespannten Endstellung frei ist und erst nach einem vorbe¬ stimmten Weg des Steuerkolbens abgesperrt wird. Der Ausgang der Drosselbohrung 32 mündet in die dritte Kammer 31.

Die zweite Kammer 17 ist direkt mit der dritten Kammer 31 durch einen Durchgang 33 verbunden. Der Durchgang 33 weist ein Rück¬ schlagventil 34 auf, das als Flatterventil ausgebildet ist. Das Rückschlagventil 34 öffnet sich zu der zweiten Kammer 17 hin.

Die Anschlagplatte weist Durchbrechungen 26 derart auf, daß die der zweiten Kammer zugewandte Oberfläche des Steuerkolbens 27 mit dem Druck in der zweiten Kammer beaufschlagt wird.

Der Kolben 12 weist eine konzentrische Bohrung 35 auf, die in die zweite Kammer 17 mündet. An einer der zweiten Kammer 17 abgewandten Seite steht die konzentrische Bohrung 35 über eine Querbohrung 36 mit der ersten Kammer in Verbindung. Die kon¬ zentrische Bohrung 35 weist ein sich zur zweiten Kammer hin öffnende Rückschlagventil 37 auf, das als Flatterventil ausge¬ bildet ist. Die konzentrische Bohrung 35 weist einen sich zur ersten Kammer 8 hin konisch erweiternden Abschnitt 38 auf. Der Kolben 12 weist eine Ringdichtung 39 auf, die an den rohrförmi¬ gen Abschnitt 5 anliegt.

Die konzentrische Bohrung 35 des Kolbens 12 setzt sich in der mit dem Kolben an der dem Deckelteil 4 zugewandten Seite ver¬ bundenen Kolbenstange 11 fort, die Kolbenstange 11 ist also hohl ausgebildet. In der Kolbenstange 11 ist eine Steuerstange 40 vorgesehen. Die Steuerstange 40 weist ein Rändelteil 41 auf und ist über ein Gewinde 42 mit der Kolbenstange 11 verbunden. An ihrem dem Deckelteil 4 abgewandten Ende weist die Steuer¬ stange 40 einen konischen Abschnitt 43 auf, der mit dem koni¬ schen Abschnitt 38 der konzentrischen Bohrung 35 zusammenwirkt. Durch Drehen am Rändelteil 41 kann die Steuerstange 40 in den konischen Abschnitt 38 bis zu einer Schließstellung hineinge- dreht oder aus ihm herausgedreht werden, so daß eine einstell¬ bare Drossel gebildet ist.

Bei der Benutzung in einem Prothesen-Kniegelenk wird die Schwungphasensteuervorrichtung 1 mit einem mit dem freien Ende der Kolbenstange 11 verbundenen Befestigungsteil 44 mit dem Prothesenoberschenkelteil verbunden. Der Zylinder wird in sei¬ nem Bodenbereich mit einem weiteren Befestigungsteil 45 mit dem Prothesenunterschenkelteil verbunden.

Im folgenden soll der Betrieb der Schwungphasensteuervorrich¬ tung beschrieben werden. Wenn das Kniegelenk gestreckt ist (Extension), befindet sich der Kolben 12 in seiner zurückgezo¬ genen oberen, dem Deckelteil 4 benachbarten Stellung. Die erste Kammer 8 hat ihre minimale Größe. Die zweite Kammer 17 hat ihre maximale Größe. Wenn das künstliche Bein der Person, die die Schwungphasensteuervorrichtung benutzt, gebeugt wird, knickt das Kniegelenk ein (Flexion). Der Kolben 12 bewegt sich von seiner oberen in die untere Stellung, ümgebungsluft strömt durch das Rückschlagventil 9 in die sich vergrößernde erste Kammer 8 nach. Die Feder 30 und der Durchmesser der Drosselboh¬ rung 32 sind so bemessen, daß bei normaler Betätigung der Druck in der zweiten Kammer 17 den Steuerkolben 27 noch nicht nach unten drücken kann. Daher liegt die Mündung des Drosselkanales 32 in der Bohrung 29 frei. Der nach unten gehende Kolben 12 verdrängt die in der zweiten Kammer 17 vorhandene Luft durch die Drosselbohrung 32. Durch die dritte Kammer 31 und die Aus¬ laßöffnung 19 tritt die Luft dann nach außen aus.

Wenn der Unterschenkel der mit der Schwunghasensteuervorrich¬ tung versehenen Prothese nach vorne geschwungen wird, streckt sich das Kniegelenk wieder. Der Kolben 12 geht in dem Zylinder 3 wieder nach oben. Das Rückschlagventil 9 ist in diesem Fall in geschlossener Stellung. Damit die Luft aus der ersten Kammer 8 in die zweite Kammer 17 fließen kann, ist die Steuerstange 40 so eingestellt, daß ein Durchlaßspalt an dem konischen Ab¬ schnitt 38 besteht. Durch diesen Spalt kann die Luft von der ersten in die zweite Kammer strömen, da sich das Rückschlagven- til 37 öffnet. Die Spaltbreite und damit die Größe der durch den Spalt gebildete Drossel kann durch Einstellen des Rändel¬ teiles 41 von der die Schwungphasensteuervorrichtung benutzen¬ den Person eingestellt werden. Daher ist eine gute Anpassung an den normalen Bewegungsablauf möglich. Damit in der Kammer 17 kein Unterdruck entsteht, kann Luft durch die Auslaßöffnung 19, das Rückschlagventil 34 und den Durchgang 33 in die zweite Kammer 17 nachströmen.

Wenn sich dagegen die die Schwungphasensteuervorrichtung be¬ nutzende Person schnell bewegt und dabei das Kniegelenk beugt, bewegt sich der Kolben 12 schnell in die in der Figur gezeigte Stellung. Dabei baut sich in der zweiten Kammer 17 schnell ein hoher Druck auf, da die Luft durch die Drosselbohrung 32 nicht schnell genug abfließen kann. Falls die Beugebewegung lange genug anhält, steigt der Druck in der zweiten Kammer 17 so hoch an, daß der durch die Öffnungen 26 auf die Oberfläche des Steu¬ erkolbens 27 wirkende Druck ausreicht, um den Steuerkolben 27 gegen die Wirkung der Druckfeder 30 zur Bodenseite hin zu bewe¬ gen. Aufgrund dieser Bewegung beginnt die Drosselstange 24 die Drosselbohrung 32 abzudecken. Dadurch steigt der Druck in der zweiten Kammer 17 noch rascher an, der Steuerkolben 27 wird noch schneller zur Bodenseite gedrückt. Schließlich ist die Drosselbohrung 32 ganz abgedeckt. Dann wirkt die zweite Kammer 17 als Luftfeder, da durch den Spalt im Kolben 12 keine Luft abfließen kann, denn das Flatterventil 37 ist geschlossen.

Die durch die zweite Kammer 17 gebildete Luftfeder bewirkt, daß die eintauchende Bewegung des Kolbens 12 in dem Zylinder 3 umgekehrt wird und der Kolben 12 wieder aus dem Zylinder 3 herausgeschoben wird. Da die Auf ärtsbewegung des Kolbens 12 eine Streckung des Kniegelenkes bedeutet, wird also die Streck¬ bewegung des Kniegelenkes durch das Umkehren der Bewegung des Kolbens 12, das durch die Luftfeder in der zweiten Kammer 17 verursacht wird, aktiv unterstützt. Also wird bei einer schnel¬ len Beugebewegung auch eine schnelle Streckungsbewegung ermög¬ licht. Insgesamt kann sich die Person daher sehr viel schneller und auch sicherer bewegen. Eine Verzögerung der Streckung des Unterschenkels bei schnellen Bewegungen tritt also nicht auf.

Der Zeitpunkt der durch die Luftfeder induzierten Umkehrbewe¬ gung kann durch Einstellen der Drosselstange 24 mit Hilfe der Rändelschraube 22, 23 gesteuert werden und an die individuellen Gegebenheiten angepaßt werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Einlaßöff¬ nung 7 der ersten Kammer 8 mit der Umgebungsluft verbunden. Desgleichen führt die Auslaßöffnung 19 der dritten Kammer 31 zur Umgebungsluft. Es handelt sich um ein offenes System, bei dem als Medium Luft benutzt wird. Gemäß einer anderen Ausfüh¬ rungsform ist ein geschlossenes System vorgesehen. Dabei wird die Schwungphasensteuervorrichtung von einem Außengehäuse umge¬ ben. Dieses Außengehäuse ist hermetisch abgeschlossen. In einem solchen Fall ist das durch den Kolben 12 bewegte Medium nicht auf Luft beschränkt. Es sind andere Gase möglich, die insbeson¬ dere eine andere Dichte aufweisen und daher die Kennlinie der Schwungphasensteuervorrichtung beeinflussen. Für sehr harte An¬ wendungen kann auch ein Hydraulikmedium benutzt werden. Dann wird als geeignete Flüssigkeit Öl eingesetzt. In dem letzteren Fall ist die Umkehrbewegung allerdings sehr hart, da die Wir¬ kung der Luft-"Feder" fehlt. Dieses kann insbesondere bei Sporteinsätzen angezeigt sein. A

Wenn ein abgeschlossenes äußeres Gehäuse vorgesehen wird, be¬ steht die Möglichkeit, daß außerhalb des Zylinders 3 ein Über¬ oder Unterdruck entsteht, da durch die Ansaugöffnung 7 zuviel von dem Medium angesaugt wird oder bei der Auswärtsbewegung zuviel von dem Medium ausgestoßen wird. Es wird dann über eine Membran ein Druckausgleich mit der Atmosphäre vorgesehen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Schwungphasensteuervorrichtung (1) für ein künstliches Kniegelenk mit einer Kolbenzylindereinrichtung (2) mit einer ersten Kammer (8) auf der einen Seite des Kolbens (12) und einer zweiten Kammer (17) auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens (12), die über eine einstellbare erste Drossel (38, 43) miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (8) mit einem Fluidreservoir verbunden ist, daß eine zweite Drossel (32) zum Verbinden der zweiten Kammer (17) mit dem Fluidreservoir und eine Einrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie bei Er¬ reichen bzw. Überschreiten eines vorbestimmten Druckes in der zweiten Kammer (17) die zweite Drossel (32) schließt, vorgese¬ hen sind.

2. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung als ein Steuerkol¬ ben (27) ausgebildet ist, der entlang eines Weges hin und her bewegbar und in die Richtung zur zweiten Kammer (17) vorge¬ spannt ist.

3. Schwungphasensteuervorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselstange (24) vorgesehen ist und der Steuerkolben (27) eine der Drosselstange (24) ent¬ sprechende Bohrung (29) aufweist und auf der Drosselstange (24) geführt ist, daß der Steuerkolben (27) eine von einem Medium in der zweiten Kammer (17) beaufschlagte Fläche aufweist und daß die zweite Drossel (32) eingangsseitig so in die Boh¬ rung (29) mündet, daß die Öffnung bei dem Überschreiten des vorbestimmten Druckes von der Drosselstange (24) geschlossen wird.

4. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Kammer (17) und dem Fluidreservoir eine dritte Kammer (31) vorgesehen ist. in die der Drosselausgang mündet und die ausgangsseitig über einen Filter (20) mit dem Fluidreservoir verbunden ist.

5. Schwungphasensteuervorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (17) und die dritte Kammer (31) über ein sich zur zweiten Kammer (17) öff¬ nendes Rückschlagventil (34) verbunden sind.

6. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativstellung der Drossel¬ stange (24) und der Bohrung (29) des Steuerkolbens (27) durch eine Einstellschraube (23) und ein Gewinde (22) einstellbar sind.

7. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (8) einen Einlaß (7) mit einem sich zu der ersten Kammer (8) öffnenden dritten Rückschlagventil (9) aufweist.

8. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bohrung (35) vorgesehen ist, die die erste (8) mit der zweiten (17) Kammer verbindet und einen konischen Abschnitt (38) aufweist, daß der Kolben (12) mit einer Kolbenstange (11) verbunden ist, die hohl ist, daß in der Kolbenstange (11) eine Steuerstange (40) mit einem konisch verlaufenden Ende (43) vorgesehen ist, und daß das konisch verlaufende Ende (43) der Steuerstange (40) zum

Einstellen der ersten Drossel in dem konischen Abschnitt (38) verschiebbar ist.

9. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) mit einem Pro¬ thesenoberschenkelteil verbindbar ist, daß der Zylinder (3) mit einem Prothesenunterschenkelteil ver¬ bindbar ist und daß der Kolben (12) beim Beugen des Kniegelenkes in den Zylin¬ der (3) eintaucht.

10. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Luft ist und das Fluidre¬ servoir aus der Umgebungsluft gebildet ist.

11. Schwungphasensteuervorrichtung (1 ) nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid ein Hydraulikmedium oder ein Pneumatikmedium ist und daß das Fluidreservoir mit der Umgebung in Druckausgleich steht.