WO2011069495A1 - Mechanically loaded component, in particular orthopaedic aid - Google Patents

Mechanically loaded component, in particular orthopaedic aid Download PDF

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WO2011069495A1
WO2011069495A1 PCT/DE2010/001440 DE2010001440W WO2011069495A1 WO 2011069495 A1 WO2011069495 A1 WO 2011069495A1 DE 2010001440 W DE2010001440 W DE 2010001440W WO 2011069495 A1 WO2011069495 A1 WO 2011069495A1
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mechanical
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PCT/DE2010/001440
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Lüder MOSLER
Wulf Wulff
Simon Gallinger
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Otto Bock Healthcare Gmbh
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    • G01M5/0033—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining damage, crack or wear
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    • A61F2002/7615—Measuring means
    • A61F2002/7645—Measuring means for measuring torque, e.g. hinge or turning moment, moment of force

Definitions

  • the invention relates to a component which is designed for loading with a mechanical power flow.
  • Mechanically loaded components basically have a limited lifespan, since the mechanical stresses, especially when they are pulsating loads, undergo changes in their microstructure which, depending on the intensity of the stress, can initially lead to the appearance of hairline cracks further stress can lead to functional failure of the device.
  • Such safety-related components are prostheses or orthoses that allow a patient to perform activities that he could not cope without these aids.
  • an artificial limb, artificial arm, etc. component replaces an amputated limb of the human body.
  • leg or foot prostheses results in a significant mechanical stress by the body weight of the patient while walking or standing up.
  • orthoses when a patient, for example, after surgery, his or her natural limbs, such as a leg or a foot, not or can not fully load without losing control of his body weight. An orthosis then helps to exercise a controlled movement with the handicapped limb, so that the control of the body weight is maintained.
  • a current is coupled out of the primary circuit of the machine and, depending on the duty cycle of the machine, a current is passed through an electrochemical cell.
  • a partition is corroded by the current, so that after a certain period of operation, two cells of an electrolysis cell, which were separated from one another by the partition wall, are now combined to form a chamber. If in this case a colored liquid was present in one chamber and a transparent liquid in the other chamber, the destruction of the dividing wall can be recognized at the chamber part in which the transparent liquid was located by suddenly having a colored liquid in it Chamber is present. Similar further display effects are conceivable. Such monitoring may therefore, for example, indicate to an automobile user when a maintenance interval has expired. As a result, the display device is not intended or suitable for a forecast of a further usage time.
  • the invention has the object of providing a device of the type mentioned in such a way that in a simple way, a review of the material state and a forecast over a further period of use of the device is possible.
  • a component of the type mentioned is characterized by a load sensor, which is turned on in the power flow through the device and one of the number and amplitude of the force flow corresponding action generated and an evaluation device is connected downstream of the generated actions of the Load sensor generates a display of the accumulated load formed from number and amplitude.
  • the load sensor which is preferably integrated in the component, and the evaluation device connected downstream of it, it is thus possible to refer to the component itself the course of the safe period of use or the information as to which cumulative loading the component was subjected to during the previous period of use.
  • knowledge of the component and its material makes it possible to forecast - even while maintaining safety margins - which cumulative load for the component is still possible without risk. It can therefore be made, for example, in an orthosis, the statement that a safe use for a rehabilitation over four weeks is still risk-free for at least two patients.
  • the function of the load sensor is made possible with a possibly rechargeable battery. However, this may require anti-abuse measures. It is therefore preferred if the load sensor is designed to function without external energy. It is likewise preferred to design the evaluation device in such a way that it is operated without external energy. The evaluation device can in many cases also serve as a display device and be used.
  • the load sensor is preferably a mechanical-electrical converter inserted into the force flow and emits an electrical signal corresponding to the amplitude duration of the force flow, wherein the evaluation device is designed for the long-term accumulation of the electrical signals.
  • a mechanical-electrical converter which can be used for this purpose thus converts the mechanical force acting on it into a corresponding electrical signal so that the duration and intensity of the acting force are reflected proportionally, in particular linearly, by the duration and amplitude of the electrical signal and integrated by the evaluation device becomes.
  • the mechanical-electrical converter can also interact with a voltage source in order to generate the electrical signal corresponding to the force flow.
  • a voltage source for example, this is known Strain gauges whose resistance changes well by the applied mechanical force, so that the emitted electrical signal corresponds to the duration and amplitude of the force flow.
  • the mechanical-electrical converter also manages without an external voltage source, as is the case, for example, with a piezoelectric element or an induction coil. If the converter, such as the piezoelectric element, generates an alternating voltage, it is expedient to connect a rectifier to the converter, so that a pulsating direct voltage signal is available for the display device.
  • the evaluation device is preferably an electrolysis cell, to which the electrical signal emitted by the mechanical-electrical converter is supplied and at which the respective measure of the summed load can be read by a proportional change in material due to an electrolytic reaction caused by the electrical signal.
  • the electrolytic cell is designed so that the electrolytic reaction leads to a readable material accumulation or material removal.
  • the electrical signal generated by the load sensor is preferably an electric current corresponding to the force flow.
  • the electrical signal may also be an electrical voltage corresponding to the force flow.
  • such devices can be used to sum up the electrical signals, in particular also
  • Counters that continue counting for a given electrical power For the summation of electrical voltages, digital memories, for example after an analog-to-digital conversion, also come about, for example. digital counter or flash memory in question.
  • the present invention is particularly suitable for structural elements which are predominantly cyclically and / or pulse-shaped as a result of the force flow, as is the case, for example, with prostheses or orthoses during walking.
  • a meaningful use also results for other orthopedic technical aids, such as walking aids in the form of supports, rollators u. ä.
  • Figure 1 - a schematic representation of a mechanical-electrical converter with a downstream
  • Rectifier and a connected display device Rectifier and a connected display device.
  • a linear load with a force F on a load sensor 1 in the form of a mechanical-electrical converter 6, which is preferably formed by a piezoelectric element, is shown by way of example.
  • the load sensor is arranged so that it is in the power flow is acted upon by the component to be monitored, whereby the force F acts on the load sensor 1.
  • the load sensor 1 is cyclically loaded and unloaded.
  • the mechanical-electrical converter 6 in the form of the piezoelectric element emits an alternating voltage signal, which is converted in a downstream rectifier 7 to a pulsating DC voltage.
  • an electrolysis cell 8 With the pulsating DC voltage, an electrolysis cell 8 is acted upon, in which the supplied pulsating DC voltage leads to a corresponding pulsating current between an anode 9 and a cathode 10.
  • the stream is transported by ions 11 in an electrolyte 12. With properly selected materials for anode 9 and cathode 10, current flow results in material deposition on one of the electrodes and / or material removal on the other electrode.
  • the material removal can be detected quantitatively. Since the electrical signal delivered by the mechanical-electrical converter 6 transports electrical power that depends on the frequency of the load cycles and the duration and amplitude of the load pulses (force F), an electrolytic reaction occurs, which depends on the duration and amplitude of the loads the force F corresponds. Depending on the current flow, the measured material change occurs in the form of material attachment or material removal. The accumulated load can therefore be read off the electrolysis cell 8 directly.
  • strain sensors 1 according to the invention are particularly suitable for monitoring prosthesis and orthosis components, but also to monitor machine tools, automotive components, hoists, roads and structures.
  • the load sensors 1 can be adapted to any shape of a component to be monitored.
  • the embodiment with a mechanical-electrical converter 6 and an electrolytic cell 8 can be realized in the smallest space and at a suitable location of a component to be monitored.

Abstract

The invention relates to a component that is designed to be loaded with a mechanical force flow (F), wherein a potential further service time for the component can be determined easily in that a mechanical-electrical transducer (6) is arranged in the force flow (F) as a load sensor (1), which outputs an electrical signal that corresponds to the amplitude of the force flow (F) and downstream of which an indicating device (8) is connected, which is designed to add up the electrical signals over the long term. As a result, this may enable the further use of in particular prostheses or orthoses.

Description

MECHANISCH BELASTETES BAUELEMENT, INSBESONDERE ORTHOPÄDISCHES HILFSMITTEL MECHANICALLY LOADED ELEMENT, ESPECIALLY ORTHOPEDIC AIDS
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Die Erfindung betrifft ein Bauelement, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraftfluss ausgelegt ist. 0 Mechanisch belastete Bauelemente haben grundsätzlich eine begrenzte Lebensdauer, da durch die mechanischen Belastungen, insbesondere wenn sie pulsierende Belastungen sind, Veränderungen ihres Gefüges erfahren, die in Abhängigkeit von der Intensität der Belastung zunächst zu dem Auftreten von Haarrissen führen können,5 die im Laufe der weiteren Belastung zum Funktionsversagen des Bauelements führen können. The invention relates to a component which is designed for loading with a mechanical power flow. 0 Mechanically loaded components basically have a limited lifespan, since the mechanical stresses, especially when they are pulsating loads, undergo changes in their microstructure which, depending on the intensity of the stress, can initially lead to the appearance of hairline cracks further stress can lead to functional failure of the device.
Tragende Bauelemente, wie beispielsweise aus Stahl hergestellte Brückenkonstruktionen, haben daher eine konstruktiv vorgesehene0 maximale Standzeit, bevor sie ausgewechselt werden müssen. Dabei wird ein erhebliches Sicherheitspolster verwendet, da das Risiko eines Brückensturzes mit Sicherheit vermieden werden soll. Die Vorgabe einer Standzeit für ein Bauelement ist jedoch unbefriedigend, weil sie unabhängig von der tatsächlichen Belastung des Bauelements ist.5 Für eine Brückenkonstruktion ist es erheblich, ob eine Dauerbelastung stattfindet und ob beispielsweise häufig Fahrzeuge mit einem hohen Gewicht über die Brücke fahren oder die Brücke eher von Personenkraftwagen benutzt wird. Es werden daher beispielsweise für aufwendige Brückenkonstruktionen zerstörungsfreie Materialprüfun-0 gen vorgenommen, indem die Brückenkonstruktionen mit Röntgenstrahlen, Ultraschall o. ä. untersucht werden, um das Auftreten von Rissen oder sonstigen die Statik beeinträchtigenden Vorkommnissen Thus, structural components, such as bridge structures made of steel, have a design maximum life before they need to be replaced. A significant safety cushion is used, as the risk of a bridge fall should be avoided with certainty. However, the specification of a service life for a component is unsatisfactory because it is independent of the actual load of the component.5 For a bridge construction, it is significant whether a continuous load is taking place and, for example, if vehicles with a high weight often drive over the bridge or the bridge rather used by passenger cars. For non-destructive bridge designs, non-destructive material testing is therefore carried out, for example, by examining the bridge constructions with X-rays, ultrasound or the like in order to detect the occurrence of cracks or other incidents which would impair the statics
BESTÄTIGUNGSKOPIE zu ermitteln. Hierfür müsse eine aufwendige Messvorrichtung zur Brücke transportiert und dort eingesetzt werden. Eine Prognose über die noch verfügbare Lebensdauer eines Bauelements innerhalb einer Brückenkonstruktion ist dabei nur bedingt möglich, da beispielsweise die Freiheit von mit dem Messverfahren erkennbaren Rissen keine Aussage darüber erlaubt, ob nicht kurz darauf ein derartiger Riss auftritt. CONFIRMATION COPY to investigate. For this purpose, a complex measuring device would have to be transported to the bridge and used there. A prognosis on the still available lifetime of a component within a bridge construction is only conditionally possible, since, for example, the freedom of cracks detectable by the measuring method does not permit a statement as to whether such a crack occurs shortly thereafter.
Ein ähnliches Problem ergibt sich für Bauelemente, die in sicherheits- relevanter Form von einem Menschen benutzt werden. Solche sicherheitsrelevanten Bauelemente sind Prothesen oder Orthesen, die einem Patienten ermöglichen, Tätigkeiten auszuüben, die er ohne diese Hilfsmittel nicht bewältigen könnte. Bei einer Prothese ersetzt ein Bauelement in Form eines künstlichen Beins, eines künstlichen Arms usw. ein amputiertes Glied des menschlichen Körpers. Insbesondere für Bein- oder Fußprothesen ergibt sich eine erhebliche mechanische Belastung durch das Körpergewicht des Patienten beim Gehen oder auch beim Stehen. Ähnliches gilt für Orthesen, wenn ein Patient, beispielsweise nach einer Operation seine natürlichen Gliedmaßen, wie ein Bein, oder einen Fuß, nicht oder nicht vollständig belasten kann, ohne die Kontrolle über sein Körpergewicht zu verlieren. Eine Orthese hilft dann, mit dem behinderten Glied eine kontrollierte Bewegung auszuüben, sodass die Kontrolle über das Körpergewicht erhalten bleibt. A similar problem arises for components that are used by a human being in a safety-relevant manner. Such safety-related components are prostheses or orthoses that allow a patient to perform activities that he could not cope without these aids. In a prosthesis, an artificial limb, artificial arm, etc. component replaces an amputated limb of the human body. In particular, for leg or foot prostheses results in a significant mechanical stress by the body weight of the patient while walking or standing up. The same applies to orthoses, when a patient, for example, after surgery, his or her natural limbs, such as a leg or a foot, not or can not fully load without losing control of his body weight. An orthosis then helps to exercise a controlled movement with the handicapped limb, so that the control of the body weight is maintained.
Für Prothesenträger besteht manchmal die Veranlassung, eine bisher getragene Prothese durch eine andere Prothese zu ersetzen, beispielsweise weil mit der neuen Prothese zusätzliche Bewegungsmöglichkeiten eröffnet werden, die nach einer Übungsphase mit der bis- herigen Prothese nunmehr von dem Pro-thesenträger ausgeübt werden können. Für Orthesen ergibt sich eine begrenzte Tragzeit dadurch, dass Orthesen häufig für die Rehabilitation nach einer Erkrankung, Operation u. dgl. eingesetzt werde und daher nur so lange benötigt werden, wie der Patient sie benötigt, um seine natürlichen Körperkräfte und seine natürliche Kontrollmöglichkeit über das betreffende Körperglied wieder zu erlangen. Es ist üblich, derartige für eine gewisse Zeit benutzte Prothesen oder Orthesen zu entsorgen, weil eine Weiterbenutzung durch einen anderen Patienten nicht zumutbar ist, wenn der neue Patient nicht weiß, wie die entsprechende Orthese / Prothese von dem Vorbenutzer belastet worden ist. Die Gefahr, dass eine so starke Belastung stattge- funden hat, dass die entsprechende Prothese / Orthese beim neuen Nutzer nicht für die vorgesehene Einsatzzeit hält, schließt bisher eine Weitergabe benutzter Prothesen oder Orthesen praktisch aus. Eine zerstörungsfreie Materialprüfung, wie sie für aufwendige Tragkonstruktionen, beispielsweise bei Brückenbauwerken, üblich ist, ist für Prothesen oder Orthesen aus wirtschaftlichen Gründen ausgeschlossen. Der Untersuchungsaufwand wäre so hoch, dass der Einsparungseffekt für die Weiterbenutzung einer zeitweise gebrauchten Prothese oder Orthese weitgehend oder vollständig aufgezehrt werden würde. Für mit Motoren, insbesondere Elektromotoren, arbeitende Maschinen ist es bekannt, die Betriebsstunden der Maschine zu messen (AT 240 201 ). Hierzu wird insbesondere aus dem Primärstromkreis der Maschine ein Strom ausgekoppelt und in Abhängigkeit von der Einschaltdauer der Maschine ein Strom durch eine elektrochemische Zelle geleitet. In dieser elektrochemischen Zelle wird beispiels- weise durch den Strom eine Trennwand korrodiert, sodass nach einer bestimmten Betriebszeit zwei Zellen einer Elektrolysezelle, die durch die Trennwand voneinander getrennt waren, nunmehr zu einer Kammer vereinigt werden. Wenn dabei in einer Kammer eine farbige Flüssigkeit und in der anderen Kammer eine durchsichtige Flüssigkeit vorhanden waren, kann an dem Kammerteil, in dem sich die durchsichtige Flüssigkeit befunden hat, die Zerstörung der Trennwand dadurch erkannt werden, dass plötzlich eine farbige Flüssigkeit in dieser Kammer vorhanden ist. Ähnliche weitere Anzeigeeffekte sind denkbar. Eine derartige Überwachung kann daher beispielsweise einem Automobilbenutzer anzeigen, wann ein Wartungsintervall abgelaufen ist. Demzufolge ist die Anzeigeeinrichtung nicht für eine Prognose einer weiteren Benutzungszeit vorgesehen oder geeignet. For prosthesis wearers there is sometimes a reason to replace a previously worn prosthesis with another prosthesis, for example because the new prosthesis opens up additional possibilities of movement which can now be exerted by the prosthesis wearer after a training phase with the previous prosthesis. For orthoses there is a limited gestation time in that orthoses are often used for rehabilitation after illness, surgery u. Like. Be used and therefore only so long be needed as the patient needs it, to regain its natural body strength and its natural control over the body limb. It is common practice to dispose of such prostheses or orthoses used for a certain period of time because further use by another patient is unreasonable if the new patient does not know how the corresponding orthosis / prosthesis has been loaded by the previous user. The danger that such a heavy load has taken place that the corresponding prosthesis / orthosis does not hold up for the intended use time with the new user, so far virtually rules out a passing on of used prostheses or orthoses. A non-destructive material testing, as is customary for costly supporting structures, for example in bridge structures, is excluded for prostheses or orthoses for economic reasons. The investigation effort would be so high that the saving effect for the continued use of a temporarily used prosthesis or orthosis would be largely or completely consumed. For machines working with motors, in particular electric motors, it is known to measure the operating hours of the machine (AT 240 201). For this purpose, in particular a current is coupled out of the primary circuit of the machine and, depending on the duty cycle of the machine, a current is passed through an electrochemical cell. In this electrochemical cell, for example, a partition is corroded by the current, so that after a certain period of operation, two cells of an electrolysis cell, which were separated from one another by the partition wall, are now combined to form a chamber. If in this case a colored liquid was present in one chamber and a transparent liquid in the other chamber, the destruction of the dividing wall can be recognized at the chamber part in which the transparent liquid was located by suddenly having a colored liquid in it Chamber is present. Similar further display effects are conceivable. Such monitoring may therefore, for example, indicate to an automobile user when a maintenance interval has expired. As a result, the display device is not intended or suitable for a forecast of a further usage time.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass in einfacher Weise eine Überprüfung des Materialzustands und eine Prognose über eine wei- tere Verwendungszeit des Bauelements möglich ist. The invention has the object of providing a device of the type mentioned in such a way that in a simple way, a review of the material state and a forecast over a further period of use of the device is possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Bauelement der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet durch einen Belastungssensor, der in den Kraftfluss durch das Bauelement eingeschaltet ist und eine der Anzahl und Amplitude des Kraftflusses entsprechende Aktion generiert und dem eine Auswertungseinrichtung nachgeschaltet ist, die aus den generierten Aktionen des Belastungssensors eine Anzeige der aus Anzahl und Amplitude gebildeten aufsummierten Belastung erstellt. To solve this problem, a component of the type mentioned is characterized by a load sensor, which is turned on in the power flow through the device and one of the number and amplitude of the force flow corresponding action generated and an evaluation device is connected downstream of the generated actions of the Load sensor generates a display of the accumulated load formed from number and amplitude.
Durch den vorzugsweise in dem Bauelement integriert angeordneten Belastungssensor und die ihm nachgeschaltete Auswertungseinrichtung ist es somit möglich, an dem Bauelement selbst den Ablauf der sicheren Benutzungsdauer oder die Information zu entnehmen, wel- eher kumulierten Belastung das Bauelement während der bisherigen Benutzungszeit ausgesetzt war. Im letzteren Fall ist es durch die Kenntnis des Bauelements und dessen Materials möglich, - auch unter Wahrung von Sicherheitsmargen - zu prognostizieren, welche kumulierte Belastung für das Bauelement noch risikolos möglich ist. Es kann daher beispielsweise bei einer Orthese die Aussage gemacht werden, dass eine gefahrlose Benutzung für eine Rehabilitation über jeweils vier Wochen noch für mindestens zwei Patienten risikolos möglich ist. Für eine benutzte Prothese kann beispielsweise die Aus- sage gemacht werden, dass ein nicht mehr sehr beweglicher Prothesenträger diese benutzte Prothese im Rahmen seiner eingeschränkten Mobilität noch für beispielsweise zwei Jahre benutzen kann. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass dadurch die von den Krankenkassen zu erbringenden Leistungen deutlich reduzierbar sind, wenn mit einer einzigen Prothese nacheinander beispielsweise drei Patienten versorgt werden können, die sonst eine neue Prothese erhalten hätten. Es ist grundsätzlich denkbar, dass die Funktion des Belastungssensors mit einer ggf. aufladbaren Batterie ermöglicht wird. Dies erfordert jedoch ggf. Maßnahmen für eine Missbrauchsverhinderung. Es ist daher bevorzugt, wenn der Belastungssensor zur Funktion ohne Fremdenergie ausgelegt ist. Ebenso ist es bevorzugt, auch die Aus- wertungseinrichtung so auszubilden, dass sie ohne Fremdenergie betrieben wird. Die Auswertungseinrichtung kann in vielen Fällen auch als Anzeigeeinrichtung dienen und verwendet werden. By virtue of the load sensor, which is preferably integrated in the component, and the evaluation device connected downstream of it, it is thus possible to refer to the component itself the course of the safe period of use or the information as to which cumulative loading the component was subjected to during the previous period of use. In the latter case, knowledge of the component and its material makes it possible to forecast - even while maintaining safety margins - which cumulative load for the component is still possible without risk. It can therefore be made, for example, in an orthosis, the statement that a safe use for a rehabilitation over four weeks is still risk-free for at least two patients. For a used prosthesis, for example, the It can be said that a denture wearer who is no longer very mobile can still use this used prosthesis for a limited period of two years, as part of his limited mobility. It is readily apparent that thereby the services to be provided by the health insurance companies can be significantly reduced if, for example, three patients who otherwise would have received a new prosthesis can be supplied with a single prosthesis in succession. It is basically conceivable that the function of the load sensor is made possible with a possibly rechargeable battery. However, this may require anti-abuse measures. It is therefore preferred if the load sensor is designed to function without external energy. It is likewise preferred to design the evaluation device in such a way that it is operated without external energy. The evaluation device can in many cases also serve as a display device and be used.
Vorzugsweise ist der Belastungssensor ein in den Kraftfluss einge- setzter mechanisch-elektrischer Wandler, der ein der Amplitudendauer des Kraftflusses entsprechendes elektrisches Signal abgibt, wobei die Auswertungseinrichtung zur langfristigen Aufsummierung der elektrischen Signale ausgelegt ist. Ein hierfür verwendbarer mechanisch-elektrischer Wandler wandelt somit die auf ihn einwirkende me- chanische Kraft in ein entsprechendes elektrisches Signal, sodass die Dauer und Intensität der einwirkenden Kraft durch die Dauer und Amplitude des elektrischen Signals proportional, insbesondere linear proportional widergespiegelt und durch die Auswertungseinrichtung aufintegriert wird. The load sensor is preferably a mechanical-electrical converter inserted into the force flow and emits an electrical signal corresponding to the amplitude duration of the force flow, wherein the evaluation device is designed for the long-term accumulation of the electrical signals. A mechanical-electrical converter which can be used for this purpose thus converts the mechanical force acting on it into a corresponding electrical signal so that the duration and intensity of the acting force are reflected proportionally, in particular linearly, by the duration and amplitude of the electrical signal and integrated by the evaluation device becomes.
Auch der mechanisch-elektrische Wandler kann mit einer Spannungsquelle zusammenwirken, um das dem Kraftfluss entsprechende elektrische Signal zu erzeugen. Bekannt sind hierfür beispielsweise Dehnungsmessstreifen, deren Widerstand sich durch die ausgeübte mechanische Kraft gut messbar ändert, sodass das abgegebene e- lektrische Signal der Dauer und Amplitude des Kraftflusses entspricht. Bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung, bei der auch der mechanisch-elektrische Wandler ohne eine Fremdspannungsquelle auskommt, wie dies beispielsweise bei einem Piezoelement oder einer Induktionsspule der Fall ist. Wenn der Wandler, wie beispielsweise das Piezoelement, eine Wechselspannung generiert, ist es zweckmäßig, dem Wandler einen Gleichrichter nachzuschalten, so- dass für die Anzeigeeinrichtung ein pulsierendes Gleichspannungssignal zur Verfügung steht. The mechanical-electrical converter can also interact with a voltage source in order to generate the electrical signal corresponding to the force flow. For example, this is known Strain gauges whose resistance changes well by the applied mechanical force, so that the emitted electrical signal corresponds to the duration and amplitude of the force flow. However, an embodiment is preferred in which the mechanical-electrical converter also manages without an external voltage source, as is the case, for example, with a piezoelectric element or an induction coil. If the converter, such as the piezoelectric element, generates an alternating voltage, it is expedient to connect a rectifier to the converter, so that a pulsating direct voltage signal is available for the display device.
Die Auswertungseinrichtung ist vorzugsweise eine Elektrolysezelle, der das von dem mechanisch-elektrischen Wandler abgegebene elektrische Signal zugeführt wird und an der das jeweilige Maß der aufsummierten Belastung durch eine proportionale Materialveränderung aufgrund einer durch das elektrische Signal verursachten elektrolytischen Reaktion ablesbar ist. Vorzugsweise ist die Elektrolysezelle so ausgebildet, dass die elektrolytische Reaktion zu einer ablesbaren Materialansammlung oder Materialentfernung führt. The evaluation device is preferably an electrolysis cell, to which the electrical signal emitted by the mechanical-electrical converter is supplied and at which the respective measure of the summed load can be read by a proportional change in material due to an electrolytic reaction caused by the electrical signal. Preferably, the electrolytic cell is designed so that the electrolytic reaction leads to a readable material accumulation or material removal.
Bei der Verwendung einer Elektrolysezelle als Auswertungseinrich- tung ist das von dem Belastungssensor generierte elektrische Signal vorzugsweise ein dem Kraftfluss entsprechender elektrischer Strom.When using an electrolysis cell as an evaluation device, the electrical signal generated by the load sensor is preferably an electric current corresponding to the force flow.
Für andere Auswertungseinrichtungen kann das elektrische Signal auch eine dem Kraftfluss entsprechende elektrische Spannung sein.For other evaluation devices, the electrical signal may also be an electrical voltage corresponding to the force flow.
Als Auswertungseinrichtung können auch solche Geräte verwendet werden, die elektrische Signale aufsummieren, ins besondere auchAs an evaluation device, such devices can be used to sum up the electrical signals, in particular also
Zähler, die pro vorgegebener elektrischer Leistung weiterzählen. Für die Aufsummierung elektrischer Spannungen kommen auch, ggf. nach einer Analog-Digital-Wandlung, digitale Speicher, beispielswei- se digitale Zähler oder Flash-Speicher, in Frage. Counters that continue counting for a given electrical power. For the summation of electrical voltages, digital memories, for example after an analog-to-digital conversion, also come about, for example. digital counter or flash memory in question.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann es sinnvoll sein, die Amplituden der elektrischen Signale zu differenzieren, um beispiels- weise elektrische Signale mit geringen Amplituden gar nicht zur Auswertung heranzuziehen. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, hohe Belastungsspitzen in der Auswertung anders zu wichten als zwar merkbare, jedoch deutlich geringere Belastungsamplituden. Es kann daher sinnvoll sein, wenigstens eine Gruppe von Amplituden separat auszuwerten, wobei unterschiedliche Amplitudengruppen unterschiedlich ausgewertet werden können und/oder geringfügige Amplituden außer Betracht bleiben. In one embodiment of the invention, it may be useful to differentiate the amplitudes of the electrical signals in order, for example, not to use electrical signals with low amplitudes for the evaluation. In addition, it may be useful to weight high peak loads in the evaluation differently than noticeable, but significantly lower load amplitudes. It may therefore be useful to evaluate at least one group of amplitudes separately, wherein different amplitude groups can be evaluated differently and / or minor amplitudes are disregarded.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet für Bauelemen- te, die durch den Kraftfluss überwiegend zyklisch und/oder impuls- förmig belastet werden, wie dies beispielsweise bei Prothesen oder Orthesen während des Gehens der Fall ist. Eine sinnvolle Verwendung ergibt sich auch für andere orthopädietechnische Hilfsmittel, beispielsweise Gehhilfsmittel in Form von Stützen, Rollatoren u. ä. The present invention is particularly suitable for structural elements which are predominantly cyclically and / or pulse-shaped as a result of the force flow, as is the case, for example, with prostheses or orthoses during walking. A meaningful use also results for other orthopedic technical aids, such as walking aids in the form of supports, rollators u. ä.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt: The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing. It shows:
Figur 1 - eine schematische Darstellung eines mechanisch- elektrischen Wandlers mit einem nachgeschaltetenFigure 1 - a schematic representation of a mechanical-electrical converter with a downstream
Gleichrichter und einer daran angeschlossenen Anzeigeeinrichtung. Rectifier and a connected display device.
Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist beispiel- haft eine lineare Belastung mit einer Kraft F auf einem Belastungssensor 1 in Form eines mechanisch-elektrischen Wandlers 6, der vorzugsweise durch ein Piezoelement gebildet ist, dargestellt. Der Belastungssensor ist dabei so angeordnet, dass er in dem Kraftfluss durch das zu überwachende Bauelement beaufschlagt wird, wodurch die Kraft F auf den Belastungssensor 1 einwirkt. In the embodiment shown in the drawing, a linear load with a force F on a load sensor 1 in the form of a mechanical-electrical converter 6, which is preferably formed by a piezoelectric element, is shown by way of example. The load sensor is arranged so that it is in the power flow is acted upon by the component to be monitored, whereby the force F acts on the load sensor 1.
Ist das zu überwachende Bauelement ein orthopädietechnisches Hilfsmittel, beispielsweise eine Prothese oder Orthese, wird der Belastungssensor 1 zyklisch be- und entlastet. Der mechanischelektrische Wandler 6 in Form des Piezoelements gibt dabei ein Wechselspannungssignal ab, das in einem nachgeschalteten Gleichrichter 7 zu einer pulsierenden Gleichspannung gewandelt wird. Mit der pulsierenden Gleichspannung wird eine Elektrolysezelle 8 beaufschlagt, in der die zugeführte pulsierende Gleichspannung zu einem entsprechenden pulsierenden Strom zwischen einer Anode 9 und einer Kathode 10 führt. Der Strom wird durch Ionen 11 in einem Elektrolyt 12 transportiert. Bei geeignet gewählten Materialien für die Anode 9 und die Kathode 10 führt der Stromfluss zu einer Materialabscheidung an einer der Elektroden und / oder zu einer Materialentfernung (Materialabtrag) an der anderen Elektrode. If the component to be monitored is an orthopedic technical aid, for example a prosthesis or orthosis, the load sensor 1 is cyclically loaded and unloaded. The mechanical-electrical converter 6 in the form of the piezoelectric element emits an alternating voltage signal, which is converted in a downstream rectifier 7 to a pulsating DC voltage. With the pulsating DC voltage, an electrolysis cell 8 is acted upon, in which the supplied pulsating DC voltage leads to a corresponding pulsating current between an anode 9 and a cathode 10. The stream is transported by ions 11 in an electrolyte 12. With properly selected materials for anode 9 and cathode 10, current flow results in material deposition on one of the electrodes and / or material removal on the other electrode.
Durch ein zweckmäßigerweise vorgesehenes (nicht dargestelltes) Sichtfenster, das mit einer Skalierung versehen sein kann, kann die Materialabscheidung, die Materialentfernung quantitativ erkannt werden. Da das von dem mechanisch-elektrischen Wandler 6 abgegebene elektrische Signal eine elektrische Leistung transportiert, die von der Häufigkeit der Belastungszyklen und der Dauer und Amplitude der Belastungsimpulse (Kraft F) abhängt, entsteht eine elektrolytische Reaktion, die der Dauer und der Amplitude der Belastungen durch die Kraft F entspricht. In Abhängigkeit von dem Stromfluss entsteht die gemessene Materialveränderung in Form der Materialanlagerung bzw. der Materialentfernung. Die kumulierte Belastung ist daher un- mittelbar an der Elektrolysezelle 8 ablesbar. By appropriately provided (not shown) viewing window, which can be provided with a scale, the material deposition, the material removal can be detected quantitatively. Since the electrical signal delivered by the mechanical-electrical converter 6 transports electrical power that depends on the frequency of the load cycles and the duration and amplitude of the load pulses (force F), an electrolytic reaction occurs, which depends on the duration and amplitude of the loads the force F corresponds. Depending on the current flow, the measured material change occurs in the form of material attachment or material removal. The accumulated load can therefore be read off the electrolysis cell 8 directly.
Die erfindungsgemäßen Belastungssensoren 1 eignen sich insbesondere zur Überwachung von Prothesen- und Orthesenkomponenten, aber auch zur Überwachung von Werkzeugmaschinen, Kraftfahrzeugkomponenten, Hebezeugen, Straßen und Bauwerken. The strain sensors 1 according to the invention are particularly suitable for monitoring prosthesis and orthosis components, but also to monitor machine tools, automotive components, hoists, roads and structures.
Die Belastungssensoren 1 können an beliebige Formen eines zu überwachenden Bauelements angepasst sein. Insbesondere die Ausführung mit einem mechanisch-elektrischen Wandler 6 und einer Elektrolysezelle 8 lässt sich auf kleinstem Raum und an geeigneter Stelle eines zu überwachenden Bauelements realisieren. The load sensors 1 can be adapted to any shape of a component to be monitored. In particular, the embodiment with a mechanical-electrical converter 6 and an electrolytic cell 8 can be realized in the smallest space and at a suitable location of a component to be monitored.

Claims

Ansprüche claims
1. Bauelement, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraft- fluss (F, M) ausgelegt ist, gekennzeichnet durch einen Belastungssensor (1), der in den Kraftfluss (F, M) durch das Bauele- ment eingeschaltet ist und eine der Anzahl und Amplitude des1. A component designed to be loaded with a mechanical force flux (F, M), characterized by a load sensor (1) which is switched on in the force flow (F, M) by the component and one of the number and Amplitude of the
Kraftflusses (F, M) entsprechende Aktion generiert und dem eine Auswertungseinrichtung (3, 8) nachgeschaltet ist, die aus den generierten Aktionen des Belastungssensors (1) eine Auswertung der aus Anzahl und Amplitude gebildeten aufsummierten Belastung erstellt. Power flow (F, M) generates corresponding action and an evaluation device (3, 8) is connected downstream of the generated from the actions of the load sensor (1) an evaluation of the accumulated load formed from number and amplitude.
2. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungssensor (1 ) zur Funktion ohne Fremdenergiequelle ausgelegt ist. 2. The component according to claim 1, characterized in that the load sensor (1) is designed to function without external power source.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraftfluss (F) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftfluss (F) ein mechanischelektrischer Wandler (6) als Belastungssensor (1) eingeschaltet ist, der ein der Amplitude des Kraftflusses (F) entsprechendes elektrisches Signal abgibt und dem eine Auswerteeinrichtung (8) nachgeschaltet ist, die zur langfristigen Aufsummierung der e- lektrischen Signale ausgelegt ist. 3. The component according to claim 1 or 2, which is designed for loading with a mechanical force flow (F), characterized in that in the force flow (F), a mechanical electrical transducer (6) is switched on as a load sensor (1), the one of the amplitude of the power flow (F) emits appropriate electrical signal and an evaluation device (8) is connected downstream, which is designed for long-term accumulation of e- lektrischen signals.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung eine Elektrolysezelle (8) ist, der das von dem mechanisch-elektrischen Wandler (6) abgegebene elektrische Signal zugeführt wird und an der das jeweilige Maß der aufsummierten Belastung durch eine proportionale Materialveränderung aufgrund einer durch das elektrische Signal verursachten elektrolytischen Reaktion erkennbar ist. 4. The component according to claim 3, characterized in that the evaluation device is an electrolysis cell (8), which emitted by the mechanical-electrical converter (6) electrical signal is supplied and at which the respective measure of the summed load by a proportional change in material due to an electrical signal caused by the electrolytic reaction is recognizable.
5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialveränderung linear proportional zur aufsummierten Belastung ist. 5. The component according to claim 4, characterized in that the material change is linearly proportional to the summed load.
6. Bauelement nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet durch einen eine Wechselspannung generierenden Wandler (6), dem ein Gleichrichter (7) nachgeschaltet ist. 6. The component according to claim 1 or 5, characterized by an AC voltage generating converter (6), which is followed by a rectifier (7).
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Wandler (6) durch wenigstens ein Pie- zoelement gebildet ist. 7. The component according to one of claims 1 to 6, character- ized in that the transducer (6) is formed by at least one piezo element.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (8) so ausgebildet ist, dass die elektrolytische Reaktion zu einer detektierbaren Materialabscheidung oder Materialentfernung führt. 8. The component according to one of claims 4 to 7, characterized in that the electrolysis cell (8) is formed so that the electrolytic reaction leads to a detectable material deposition or material removal.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle so ausgebildet ist, dass die elektrischen Signale zu einer pH-Wert-Änderung führen und dass der pH-Wert ablesbar ist. 9. The component according to one of claims 4 to 7, characterized in that the electrolysis cell is formed so that the electrical signals lead to a pH change and that the pH value is readable.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch einen Amplitudendiskriminierungseinrichtung, durch die wenigstens eine Gruppe unterschiedlicher Amplituden der elektrischen Signale separat auswertbar ist. 10. The component according to one of claims 3 to 9, characterized by an amplitude discriminating device by which at least one group of different amplitudes of the electrical signals can be evaluated separately.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Form eines orthopädietechnischen Hilfsmittels. 11. The component according to one of claims 1 to 10 in the form of an orthopedic aid.
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