WO2023104919A1 - Gelenk - Google Patents

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WO2023104919A1
WO2023104919A1 PCT/EP2022/084858 EP2022084858W WO2023104919A1 WO 2023104919 A1 WO2023104919 A1 WO 2023104919A1 EP 2022084858 W EP2022084858 W EP 2022084858W WO 2023104919 A1 WO2023104919 A1 WO 2023104919A1
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piston
joint
joint part
cylinder
fluid
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PCT/EP2022/084858
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Inventor
Martin Pusch
Original Assignee
Ottobock Se & Co. Kgaa
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    • A61F2002/5073Helical springs, e.g. having at least one helical spring

Definitions

  • the invention relates to a joint for an orthopedic device, wherein the joint has a first joint part, a second joint part, which is arranged on the first joint part in a pivoting range so that it can pivot about a pivot axis, and a hydraulic system with at least one first cylinder, which has a first longitudinal axis and disposed in the second joint part, and having a first piston positioned in the cylinder.
  • Such joints have long been known from the prior art and are used for a wide variety of requirements in the prior art.
  • a joint can be used, for example, as an ankle joint in a leg prosthesis.
  • One of the two joint parts is connected to a prosthetic foot or is formed by a prosthetic foot.
  • the respective other joint part is usually designed with a connection element, for example a pyramid adapter, in order to connect another prosthesis component, for example a lower leg, to this joint part.
  • the joint enables a movement between the two joint parts, ie, for example the prosthetic foot and a lower leg, that simulates the ankle movement of the human foot.
  • the movement of the two joint parts relative to one another is counteracted by a damping and a force by the flow resistance of the hydraulic fluid via a hydraulic system.
  • such a hydraulic system has two hydraulic chambers that are fluidically connected to one another. If the joint is now moved, ie the first joint part is pivoted about the pivot axis relative to the second joint part, the hydraulic fluid is conducted from one of the two hydraulic chambers into the other of the two hydraulic chambers. Hydraulic lines practice and/or valves, e.g. a throttle valve, used for this purpose impose a flow resistance which is perceived as damping the movement of the joint.
  • the two joint parts can only be pivoted about the pivot axis within a pivoting range, ie a predetermined angular range. This pivoting range is limited on both sides by a stop.
  • the hydraulic chambers are in a common cylinder and are separated from one another by a piston.
  • a separate cylinder for each hydraulic chamber, in each of which a piston is movably arranged.
  • the fluid is transferred from one hydraulic chamber to the other hydraulic chamber by moving the existing pistons. It is important in the prior art that the movement of the piston follows the shape of the cylinder.
  • the cylinder has a longitudinal axis along which its cross section is constant. The movement of the piston within the cylinder then follows this longitudinal direction and consists only of such displacement along one direction.
  • the piston Since it is necessary to prevent hydraulic fluid from passing between the piston and the inner wall of the cylinder, the piston is usually provided with a seal on its outer surface which faces the inner wall of the cylinder. So that this creates a sufficient sealing effect in every position of the piston within the cylinder, it is ensured in the prior art that the orientation of the piston within the cylinder does not change.
  • the invention thus relates to a joint for an orthopedic device, the joint having a first joint part and a second joint part which is arranged on the first joint part such that it can pivot about a pivot axis.
  • the pivot axis can be a fixed pivot axis, which runs along a shaft, for example, or a virtual pivot axis.
  • Such a joint also has a hydraulic system, which preferably has a first hydraulic chamber, a second hydraulic chamber connected to the first hydraulic chamber by at least a fluid connection is connected, and has at least one valve that is configured to open and close the fluid connection.
  • the hydraulic system is arranged and set up in such a way that hydraulic fluid flows from the first hydraulic chamber into the second hydraulic chamber or vice versa when the first joint part is pivoted relative to the second joint part.
  • the invention also relates to a method for setting an initial position of the first joint part relative to the second joint part of such a joint and to an orthopedic device that has such a joint.
  • a technical orthopedic device within the meaning of the present invention is in particular a prosthesis or an orthosis. These are preferably designed for the lower extremity and the joint is used as a knee joint, a hip joint or an ankle joint.
  • a position of the first joint part relative to the second joint part can be adjusted and locked in different positions.
  • This makes it possible, for example, to freely set an angle between a lower leg part and a foot part of a prosthesis, which in this case form the first and the second joint part. If, for example, the wearer of such a prosthesis changes shoes, this usually also leads to a change in the heel height, which can be taken into account by this adjustability.
  • When using the prosthesis after the heel height has been adjusted, there is no provision for hydraulic fluid to be transferred from one hydraulic chamber into another hydraulic chamber.
  • Such a joint which does not allow movement during operation, has a high level of security against failure and thus also gives the wearer of a prosthesis or orthosis equipped with such a joint great security.
  • Alternative embodiments of hydraulic joints for orthopedic devices provide that the fluid connection is not closed during operation of the joint. A movement of the two joint parts relative to each other is consequently possible. However, depending on the flow resistance generated by the fluid connection, the movement is damped to a greater or lesser extent. It is preferably possible, for example by means of a throttle valve, to make the flow resistance and therefore also the damping of the movement adjustable. Configurations of valve assemblies are known from the prior art, which have combinations of throttle valve and check valves, so that the flow resistances, which oppose a flow of hydraulic fluid from one hydraulic chamber into another hydraulic chamber, can be set individually and preferably differently for different flow directions. With such a joint, in which a cushioned movement is possible, a very natural gait pattern can be achieved on the one hand, and a high level of wearing comfort can be created on the other hand, since mechanical shocks can be cushioned.
  • an artificial ankle joint is known from US Pat. No. 9,132,023 B2, which on the one hand enables heel height adjustment and on the other hand dynamic damping.
  • the joint has four hydraulic chambers that form two interconnected pairs. If the joint is to be dynamically damped, the connection between the two chambers of the first pair is closed. The other two chambers are then in fluid communication with one another, so that movement of the joint displaces hydraulic fluid from one chamber into the other. The damping can be adjusted via the flow resistance.
  • a heel height is to be adjusted, the closed connection between the chambers of the first pair must be opened and the open connection between the chambers of the second pair must be closed or it must be ensured in some other way that no hydraulic fluid can be exchanged between the chambers of the second pair. Then, by changing the ratio of the size of the chambers of the first pair, the heel height can be adjusted.
  • the disadvantage is that the size ratio of the chambers of the second pair cannot be reproduced and therefore the angle in the ankle joint at which the heel is adjusted cannot be reproduced can be adjusted.
  • the construction requires a relatively large installation space and has a high weight due to the many massive elements. This is particularly disadvantageous for the ankle joints, since they are worn away from the body and have to be accelerated considerably when walking, for example. This results in large moments of inertia that have to be overcome.
  • the problem is that the two joint parts execute a pivoting movement about a pivot axis relative to one another.
  • this rotational movement must be converted into a purely longitudinal movement, i.e. a displacement along one direction.
  • This is technically unproblematic and can be achieved, for example, with a connecting rod.
  • the disadvantage is that this increases the overall height of the hydraulic system and thus the overall height of the joint, which is disadvantageous in many orthopedic applications and orthopedic technical devices.
  • the available installation space is severely limited.
  • the hydraulic system is often arranged in the prosthetic foot, which is used in a so-called foot cosmetic in order to achieve an optical impression that is as similar as possible to a human foot.
  • the invention is therefore based on the object of further developing a joint of the type described above in such a way that the required overall height and/or the required installation space is kept small.
  • the invention solves the problem set by a joint according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the first piston is arranged at a first attachment point of the first joint part in such a way that the first piston moves relative to the second joint part when the first joint part is pivoted along the longitudinal axis of the first cylinder and performs a tilting movement.
  • the invention is based on the surprising finding that it is not necessary for the piston to only perform a longitudinal movement without a change in orientation. Rather, the invention provides that this is not the case, but that the first piston, in addition to being displaced along the longitudinal axis of the first cylinder, performs a tilting movement that changes the orientation of the first piston relative to the first cylinder.
  • This tilting movement preferably takes place about a tilting axis which runs perpendicularly to the longitudinal axis of the first cylinder.
  • the tilting axis particularly preferably runs parallel to the pivoting axis of the joint.
  • the outer surface of the first piston which faces an inner surface of the first cylinder, is advantageously formed with at least one sealing element, for example an O-ring, preferably made of an elastic material, for example rubber.
  • the outer surface of the first piston particularly preferably has a groove in which the sealing element is arranged.
  • the sealing element protrudes beyond the outer surface of the first piston. In the unassembled state, it projects beyond the outer surface of the first piston by a distance that is greater than the distance between the outer surface of the first piston and the inner surface of the first cylinder in the assembled state.
  • the bearing between the piston and the first joint part is the only bearing that is moved linearly. All other bearings, where two components are joined together, are rotating bearings.
  • a piston rod is preferably omitted and, particularly preferably, no support rings are necessary.
  • the sealing element is preferably designed in such a way that it seals the piston on which it is arranged against both a round cylindrical shape and an elliptical cylindrical shape. Such an elliptical seal is necessary when the piston is tilted relative to the cylinder.
  • the piston is preferably designed as a spherical segment in the area in which the sealing element is arranged.
  • the outer contour of the piston has a constant curvature in this area, i.e. a constant radius around a single center point.
  • a groove which is arranged in the piston and in which the sealing element is positioned, and partially fill it with an elastic bearing material.
  • the sealing element is provided with a sealing lip which, in the unloaded state, projects further out of the groove accommodating the sealing element as a ring seal, in order to be able to seal a larger sealing gap.
  • the first cylinder is arranged in such a way that the path of the first fastening point intersects the first longitudinal axis twice when the first joint part is pivoted relative to the second joint part.
  • the longitudinal axis of the first cylinder like the first cylinder, is also positioned in the second joint part and is immovable relative to this second joint part.
  • the first attachment point is part of the first joint part and immovable relative thereto. So if the two joint parts are pivoted relative to one another, the first attachment point is also pivoted relative to the first longitudinal axis of the first cylinder.
  • the first longitudinal axis of the first cylinder runs perpendicular to the pivot axis of the joint, the two axes being skewed in the mathematical sense, ie they do not intersect, even if they are lengthened mentally.
  • the first attachment point Since the first component performs a circular movement or at least part of a circular movement relative to the second component during pivoting, the first attachment point also performs a circular movement relative to the first longitudinal axis of the first cylinder. A part of a circular path either cannot intersect a straight line, it can touch it once, or it can intersect it twice. The configuration in which the circular path that describes the attachment point during pivoting intersects the first longitudinal axis twice is preferred.
  • this does not necessarily mean that the circular path that executes the first attachment point and the first longitudinal axis must lie in a common plane.
  • the first longitudinal axis is the vertical projection of the circular path intersects twice.
  • the vertical projection of the circular path is the projection from which the circular path appears as a circular path.
  • the part of the circular path is also limited to this angular range.
  • the distance between the first attachment point and the first longitudinal axis of the first cylinder is the same for both critical angles that delimit the pivot areas in each case.
  • the distance between the first attachment point and the first longitudinal axis is particularly preferably the same for these two limiting angles as in the central position in which the angle between the first joint part and the second joint part lies exactly in the middle of the two limiting angles.
  • the first piston is attached directly to the first attachment point of the first joint part.
  • the hydraulic system comprises a second cylinder arranged in the second articulation part and a second piston positioned in the second cylinder and arranged at a second attachment point of the first articulation part.
  • the second piston is also designed in such a way that, during the pivoting of the two joint parts relative to one another, it executes a tilting movement in addition to a movement along the second longitudinal axis of the second cylinder.
  • the first cylinder and the second cylinder, together with the two pistons arranged therein, are designed analogously to one another, preferably identically.
  • the pivoting range is limited by a first limit angle and a second limit angle
  • the distance between the fastening point of the piston and the longitudinal axis of the respective cylinder is the same in the two limiting angles.
  • the distance between the fastening point of the piston and the longitudinal axis of the respective cylinder in the center of the pivoting range is just as large as at the limit angles.
  • the piston is particularly preferably arranged on the joint part so that it can be pivoted about a piston axis.
  • the hydraulic system preferably has at least one compensating volume, which is preferably prestressed, particularly preferably spring-loaded.
  • a compensating volume is connected to the remaining elements of the hydraulic system in such a way that hydraulic fluid located in the hydraulic system can flow into and out of the compensating volume. This is particularly useful when the volume of the hydraulic fluid changes, for example due to temperature changes in the hydraulic fluid. If the volume of the liquid increases, for example because it expands due to rising temperature, the excess volume can flow into the compensation volume. This is preferably done against a resistance, for example a force that has to be overcome and by which the compensating volume is prestressed.
  • This preload can be achieved, for example, by inflowing hydraulic fluid moving a wall of the compensating volume or a part of such a wall in order to increase the volume available for the hydraulic fluid.
  • the wall or part thereof is preferably displaced, with a spring, ie an elastic energy store, being charged with potential energy.
  • At least one sealing element which seals a gap between the first piston and the first cylinder is advantageously arranged on the first piston and/or on the first cylinder.
  • the at least one sealing element is particularly preferably arranged in a groove, with the at least one sealing element preferably being mounted on an elastic bearing element which is arranged at the base of the groove.
  • the at least one sealing element preferably has a sealing lip. Regardless of the specific design of the at least one sealing element, this sealing element is designed in such a way that a hydraulic chamber, which is delimited by the cylinder and the piston, is sealed. This means that no hydraulic fluid can escape between the first cylinder and the first piston at the pressures occurring during operation of the hydraulic system.
  • the hydraulic system also has a second piston and a second cylinder
  • at least one sealing element is also arranged on the second piston and/or the second cylinder.
  • Identical sealing elements are preferably arranged.
  • the sealing effect of the at least one sealing element is achieved independently of the tilting angles that occur.
  • the width of the gap between the respective piston and the corresponding cylinder varies with the movement of the two joint parts relative to one another. This must not impair the sealing effect.
  • the joint is preferably characterized in that the hydraulic system has at least one volume, which has a first partial volume and a second partial volume, and at least one further fluid line, which has a first partial line and a second partial line, the first partial volume being connected via the first partial line is connected to the first hydraulic chamber and the second partial volume is connected to the second hydraulic chamber via the second partial line, and the first partial volume is separated from the second partial volume by a displaceable separating device.
  • first partial line and the second partial line are jointly referred to as a further fluid line, this does not mean that they are fluidically connected. Instead, the volume with the first partial volume and the second partial volume, which are separated by the displaceable separating device, is located between the two partial lines. So if fluid is conducted through the first sub-line from the first hydraulic chamber into the first sub-volume, the displaceable separating device must be displaced so that the first sub-volume is enlarged. This inevitably results in a reduction in the size of the second partial volume, so that fluid is conducted from the second partial volume through the second partial line into the second hydraulic chamber. Consequently, the separating device must be able to change the size of the adjoining partial volumes.
  • the separating device has a membrane which is preferably stretched over the cross section of the volume. If fluid is now fed into one of the two partial volumes, the membrane bulges due to the increased pressure on one side and thus enlarges the first partial volume at the expense of the second partial volume, which is thereby reduced.
  • the separating device can be moved within the volume in the further fluid line. It is advantageous if the separating device can be moved within the volume, which can be a cylinder, for example, but the fluid itself cannot pass through the separating device.
  • the separating device is preferably in sealing contact with the inner wall of the volume. Separating device and volume are preferably designed as a cylinder and a piston adapted thereto and can be designed as a longitudinally displaceable system or as rotary hydraulics. A bent or curved piston is also possible. What is important is that a displacement of the piston displaces fluid from the first hydraulic chamber into the second hydraulic chamber or vice versa.
  • the further fluid line has a first sub-line, which connects the first hydraulic chamber to a first sub-volume in which the separating device is located, and a second sub-line, which connects the second hydraulic chamber to a second sub-volume.
  • the first partial volume and the second partial volume are delimited from one another by the separating device.
  • the volume in which the separating device, for example the movably mounted piston, is located is preferably smaller than the volume of the first hydraulic chamber and smaller than the volume of the second hydraulic chamber.
  • the range of motion of the joint which is also possible when the fluid connection is closed, i.e. when the first partial line and/or second partial line between the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber is closed, is then small in relation to the range of motion of the joint when the fluid connection is open. If the fluid connection between the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber is closed, fluid can only be moved from one of the two hydraulic chambers into the volume in the fluid line, where it ensures that the separating device, for example the movably mounted piston, is displaced. As a result, fluid is conducted from the volume into the respective other hydraulic chamber on the opposite side of the separating device. As soon as the separating device cannot move any further in this direction, the joint cannot be moved any further in this direction either.
  • this range of movement is limited in that the separating device, for example the piston, strikes a stop within the volume on at least one side, preferably on two sides, when a specific position is reached. From this moment, further movement in this direction of movement is no longer possible and the range of movement in this direction of movement is limited.
  • at least one of the stops particularly preferably both stops, is provided with a spring or a damping element, which allows movement to a limited extent even if the stop has already been reached when a sufficiently large force is applied.
  • the two hydraulic chambers are preferably connected to one another via at least two fluid connections.
  • Valve arrangements are preferably arranged in the two fluid connections, each of which has a check valve, with the two check valves acting in different flow directions. So the flow resistances for different directions can be chosen independently of each other.
  • Both fluid connections can preferably be closed by a valve.
  • This configuration is advantageous for knee joints, for example.
  • the valves of the fluid connections When the valves of the fluid connections are open, normal flexion and extension of the joint is possible and hydraulic fluid is conducted from one hydraulic chamber to the other hydraulic chamber via one of the two fluid connections.
  • the flexion resistance and the extension resistance can be adjusted independently of one another by the valve arrangement in the respective fluid connection. If the two valves are closed, a movement of the two joint parts relative to one another is still possible, since fluid can be routed from the hydraulic chambers into the partial volumes and vice versa. In this way, for example, a stance phase flexion and subsequent extension of the knee can be achieved when walking on level ground.
  • the at least first partial line and/or the second partial line preferably has at least one throttle, by means of which a flow resistance through the first partial line and/or second partial line can be adjusted.
  • a throttle in the first sub-line also changes the flow resistance of the first sub-line
  • a throttle in the second sub-line changes the flow resistance of the second sub-line.
  • the throttle which can be designed as a throttle valve, for example, is arranged in the first partial line or the second partial line.
  • At least one valve arrangement is advantageously arranged in the first partial line and/or second partial line, by means of which a flow resistance through the first partial line and/or second partial line can be set differently for different flow directions.
  • Such valve arrangements are known in principle from the prior art. They have combinations of throttle valve and non-return valve, which are arranged to act in parallel.
  • the check valve ensures that the choke valve is only passed through in a single flow direction, which is the direction in which the check valve prevents flow, and the choke valve accommodates that desired flow resistance.
  • the at least one fluid line has two such combinations, with the two check valves acting in opposite directions. One combination can therefore only flow in the first flow direction and the other combination only in the second flow direction.
  • the separating device can preferably be displaced in at least one direction, particularly preferably in two opposite directions, against a spring force applied by a spring element. This also changes a resistance that opposes a displacement of the separating device within the volume and thus also a displacement of the fluid.
  • the movement of the separating device is preferably limited in at least one direction, particularly preferably in two opposite directions, by a stop which preferably has a damping element.
  • the damping element is preferably designed as an elastomer block or as a plate spring.
  • At least one of the stops, but particularly preferably both stops, is preferably designed to be adjustable, so that a range of movement of the separating device can be adjusted.
  • the first hydraulic chamber is separated from the second hydraulic chamber by a main piston arranged and configured to be movable by pivoting the first joint part relative to the second joint part.
  • the designation "main piston" is only used to distinguish it from the piston in the volume of the fluid line and does not imply any size or mass ratios.
  • a particularly simple structural design can be achieved by using a single main piston.
  • the first hydraulic chamber and the second hydraulic chamber can be arranged in the same cylinder and in this case are separated from one another by the main piston.
  • the main piston can also be designed to be longitudinally displaceable or in the form of rotary hydraulics, in which case it performs a rotary movement when it is displaced.
  • the first partial line and/or second partial line preferably runs through the main piston.
  • the volume in the fluid line in which the separating device is located is particularly preferably arranged inside the main piston. More preferably, the entire fluid line is within the main piston. Although this results in increased design complexity, it reduces the space required, which is generally scarce in joints for orthopedic devices.
  • a method for setting an initial position of the first joint part relative to the second joint part of a joint of the type described here preferably has the following steps:
  • the starting position can be easily reproduced.
  • the separating device ie the piston in the present example, has to be brought into its rest position.
  • the starting position corresponds, for example, to a heel height if the joint is an ankle joint.
  • the starting position preferably corresponds to a predetermined joint angle between the first joint part and the second joint part.
  • the separating device is preferably displaced within the volume up to a stop.
  • a torque acting about the pivot axis is preferably applied to the first joint part and/or the second joint part. If the predetermined rest position of the separating device is consequently at a stop, it can be reached in a particularly easy manner and is also orthopedic for the user Device, such as a prosthesis, easy to adjust. To do this, the user only has to apply a corresponding torque.
  • the joint is used, for example, as an ankle joint of a lower leg prosthesis between a lower leg part and a foot part
  • the user can load the forefoot, for example, so that a corresponding torque is applied and the separating device is thereby displaced into its predetermined rest position.
  • a torque can also be applied manually.
  • the disadvantage here is that after setting the starting position, the separating device can only be moved in one direction, namely away from the stop.
  • the spring elements are preferably designed and arranged in such a way that they overcome forces and torques exerted and caused by gravity and move the joint to the neutral position in which the separating device, for example the movable piston, is in the rest position.
  • the invention also solves the problem set by an orthopedic device with a joint of the type described here, which is characterized in that the joint is a hip joint, an ankle joint or a knee joint.
  • Figure 1 - a schematic circuit diagram of a hydraulic system
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a prosthetic foot
  • Figure 7 - a schematic plan view in a sectional view
  • FIGS. 8 and 9 are schematic representations of a prosthetic foot according to a further embodiment of the present invention in two different positions
  • FIG. 10 shows the prosthetic foot from FIG. 6 in a second position
  • Figure 11 is another schematic circuit diagram
  • FIG. 18 shows the schematic representation of a prosthetic foot with rotary hydraulics
  • FIG. 19 shows a schematic circuit diagram of a further hydraulic system
  • FIG. 20 shows a schematic representation of a prosthetic foot with a joint according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a circuit diagram for a hydraulic system of a joint.
  • a main piston 4 is arranged in a cylinder 2 and can be displaced to the left and right in the illustration shown. It is connected to two piston rods 6 through which its movement is guided.
  • the first hydraulic chamber 8 is connected to the second hydraulic chamber 10 via a fluid connection 12, with a valve 14 being located in the fluid connection 12, which can be opened and closed, so that the fluid connection 12 can thereby also be opened and closed.
  • the fluid connection 12 is open, hydraulic fluid can flow from the first hydraulic chamber 8 into the second hydraulic chamber 10 and vice versa when the main piston 4 moves.
  • the damping of this movement of the main piston 4 can be adjusted via an optionally adjustable flow resistance, which is caused by the valve 14 .
  • the fluid connection 12 is closed, the hydraulic fluid cannot flow through the fluid connection 12 .
  • the hydraulic system has a further fluid line 16.
  • This has a number of elements. It has a volume 18 in which a piston 20 is movably arranged.
  • This piston 20 can also be moved to the left and right in the exemplary embodiment shown. In this embodiment, however, it does not have a piston rod, but is designed as a floating piston. This is an advantage, but not necessary.
  • the piston 20 can also be designed with a piston rod.
  • the piston 20 divides the volume 18 into a first part, which is located to the left of the piston 20 in the exemplary embodiment shown, and a second part, which is located to the right of the piston 20 in the exemplary embodiment shown.
  • the first part of the volume is connected to the first hydraulic chamber 8 via a first partial line 24 .
  • the second part of the volume is connected to the second hydraulic chamber 10 via a second partial line 26 .
  • a valve arrangement 28 which has a combination of a throttle valve 30 and a check valve 32 .
  • a flow resistance, which is opposed to the fluid flowing through the valve arrangement 28, can thus be adjusted in one flow direction.
  • FIG. 2 shows a joint according to an exemplary embodiment of the present invention as part of a knee prosthesis shown schematically.
  • the main piston 4 is arranged with its piston rod 6 on the second joint part 34 which is arranged on a first joint part 38 so as to be pivotable about a pivot axis 36 .
  • piston 20 is located at the lower stop 22 and can consequently only be moved in one direction, upwards in FIG. This happens when the main piston 4 is moved downwards and pushes fluid from the first hydraulic chamber 8 through the first partial line 24 into the volume 18 .
  • This makes it possible, for example, to bend the joint in the stance phase, which means that walking with the prosthesis is easier on the wearer and the gait pattern is more natural.
  • Figure 3 shows a similar configuration.
  • the piston rod 6 is coupled to the second joint part 34 of the knee joint, which is again connected to the first joint part 38 about the pivot axis 36 .
  • the volume 18 and the entire fluid line 16 are now located within the main piston 4, with the fluid line 16 only being shown schematically for reasons of clarity.
  • Figures 4 and 5 show the identical embodiment.
  • the main piston 4 is located in the cylinder 2 and is attached to the second joint part 34 with the piston rod 6 .
  • the spring element 40 pushes the piston 20 into the rest position.
  • connection between the hydraulic chamber and the volume 18 can be closed by the valve 14 . This makes movement of the piston 20 impossible.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the present invention designed as an ankle joint.
  • the first joint part 38 is the prosthetic foot on which second joint part 34 is arranged pivotably.
  • the second joint part 34 is set up to be connected to a lower leg element.
  • the main piston 4 is designed in the form of two main pistons 4 which form oscillating pistons and are each arranged pivotably on the second joint part 34 .
  • the first hydraulic chamber 8 and the second hydraulic chamber 10 are located below the main piston 4.
  • the fluid line 16 is located between the two hydraulic chambers 8, 10, which connects the two hydraulic chambers 8, 10 and in which the volume 18 with the movable piston 20 located.
  • the movable piston 20 is positioned at one of its stops 22, so that a movement of the movable piston 20 within the volume 18 is only possible in one direction. In Figure 6, this is a plantar flexion, ie a downward movement.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional representation of a top view of the embodiment of FIG. 6.
  • the first hydraulic chamber 8 and the second hydraulic chamber 10 are connected to one another via the fluid connection 12 .
  • the valve 14 is designed as a valve assembly and has two check valves 42, each of which can open or close the connection to one of the two hydraulic chambers 8, 10.
  • the arrangement also has a push button 44 which is designed in such a way that, if it is pressed in, it is pushed upwards in FIG. 7, actuates the two levers 46 and thus opens the two check valves 42.
  • the first partial line 24 is connected to the first hydraulic chamber 8 by a throttle valve 30 .
  • a disc spring 50 is shown on the upper stop 22, by means of which the stop 22 is damped. The preload of this plate spring 50 can be adjusted by the adjustable driver 52.
  • a pressure relief valve 54 and an opening mechanism 56 are also shown, through which the fluid connection 12 can be opened.
  • the fluid line 16 which in the exemplary embodiment shown is made up of a number of sub-lines and the volume 18.
  • the piston 20 which is biased by the spring element 40 in Figure 7 upwards.
  • the spring element 40 is set up to bring the piston 20 into its rest position when there is no force other than gravity other external forces act.
  • movement of the joint can be achieved by opening the adjustment valve 48 slightly.
  • heel strikes when increased pressure builds up in the second hydraulic chamber 10, fluid can flow from the second hydraulic chamber 10 into the volume 18, as a result of which the piston 20 moves downwards against the spring force of the spring element 40.
  • a corresponding quantity of fluid flows from the partial volume below the piston 20 into the first hydraulic chamber 8 so that the second joint part 34 moves relative to the first joint part 38 .
  • FIGS. 8 and 9 show a prosthetic foot similar to that from FIG. 6.
  • the main difference is that the two hydraulic chambers 8, 10 are separated by a single main piston 4, which is also designed as a pivoting piston.
  • the two hydraulic chambers 8, 10 are again connected by the fluid line 16, in which the volume 18 with the movable cylinder 20 is located.
  • the movable piston 20 rests against one of its stops 22 and can therefore only be moved in one direction, downwards in FIG.
  • This position of the movable piston 20 is preferably assumed when the heel height of the prosthetic foot, in the present exemplary embodiment essentially the position of the main piston 4 between the hydraulic chambers 8, 10, is fixed.
  • the fluid connection 12 which is not shown in Figures 6, 8, 9 and 10 and which is preferably open for adjusting the heel height, is preferably closed. It is then no longer possible for the fluid to flow from one hydraulic chamber 8, 10 through the fluid connection 12 into the respective other hydraulic chamber 10, 8.
  • FIG. 9 shows this situation.
  • the fluid connection 12 is closed, compared to the situation in FIG. 8, the angle between the first joint part 38 and the second joint part 34 has changed, whereby the main piston 4 has shifted.
  • fluid has been displaced from the second hydraulic chamber 10 into the volume 18 .
  • This fluid is located above the movable piston 20 in FIG. 9 and has moved it downwards.
  • fluid that is located below the movable piston 20 in FIG. 8 was moved from the volume into the first hydraulic chamber 8 .
  • FIG. 10 shows the situation from FIG. 9 with a prosthetic foot from FIG. 6.
  • the movable piston 20 has moved away from its stop 22 when the angle between the first joint part 38 and the second joint part 34 has changed.
  • FIG. 11 corresponds to the representation from FIG. 1.
  • the difference, however, is that the first hydraulic chamber 8 and the second hydraulic chamber 10, which are separated from one another by the main piston 4, are no longer connected to one another only by one fluid connection 12, but by two fluid connections 12.
  • a valve 14 and a throttle valve 30 are located in both fluid connections 12.
  • the valves 14 and/or the throttle valve 30 can be designed differently in order to be able to achieve different flow resistances for different flow directions of the fluid, for example.
  • FIGS. 12 to 17 correspond to the representation from FIG. 7. In order to avoid repetition, only the differences will be discussed.
  • FIG. 12 in FIG. 12 there is a valve arrangement in the first partial line 24 which connects the first hydraulic chamber 8 with the volume 18 via the throttle valve 30 and which contains two check valves 32 . These act in different directions, with the upper one of the two check valves 32 in FIG. 12 being spring-loaded. The fluid that flows through this first partial line 24 must pass through the throttle valve 30 regardless of the direction of flow.
  • FIGS. 13 and 14 each show a detail from a corresponding representation.
  • one of the check valves 32 is positioned in the first partial line 24 .
  • it is the spring-loaded check valve which, given a correspondingly high pressure, allows fluid to flow from the first hydraulic chamber 8 through the throttle valve 30 through the first partial line 24 into the volume 18 . Fluid cannot pass through this check valve 32 in the opposite direction, but rather passes through the non-spring-loaded check valve 32. In the exemplary embodiment shown, however, this is arranged in a bypass so that the fluid does not have to pass through the throttle valve 30 in this direction.
  • Figure 14 shows the reverse situation.
  • the non-spring-loaded check valve 32 which allows a flow from the volume 18 in the direction of the height of the first hydraulic chamber 8, is positioned in the first sub-line 24 such that the fluid that flows through this sub-line 24 in this direction throttle valve 30 passes.
  • the counter-acting check valve 32 which is spring-loaded, is located in the bypass so that the fluid taking this route does not pass the throttle valve 30.
  • FIGS 15 to 17 show another embodiment of the present invention.
  • the volume 18 is now divided into the two partial volumes by a membrane 58 instead of the piston 20 . This does not change the functionality.
  • Fluid from the first hydraulic chamber 8 can continue to reach the volume 18 below the membrane 58 through the first partial line 24 .
  • Fluid from the second hydraulic chamber 10 can reach the second partial volume above the membrane 58 via the second partial line 26 .
  • the membrane 58 is elastic and can thus assume different positions depending on the prevailing pressure conditions.
  • FIGS. 16 and 17 show modified embodiments which, however, are each equipped with the membrane 58 . While FIG. 16 differs from FIG. 15 only by a modified configuration of the geometric shape of the volume 18, additional spring elements 40 are shown in FIG.
  • the membrane 58 is preferably designed to be so flexible and elastic that it can rest against the wall delimiting the volume 18 on at least one side. This wall then serves as a stop 22 and thus limits the maximum effective range of the membrane 58. While the stop 22 in FIG. 16 is undamped in this case, the embodiment from FIG. The membrane 58 initially rests against the lower end of the spring elements 40 in a different manner in FIG. If further fluid is fed into the first partial volume, which is shown below the membrane 58 in FIG.
  • FIG. 18 schematically shows a prosthetic foot with the first joint part 38 and the second joint part 34.
  • the first hydraulic chamber 8 and the second hydraulic chamber 10 are each made up of two parts which are each connected to one another.
  • the prosthetic foot in FIG. 15 has rotary hydraulics.
  • the main piston 4 also has two parts which are non-rotatably connected to one another. If the joint is moved, the two joint parts 34, 38 are pivoted relative to one another and the main piston 4 is moved relative to the hydraulic chambers.
  • the piston 20 is arranged in the volume 18 between the two parts of the main piston 4 in the region of the axis of rotation of the joint.
  • FIG. 19 schematically shows a circuit diagram of a further hydraulic system for a joint for an orthopedic technical device according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the two hydraulic chambers 8, 10 are connected by the fluid connection 12, in which the valve 14 is located.
  • the volume 18 consists of two volumes 18.
  • a first displaceable separating device 60 is located in a first volume and a second displaceable separating device 62 is located in the second volume.
  • the first hydraulic chamber 8 is reduced in size and part of the fluid contained therein is conducted through the first partial line 24 .
  • the first separating device 60 is shifted to the right.
  • a portion of the fluid located to the right of the first separating device 60 within the corresponding volume 18 is displaced through the second partial line 26 into the second hydraulic chamber 10 .
  • the main piston 4 is displaced to the left, the second hydraulic chamber 10 is reduced in size and part of the fluid contained therein is conducted through the second partial line 26 .
  • the respective flow resistance for both directions can be adjusted individually by the contained combinations of non-return valve and throttle valve in front of the two volumes 18 and the spring elements contained in the volumes 18 .
  • FIG. 20 shows a prosthetic foot in a schematic sectional illustration. Spring elements that determine and influence the rolling behavior and the elasticity of the foot are only shown schematically.
  • the first joint part 38 in which two cylinders 2 are arranged, can be seen.
  • the second joint part 34 is arranged on it so that it can move about the pivot axis 36 .
  • Two pistons 20 are arranged pivotably on the second joint part 34 . If the second joint part 43 is now pivoted about the pivot axis 36 relative to the first joint part 38, the two pistons 20 in the two cylinders 2 are moved up and down.
  • the groove 68 is shown without a sealing member 66 contained therein. Instead, at the bottom of the groove 68 there is a bearing material 70, shown schematically, which is elastic and thus improves the elastic properties of a sealing element 66 which is inserted into the groove 68 partially filled with the bearing material 70.
  • the sealing element 66 is inserted into the groove 68 in FIG. It is provided with a sealing lip that protrudes radially outwards from the piston 20 and seals the sealing gap between the piston 20 and the cylinder 2 .
  • FIG. 23 shows a joint in three different pivoting positions.
  • the second joint part 34 is in a neutral central position relative to the first joint part 38.
  • the two attachment points 64 at which one of the pistons 20 is arranged on the second joint part 34, move when Pivoting of the two joint parts 38, 34 relative to each other on a circular path, which is represented by the dashed circular line. This is the path of the fastening points 64 when the two joint parts 38, 34 are pivoted relative to one another.
  • the pistons 20, move in a straight line, which is represented by the dotted line. This is the longitudinal axis of the cylinder 2.
  • the attachment points 64 lie both on the circular line and on the dotted lines, so that the pistons 20 are not tilted.
  • the sealing line along which the sealing element seals the hydraulic chamber delimited by the respective piston 20 is therefore a circle.
  • the second joint part 34 is shown pivoted relative to the first joint part 38 .
  • the pivoting has taken place counterclockwise.
  • the piston 20 shown on the left is therefore shifted downwards and the piston 20 shown on the right is shifted upwards.
  • the attachment points 64 are still on the dashed circular line in the two illustrations because this illustrates the movement of the attachment points 64 . However, they no longer lie on the vertical dotted lines which illustrate the movement of the pistons 20.
  • the situation is reversed.
  • the pivoting of the two joint parts 38, 34 relative to each other has taken place in a clockwise direction, so that in this case the piston shown on the left is pushed up and the piston shown on the right is pushed down. In these positions of the joint, the sealing line is an ellipse.
  • the attachment points 64 are not on the dashed circular line in the neutral position, but within the circular line. This means, that the pistons 20 assume a tilted position in the neutral position of the joint. The tilting then takes place away from the pivot axis 36 . If, in this embodiment, the second joint part 34 and the first joint part 38 are pivoted relative to one another, the attachment points 64 move until they lie on the dashed lines. Then the pistons 20 are no longer tilted and the sealing line is a circle. If the joint is pivoted further in the same direction, the attachment points move and lie between the two dotted lines. The pistons 20 are then tilted toward the pivot axis 36 .
  • FIG. 24 shows an embodiment similar to the illustration shown in FIG. The main difference is that the two main pistons 4 are not located on the upper but on the lower joint element.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gelenk für eine orthopädietechnische Einrichtung, wobei das Gelenk ein erstes Gelenkteil (38), ein zweites Gelenkteil (34), das in einem Schwenkbereich um eine Schwenkachse (36) schwenkbar an dem ersten Gelenkteil (38) angeordnet ist, und ein Hydrauliksystem mit wenigstens einem ersten Zylinder (2), der eine erste Längsachse aufweist und in dem zweiten Gelenkteil (34) angeordnet ist, und einem ersten Kolben (20) aufweist, der in dem Zylinder (2) positioniert ist, wobei der erste Kolben (20) derart an einer ersten Befestigungsstelle (64) des ersten Gelenkteils (38) angeordnet ist, dass der erste Kolben (20) beim Verschwenken des ersten Gelenkteils (38) relativ zum zweiten Gelenkteil (34) eine Bewegung entlang der ersten Längsachse des ersten Zylinders (2) und eine Kippbewegung ausführt.

Description

Gelenk
Die Erfindung betrifft ein Gelenk für eine orthopädische Einrichtung, wobei das Gelenk ein erstes Gelenkteil, ein zweites Gelenkteil, das in einem Schwenkbereich um eine Schwenkachse schwenkbar an dem ersten Gelenkteil angeordnet ist, und ein Hydrauliksystem mit mindestens einem ersten Zylinder, der eine erste Längsachse aufweist und in dem zweiten Gelenkteil angeordnet ist, und einem ersten Kolben aufweist, der in dem Zylinder positioniert ist.
Derartige Gelenke sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt und werden für unterschiedlichste Anforderungen im Stand der Technik eingesetzt. Ein solches Gelenk ist beispielsweise als Knöchelgelenk in einer Beinprothese einsetzbar. Eines der beiden Gelenkteile ist dabei mit einem Prothesenfuß verbunden oder wird durch einen Prothesenfuß gebildet. Das jeweils andere Gelenkteil ist in der Regel mit einem Anschlusselement, beispielsweise einem Pyramidenadapter ausgebildet, um ein weiteres Prothesenbauteil, beispielsweise einen Unterschenkel mit diesem Gelenkteil zu verbinden. Durch das Gelenk wird eine der Knöchelbewegung des menschlichen Fußes nachgebildete Bewegung zwischen den beiden Gelenkteilen, also beispielsweise dem Prothesenfuß und einem Unterschenkel, ermöglicht. Über ein Hydrauliksystem wird der Bewegung der beiden Gelenkteile relativ zueinander durch den Strömungswiderstand des Hydraulikfluids eine Dämpfung und eine Kraft entgegengesetzt.
In der Regel verfügt ein solches Hydrauliksystem über zwei Hydraulikkammern, die miteinander in fluidtechnischer Verbindung stehen. Wird nun das Gelenk bewegt, also das erste Gelenkteil relativ zum zweiten Gelenkteil um die Schwenkachse verschwenkt, wird das Hydraulikfluid von einer der beiden Hydraulikkammern in die jeweils andere der beiden Hydraulikkammern geleitet. Dabei üben Hydraulikleitungen und/oder Ventile, beispielsweise ein Drosselventil, das zu diesem Zwecke verwendet wird, einen Strömungswiderstand aus, der als Dämpfung der Bewegung des Gelenks wahrgenommen wird.
Die beiden Gelenkteile sind nur innerhalb eines Schwenkbereiches, also einem vorbestimmten Winkelbereich, um die Schwenkachse schwenkbar. Dieser Schwenkbereich wird auf beiden Seiten durch einen Anschlag begrenzt.
Herkömmlicherweise befinden sich die Hydraulikkammern in einem gemeinsamen Zylinder und werden durch einen Kolben voneinander getrennt. Alternativ dazu ist es auch möglich, für jede Hydraulikkammer einen separaten Zylinder vorzusehen, in dem jeweils ein Kolben bewegbar angeordnet ist. Unabhängig davon, welche Ausgestaltung verwendet wird, wird das Fluid von einer Hydraulikkammer in die andere Hydraulikkammer geleitet, indem die vorhandenen Kolben bewegt werden. Dabei ist es im Stand der Technik wichtig, dass die Bewegung der Kolben der Form des Zylinders folgt. In der Regel weist der Zylinder eine Längsachse auf, entlang derer sein Querschnitt konstant ist. Die Bewegung des Kolbens innerhalb des Zylinders folgt dann dieser Längsrichtung und besteht lediglich aus einer solchen Verschiebung entlang einer Richtung. Da verhindert werden muss, dass Hydraulikfluid zwischen dem Kolben und der Zylinderinnenwand hindurchtritt, ist der Kolben in der Regel an seiner Außenfläche, die der Zylinderinnenwand zugewandt ist, mit einer Dichtung versehen. Damit diese in jeder Position des Kolbens innerhalb des Zylinders eine ausreichende Dichtwirkung erzeugt, wird im Stand der Technik sichergestellt, dass sich die Orientierung des Kolbens innerhalb des Zylinders nicht ändert.
Die Erfindung betrifft also ein Gelenk für eine orthopädietechnische Einrichtung, wobei das Gelenk ein erstes Gelenkteil und ein zweites Gelenkteil aufweist, das um eine Schwenkachse schwenkbar an dem ersten Gelenkteil angeordnet ist. Die Schwenkachse kann eine feste Schwenkachse, die beispielsweise entlang einer Welle verläuft, oder eine virtuelle Schwenkachse sein. Ein solches Gelenk verfügt zudem über ein Hydrauliksystem, das vorzugsweise eine erste Hydraulikkammer, eine zweite Hydraulikkammer, die mit der ersten Hydraulikkammer durch wenigstens eine Fluidverbindung verbunden ist, und wenigstens ein Ventil aufweist, das eingerichtet ist, die Fluidverbindung zu öffnen und zu schließen. Das Hydrauliksystem ist dabei derart angeordnet und eingerichtet, dass Hydraulikfluid von der ersten Hydraulikkammer in die zweite Hydraulikkammer oder umgekehrt fließt, wenn das erste Gelenkteil relativ zu dem zweiten Gelenkteil verschwenkt wird. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Einstellen einer Ausgangsposition des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteils eines derartigen Gelenkes und eine orthopädietechnische Einrichtung, die über ein derartiges Gelenk verfügt.
Eine orthopädietechnische Einrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Prothese oder eine Orthese. Diese sind vorzugsweise für die untere Extremität ausgebildet und das Gelenk wird als Kniegelenk, als Hüftgelenk oder als Knöchelgelenk verwendet.
Gattungsgemäße Gelenke, die auch als hydraulische Gelenke bezeichnet werden, sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt und können im Wesentlichen in zwei unterschiedlichen Weisen verwendet werden.
Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Knöchelgelenke ist es von Vorteil, wenn eine Position des ersten Gelenkteils relativ zum zweiten Gelenkteil einstellbar und in unterschiedlichen Positionen arretierbar ist. Dadurch wird es beispielsweise möglich, einen Winkel zwischen einem Unterschenkelteil und einem Fußteil einer Prothese, die in diesem Fall das erste und das zweite Gelenkteil bilden, frei einzustellen. Wechselt beispielsweise der Träger einer derartigen Prothese das Schuhwerk, führt dies in aller Regel auch zu einer Veränderung der Absatzhöhe, der durch diese Einstellbarkeit Rechnung getragen werden kann. Bei der Verwendung der Prothese ist es nach dem Einstellen der Absatzhöhe dabei nicht vorgesehen, dass Hydraulikfluid von einer Hydraulikkammer in eine andere Hydraulikkammer überführt wird. Ein solches Gelenk, dass im Betrieb keine Bewegung erlaubt, hat eine hohe Ausfallsicherheit und gibt somit auch dem Träger einer Prothese oder Orthese, die mit einem solchen Gelenk ausgerüstet ist, große Sicherheit.
Alternative Ausführungsformen hydraulischer Gelenke für orthopädietechnische Einrichtungen sehen vor, dass im Betrieb des Gelenkes die Fluidverbindung nicht geschlossen wird. Eine Bewegung der beiden Gelenkteile relativ zueinander ist folglich möglich. Je nach Strömungswiderstand, der durch die Fluidverbindung erzeugt wird, ist die Bewegung jedoch mehr oder weniger stark gedämpft. Vorzugsweise ist es möglich, beispielsweise durch ein Drosselventil, den Strömungswiderstand und daher auch die Dämpfung der Bewegung einstellbar zu machen. Aus dem Stand der Technik sind Ausgestaltungen von Ventilanordnungen bekannt, die über Kombinationen von Drosselventil und Rückschlagventilen verfügen, sodass die Strömungswiderstände, die einem Fluss von Hydraulikfluid aus einer Hydraulikkammer in eine andere Hydraulikkammer entgegengesetzt werden, für unterschiedliche Strömungsrichtungen individuell und vorzugsweise unterschiedlich eingestellt werden können. Mit einem solchen Gelenk, bei dem eine gedämpfte Bewegung möglich ist, lässt sich einerseits ein sehr naturnahes Gangbild erreichen, und andererseits ein hoher Tragekomfort erzeugen, da mechanische Stöße abgefedert werden können.
Nachteilig ist jedoch, dass eine Kombination der beiden Effekte, eines einerseits fest eingestellten Gelenkwinkels und andererseits einer gedämpften Bewegung ohne eine mechatronische Steuerung nicht möglich erscheint.
Aus der US 9,132,023 B2 ist ein künstliches Knöchelgelenk bekannt, das einerseits eine Absatzhöheneinstellung und andererseits eine dynamische Dämpfung ermöglicht. Dazu verfügt das Gelenk über vier Hydraulikkammern, die zwei miteinander verbundene Paare bilden. Soll das Gelenk dynamisch gedämpft sein, wird die Verbindung zwischen den beiden Kammern des ersten Paares geschlossen. Die beiden anderen Kammern stehen dann miteinander in fluidtechnischer Verbindung, sodass eine Bewegung des Gelenkes Hydraulikfluid von einer Kammer in die andere verschiebt. Über den Strömungswiderstand kann die Dämpfung eingestellt werden. Soll hingegen eine Absatzhöhe eingestellt werden, muss die geschlossene Verbindung zwischen den Kammern des ersten Paares geöffnet und die geöffnete Verbindung zwischen den Kammern des zweiten Paares geschlossen werden oder auf andere Weise sichergestellt werden, dass zwischen den Kammern des zweiten Paares kein Hydraulikfluid ausgetauscht werden kann. Dann kann über eine Veränderung des Verhältnisses der Größe der Kammern des ersten Paares die Absatzhöhe eingestellt werden. Nachteilig ist jedoch, dass das Größenverhältnis der Kammern des zweiten Paares nicht reproduzierbar ist und somit der Winkel im Knöchelgelenk, bei dem die Absatz für eingestellt wird, nicht reproduzierbar eingestellt werden kann. Zudem erfordert die Konstruktion einen relativ großen Bauraum und weist aufgrund der vielen massereichen Elemente ein hohes Gewicht auf. Dies ist gerade für Knöchelgelenke von Nachteil, da diese körperfern getragen und beispielsweise bei Gehen stark beschleunigt werden müssen. Dadurch treten große Trägheitsmomente auf, die überwunden werden müssen.
Problematisch ist dabei unabhängig von der Ausgestaltung des Hydrauliksystems, dass die beiden Gelenkteile relativ zueinander eine Schwenkbewegung um eine Schwenkachse ausführen. Diese rotatorische Bewegung muss für eine optimale Bewegung des Kolbens in eine rein longitudinale Bewegung, also eine Verschiebung entlang einer Richtung, überführt werden. Dies ist technisch unproblematisch und kann beispielsweise durch eine Pleuelstange erreicht werden. Nachteilig ist jedoch, dass dies die Bauhöhe des Hydrauliksystems und damit die Bauhöhe des Gelenkes erhöht, was in vielen orthopädietechnischen Anwendungen und orthopädietechnischen Einrichtungen nachteilig ist. Insbesondere bei der Verwendung für einen Prothesenfuß oder eine Beinprothese ist der verfügbare Bauraum stark begrenzt. Das Hydrauliksystem ist oftmals im Prothesenfuß angeordnet, der in eine sogenannte Fußkosmetik eingesetzt wird, um auch optisch einen einem menschlichen Fuß möglichst ähnlichen Eindruck zu erreichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gelenk der oben beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, dass die benötigte Bauhöhe und/oder der benötigte Bauraum, klein gehalten wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Gelenk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , das sich dadurch auszeichnet, der erste Kolben derart an einer ersten Befestigungsstelle des ersten Gelenkteils angeordnet ist, dass der erste Kolben beim Verschwenken des ersten Gelenkteils relativ zum zweiten Gelenkteil eine Bewegung entlang der Längsachse des ersten Zylinders und eine Kippbewegung ausführt. Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es nicht notwendig ist, dass der Kolben ausschließlich eine longitudinale Bewegung ohne eine Änderung der Orientierung ausführt. Vielmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dies gerade nicht der Fall ist, sondern dass der erste Kolben zusätzlich zur Verschiebung entlang der Längsachse des ersten Zylinders eine Kippbewegung ausführt, durch die sich die Orientierung des ersten Kolbens relativ zum ersten Zylinder verändert. Vorzugsweise erfolgt diese Kippbewegung um eine Kippachse, die senkrecht zur Längsachse des ersten Zylinders verläuft. Besonders bevorzugt verläuft die Kippachse parallel zur Schwenkachse des Gelenks.
Vorteilhafterweise ist die Außenfläche des ersten Kolbens, die einer Innenfläche des ersten Zylinders zugewandt ist, mit wenigstens einem Dichtelement, beispielsweise einem O-Ring vorzugsweise aus einem elastischen Material, beispielsweise Gummi, ausgebildet. Besonders bevorzugt verfügt die Außenfläche des ersten Kolbens über eine Nut, in der das Dichtelement angeordnet ist. Das Dichtelement ragt dabei über die Außenfläche des ersten Kolbens hinaus. Im nicht montierten Zustand ragt es dabei um eine Strecke über die Außenfläche des ersten Kolbens hinaus, die größer ist als der Abstand zwischen der Außenfläche des ersten Kolbens und der Innenfläche des ersten Zylinders im montierten Zustand.
Vorzugsweise ist das Lager zwischen dem Kolben und dem ersten Gelenkteil das einzige Lager, das linear bewegt wird. Alle anderen Lager, bei denen zwei Bauteile miteinander verbunden werden, sind rotierende Lager. Vorzugsweise entfällt eine Kolbenstange und besonders bevorzugt sind auch keine Stützringe notwendig. Dazu ist es von Vorteil, wenn die Kinematik so ausgelegt ist, dass die Kolben eindeutig geführt, jedoch nicht überbestimmt gelagert sind. Vorzugsweise ist das Dichtelement so ausgebildet, dass es den Kolben, an dem es angeordnet ist, sowohl gegen eine runde Zylinderform als auch gegen eine elliptische Zylinderform abgedichtet. Eine solche elliptische Dichtung ist notwendig, wenn der Kolben relativ zum Zylinder verkippt wird. Vorzugsweise ist der Kolben in dem Bereich, in dem das Dichtelement angeordnet ist, als Kugelsegment ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Außenkontur des Kolbens in diesem Bereich eine konstante Krümmung, also einen konstanten Radius um einen einzigen Mittelpunkt aufweist. Um die Elastizität der Dichtung, die durch das Dichtelement hervorgerufen wird, zu vergrößern, ist es von Vorteil, eine Nut, die in dem Kolben angeordnet ist und in der das Dichtelement positioniert wird, zu vertiefen und mit einem elastischen Lagermaterial teilweise aufzufüllen. Alternativ oder zusätzlich dazu ist das Dichtelement mit einer Dichtlippe versehen, die im unbelasteten Zustand weiter als eine Ringdichtung aus der das Dichtelement aufnehmenden Nut herausragt, um einen größeren Dichtspalt abdichten zu können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Zylinder so angeordnet, dass die Bahn der ersten Befestigungsstelle beim Verschwenken des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil die erste Längsachse zweimal schneidet. Die Längsachse des ersten Zylinders ist wie der erste Zylinder auch in dem zweiten Gelenkteil positioniert und ist relativ zu diesem zweiten Gelenkteil unbeweglich. Die erste Befestigungsstelle ist Teil des ersten Gelenkteils und relativ zu diesem unbeweglich. Werden also die beiden Gelenkteile relativ zueinander verschwenkt, wird auch die erste Befestigungsstelle relativ zur ersten Längsachse des ersten Zylinders verschwenkt. In einer bevorzugten Ausgestaltung verläuft die erste Längsachse des ersten Zylinders senkrecht zur Schwenkachse des Gelenkes, wobei die beiden Achsen windschief im mathematischen Sinne sind, sich also nicht schneiden, selbst wenn man sie in Gedanken verlängert.
Da beim Verschwenken das erste Bauteil relativ zum zweiten Bauteil eine Kreisbewegung oder zumindest einen Teil einer Kreisbewegung ausführt, führt auch die erste Befestigungsstelle eine Kreisbewegung relativ zur ersten Längsachse des ersten Zylinders aus. Ein Teil einer Kreisbahn kann eine Gerade entweder nicht schneiden, er kann sie einmal berühren oder kann sie zweimal schneiden. Bevorzugt wird dabei die Ausgestaltung, bei der die Kreisbahn, die die Befestigungsstelle beim Verschwenken beschreibt, die erste Längsachse zweimal schneidet.
Dies bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwangsläufig, dass die Kreisbahn, die die erste Befestigungsstelle ausführt und die erste Längsachse in einer gemeinsamen Ebene liegen müssen. Dies ist zwar eine vorteilhaft Ausgestaltung, für die Erfindung jedoch nicht notwendig. Für den hier beschriebenen Effekt ist es ausreichend, wenn die erste Längsachse die senkrechte Projektion der Kreisbahn zweimal schneidet. Die senkrechte Projektion der Kreisbahn ist dabei die Projektion, aus der die Kreisbahn wie eine Kreisbahn erscheint.
Da die beiden Gelenkteile nur in einem vorbestimmten Schwenkbereich, also einem vorbestimmten Winkelbereich, relativ zueinander verschwenkbar sind, ist auch der Teil der Kreisbahn auf diesen Winkelbereich begrenzt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Abstand der ersten Befestigungsstelle von der ersten Längsachse des ersten Zylinders bei beiden Grenzwinkel, die den Schenkbereichen jeweils Einrichtung begrenzen, gleich groß. Besonders bevorzugt ist der Abstand der ersten Befestigungsstelle von der ersten Längsachse bei diesen beiden Grenzwinkeln genauso groß wie in der mittleren Stellung, in der der Winkel zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil genau in der Mitte der beiden Grenzwinkel liegt.
Vorzugsweise ist der erste Kolben direkt an der ersten Befestigungsstelle des ersten Gelenkteils befestigt. Insbesondere befindet sich zwischen dem ersten Gelenkteil und dem ersten Kolben kein weiteres bewegliches Element, das um eine andere Achse, die nicht durch die erste Befestigungsstelle verläuft, drehbar oder kippbar ist. Insbesondere ist keine Pleuelstange vorhanden.
Vorteilhafterweise weist das Hydrauliksystem einen zweiten Zylinder, der der in dem zweiten Gelenkteil angeordnet ist, und einen zweiten Kolben auf, der in dem zweiten Zylinder positioniert und an einer zweiten Befestigungsstelle des ersten Gelenkteils angeordnet ist. Auch der zweite Kolben ist dabei so ausgebildet, dass er während der Verschwenkung der beiden Gelenkteile relativ zueinander zusätzlich zu einer Bewegung entlang der zweiten Längsachse des zweiten Zylinders eine Kippbewegung ausführt. Vorzugsweise sind der ersten Zylinder und der zweite Zylinder gemeinsam mit den darin angeordneten beiden Kolben analog zueinander vorzugsweise identisch ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Schwenkbereich von einem ersten Grenzwinkel und einem zweiten Grenzwinkel begrenzt, wobei der Abstand zwischen der Befestigungsstelle des Kolbens und der Längsachse des jeweiligen Zylinders in den beiden Grenzwinkeln gleich groß ist. Besonders bevorzugt ist der Abstand zwischen der Befestigungsstelle des Kolbens und der Längsachse des jeweiligen Zylinders in der Mitte des Schwenkbereichs genauso groß wie bei den Grenzwinkeln. Besonders bevorzugt ist der Kolben um eine Kolbenachse schwenkbar an dem Gelenkteil angeordnet.
Vorzugsweise weist das Hydrauliksystem wenigstens ein Ausgleichsvolumen auf, das vorzugsweise vorgespannt, besonders bevorzugt federbelastet ist. Ein solches Ausgleichsvolumen ist mit den übrigen Elementen des Hydrauliksystems derart verbunden, dass Hydraulikflüssigkeit, die sich in dem Hydrauliksystem befindet, in das Ausgleichsvolumen hinein und aus ihm heraus strömen kann. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn sich beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen der Hydraulikflüssigkeit das Volumen der Hydraulikflüssigkeit ändert. Nimmt das Volumen der Flüssigkeit zu, beispielsweise weil sie sich aufgrund steigender Temperatur ausdehnt, kann das überschüssige Volumen in das Ausgleichsvolumen strömen. Vorzugsweise geschieht dies gegen einen Widerstand, beispielsweise eine zu überwindende Kraft, durch die das Ausgleichsvolumen vorgespannt ist. Diese Vorspannung kann beispielsweise erreicht werden, indem einströmendes Hydraulikfluid eine Wand des Ausgleichsvolumens oder einen Teil einer solchen Wand bewegt, um das für das Hydraulikfluid zur Verfügung stehende Volumen zu vergrößern. Die Wand oder deren Teil wird vorzugswiese verschoben, wobei eine Feder, also ein elastischer Energiespeicher, mit potentieller Energie aufgeladen wird.
Vorteilhafterweise ist an dem ersten Kolben und/oder an dem ersten Zylinder wenigstens ein Dichtelement angeordnet, das einen Spalt zwischen dem ersten Kolben und dem ersten Zylinder abdichtet. Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine Dichtelement in einer Nut angeordnet, wobei vorzugweise das wenigstens eine Dichtelement an einem elastischen Lagerelement gelagert ist, das am Grund der Nut angeordnet ist. Vorzugsweise weist das wenigstens eine Dichtelement eine Dichtlippe auf. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des wenigstens einen Dichtelementes ist dieses Dichtelement derart ausgestaltet, dass eine Hydraulikkammer, die von dem Zylinder und von dem Kolben begrenzt wird, abgedichtet wird. Dies bedeutet, dass bei den im Betrieb des Hydrauliksystems auftretenden Drücken keine Hydraulikflüssigkeit zwischen dem ersten Zylinder und dem ersten Kolben austreten kann. Verfügt das Hydrauliksystem auch über einen zweiten Kolben und einen zweiten Zylinder ist auch dem zweiten Kolben und/oder dem zweiten Zylinder wenigstens ein Dichtelement angeordnet. Vorzugsweise sind identische Dichtelemente angeordnet. Die Dichtwirkung des wenigstens einen Dichtelementes wird dabei unabhängig von den auftretenden Kippwinkeln erreicht. Die Breite des Spaltes zwischen dem jeweiligen Kolben und dem entsprechenden Zylinder variiert bei der Bewegung der beiden Gelenkteile relativ zueinander. Dies darf die Dichtwirkung nicht beeinträchtigen.
Vorzugsweise zeichnet sich das Gelenk dadurch aus, dass das Hydrauliksystem wenigstens ein Volumen, das ein erstes Teilvolumen und ein zweites Teilvolumen aufweist, und wenigstens eine weitere Fluidleitung aufweist, die eine erste Teilleitung und eine zweite Teilleitung aufweist, wobei das erste Teilvolumen über die erste Teilleitung mit der ersten Hydraulikkammer und das zweite Teilvolumen über die zweite Teilleitung mit der zweiten Hydraulikkammer verbunden ist und das erste Teilvolumen von dem zweiten Teilvolumen durch eine verschiebbare Trenneinrichtung getrennt ist.
Auch wenn die erste Teilleitung und die zweite Teilleitung gemeinsam als weitere Fluidleitung bezeichnet werden, bedeutet dies nicht, dass sie fluidtechnischen Verbindung stehen. Vielmehr befindet sich zwischen den beiden Teilleitungen das Volumen mit dem ersten Teilvolumen und dem zweiten Teilvolumen, die durch die verschiebbare Trenneinrichtung getrennt sind. Wenn also Fluid durch die erste Teilleitung aus der ersten Hydraulikkammer in das erste Teilvolumen geleitet wird, muss die verschiebbare Trenneinrichtung verschoben werden, sodass das erste Teilvolumen vergrößert wird. Dies hat zwangsläufig eine Verkleinerung des zweiten Teilvolumen zur Folge, sodass Fluid aus dem zweiten Teilvolumen durch die zweite Teilleitung in die zweite Hydraulikkammer geleitet wird. Die Trenneinrichtung muss folglich in der Lage sein, die Größe der angrenzenden Teilvolumina zu verändern. Dies kann beispielsweise durch einen verschiebbaren Kolben, der auch als fliegender Kolben bezeichnet wird, geschehen. Alternativ oder zusätzlich dazu verfügt die Trenneinrichtung über eine Membran, die vorzugsweise über den Querschnitt des Volumens gespannt ist. Wird nun in eines der beiden Teilvolumina Fluid geleitet, wölbt sich die Membran aufgrund des auf der einen Seite erhöhten Druckes und vergrößert so das erste Teilvolumen auf Kosten des zweiten Teilvolumens, das dabei verringert wird.
Selbst wenn also die Fluidverbindung zwischen den beiden Hydraulikkammern durch das Ventil geschlossen ist, kann in der weiteren Fluidleitung die Trenneinrichtung innerhalb des Volumens bewegt werden. Es ist von Vorteil, wenn die Trenneinrichtung innerhalb des Volumens, das beispielsweise ein Zylinder sein kann, bewegbar ist, das Fluid selbst die Trenneinrichtung jedoch nicht passieren kann. Die Trenneinrichtung liegt vorzugsweise an der Innenwand des Volumens dichtend an. Trenneinrichtung und Volumen sind bevorzugt als Zylinder und daran angepasster Kolben ausgebildet und können als längsverschiebliches System oder als Rotationshydraulik ausgebildet sein. Auch ein gebogener oder ein gekrümmter Kolben ist möglich. Wichtig ist, dass eine Verschiebung des Kolbens Fluid aus der ersten Hydraulikkammer in die zweite Hydraulikkammer oder umgekehrt verschiebt. Es ist folglich ausreichend, wenn die weitere Fluidleitung eine erste Teilleitung, die die erste Hydraulikkammer mit einem ersten Teilvolumen verbindet, in dem sich die Trenneinrichtung befindet, und eine zweite Teilleitung aufweist, die die zweite Hydraulikkammer mit einem zweiten Teilvolumen verbindet. Dabei das erste Teilvolumen und das zweite Teilvolumen durch die Trenneinrichtung voneinander abgegrenzt.
Wenn die Fluidleitung zwischen den beiden Hydraulikkammern geschlossen ist, kann Fluid durch die erste Teilleitung zwischen der ersten Hydraulikkammer und dem ersten Teilvolumen ausgetauscht werden. Es ist ebenfalls möglich, Hydraulikfluid durch die zweite Teilleitung zwischen der zweiten Hydraulikkammer und dem zweiten Teilvolumen auszutauschen. Da das Gesamtvolumen aus erstem Teilvolumen und zweitem Teilvolumen konstant bleibt auch wenn die Trenneinrichtung bewegt wird, muss eine Menge Fluid, die in eines der beiden Teilvolumen geleitet wird, aus dem jeweils anderen Teilvolumen entfernt werden.
Bevorzugt ist das Volumen, in dem sich die Trenneinrichtung, beispielsweise der beweglich gelagerten Kolben befindet, kleiner als das Volumen der ersten Hydraulikkammer und kleiner als das Volumen der zweite Hydraulikkammer. Der Bewegungsumfang des Gelenkes, der auch bei geschlossener Fluidverbindung, also bei geschlossener erster Teilleitung und/oder zweiter Teilleitung zwischen der ersten Hydraulikkammer und der zweiten Hydraulikkammer möglich ist, ist dann im Verhältnis zum Bewegungsumfang des Gelenks bei geöffneter Fluidverbindung klein. Ist die Fluidverbindung zwischen der ersten Hydraulikkammer und der zweiten Hydraulikkammer geschlossen, kann Fluid aus einer der beiden Hydraulikkammern nur in das Volumen in der Fluidleitung bewegt werden, wo es dafür sorgt, dass die Trenneinrichtung, beispielsweise der beweglich gelagerte Kolben verschoben wird. Dadurch wird auf der gegenüberliegenden Seite der Trenneinrichtung Fluid aus dem Volumen in die jeweils andere Hydraulikkammer geleitet. Sobald die Trenneinrichtung sich in diese Richtung nicht weiter bewegen kann, ist auch das Gelenk in dieser Richtung nicht weiter bewegbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dieser Bewegungsumfang dadurch begrenzt, dass die Trenneinrichtung, beispielsweise der Kolben innerhalb des Volumens an wenigstens einer Seite, bevorzugt an zwei Seiten an einen Anschlag anschlägt, wenn eine bestimmte Position erreicht ist. Ab diesem Moment ist eine weitere Bewegung in diese Bewegungsrichtung nicht mehr möglich und der Bewegungsumfang in diese Bewegungsrichtung begrenzt. Vorzugsweise ist wenigstens einer der Anschläge, besonders bevorzugt beide Anschläge mit einer Feder oder einem Dämpfungselement versehen, durch das eine Bewegung in begrenztem Umfang möglich ist, auch wenn der Anschlag bereits erreicht ist, wenn eine ausreichend große Kraft aufgebracht wird.
Bevorzugt sind die beiden Hydraulikkammern über wenigstens zwei Fluidverbindungen miteinander verbunden. In den beiden Fluidverbindungen sind vorzugsweise Ventilanordnungen angeordnet, die jeweils ein Rückschlagventil aufweisen, wobei die beiden Rückschlagventile in unterschiedliche Strömungsrichtungen wirken. So können die Strömungswiderstände für unterschiedliche Richtungen unabhängig voneinander gewählt werden.
Vorzugsweise sind beide Fluidverbindungen durch ein Ventil verschließbar.
Diese Ausgestaltung ist beispielsweise für Kniegelenke von Vorteil. Wenn die Ventile der Fluidverbindungen geöffnet sind, ist eine normale Flexion und Extension des Gelenks möglich und Hydraulikfluid wird über jeweils eine der beiden Fluidverbindungen aus einer Hydraulikkammer in die jeweils andere Hydraulikkammer geleitet. Der Flexionswiderstand und der Extensionswiderstand sind durch die Ventilanordnung in der jeweiligen Fluidverbindung unabhängig voneinander einstellbar. Werden die beiden Ventile geschlossen, ist eine Bewegung der beiden Gelenkteile relativ zueinander noch immer möglich, da Fluid aus den Hydraulikkammern in die Teilvolumen und umgekehrt geleitet werden kann. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Standphasenbeugung und anschließende Streckung des Knies beim Gehen in der Ebene erreichen.
Vorzugsweise verfügt die wenigstens erste Teilleitung und/oder die zweite Teilleitung über wenigstens eine Drossel, durch die ein Strömungswiderstand durch die erste Teilleitung und/oder zweite Teilleitung einstellbar ist. Es versteht sich, dass eine Drossel in der ersten Teilleitung auch den Strömungswiderstand der ersten Teilleitung und eine Drossel in der zweiten Teilleitung den Strömungswiderstand der zweiten Teilleitung verändert. Die Drossel, die beispielsweise als Drosselventil ausgebildet sein kann, ist in der ersten Teilleitung oder der zweite Teilleitung angeordnet. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als eine Drossel zu verwenden, von denen bevorzugt wenigstens eine in der ersten Teilleitung und wenigstens eine in der zweite Teilleitung angeordnet ist.
Vorteilhafterweise ist in der ersten Teilleitung und/oder zweite Teilleitung wenigstens eine Ventilanordnung angeordnet, durch die ein Strömungswiderstand durch die erste Teilleitung und/oder zweite Teilleitung für unterschiedliche Strömungsrichtungen unterschiedlich einstellbar ist. Derartige Ventilanordnungen sind aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt. Sie verfügen über Kombinationen aus Drosselventil und Rückschlagventil, die parallel wirkend angeordnet sind. Das Rückschlagventil sorgt dafür, dass das Drosselventil nur in einer einzigen Durchflussrichtung durchlaufen wird, nämlich der Richtung, in der das Rückschlagventil einen Durchfluss verhindert, und das Drosselventil passt den gewünschten Strömungswiderstand an. In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die wenigstens eine Fluidleitung über zwei derartige Kombinationen, wobei die beiden Rückschlagventile in einander entgegengesetzten Richtungen wirken. Die eine Kombination ist somit nur in die erste Strömungsrichtung und die andere Kombination nur in die zweite Strömungsrichtung durchströmbar.
Vorzugsweise ist die Trenneinrichtung in wenigstens einer Richtung, besonders bevorzugt in zwei entgegengesetzte Richtungen gegen jeweils eine von einem Federelement aufgebrachte Federkraft verschiebbar. Auch dadurch wird ein Widerstand, der einer Verschiebung der Trenneinrichtung innerhalb des Volumens und damit auch einer Verlagerung des Fluid entgegengesetzt wird, verändert.
Vorzugsweise ist die Bewegung der Trenneinrichtung in wenigstens einer Richtung, besonders bevorzugt in zwei entgegengesetzten Richtungen jeweils durch einen Anschlag begrenzt, der vorzugsweise ein Dämpfungselement aufweist. Das Dämpfungselement ist vorzugsweise als Elastomerblock oder als Tellerfeder ausgebildet. Vorzugsweise ist wenigstens einer der Anschläge, besonders bevorzugt jedoch beide Anschläge, einstellbar ausgebildet, sodass ein Bewegungsumfang der Trenneinrichtung einstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Hydraulikkammer von der zweite Hydraulikkammer durch einen Hauptkolben getrennt, der derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er bewegbar ist, indem das erste Gelenkteil relativ zu dem zweiten Gelenkteil verschwenkt wird. Die Bezeichnung „Hauptkolben“ dient dabei lediglich der Unterscheidbarkeit vom Kolben im Volumen der Fluidleitung und impliziert keine Größen- oder Massenverhältnisse. Durch die Verwendung eines einzelnen Hauptkolbens lässt sich eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung erreichen. Erste Hydraulikkammer und zweite Hydraulikkammer können in dem gleichen Zylinder angeordnet werden und sind in diesem Fall durch den Hauptkolben voneinander getrennt. Auch der Hauptkolben kann längsverschieblich oder in Form einer Rotationshydraulik ausgebildet sein, bei der er beim Verschieben eine Drehbewegung ausführt. Vorzugsweise verläuft die erste Teilleitung und/oder zweite Teilleitung durch den Hauptkolben. Besonders bevorzugt ist das Volumen in der Fluidleitung, in dem sich die Trenneinrichtung befindet, innerhalb des Hauptkolbens angeordnet. Weiter bevorzugt befindet sich die gesamte Fluidleitung innerhalb des Hauptkolbens. Dies hat zwar einen erhöhten konstruktiven Aufwand zur Folge, reduziert jedoch den benötigten Bauraum, der in Gelenken für orthopädietechnische Einrichtungen in der Regel knapp ist.
Ein Verfahren zum Einstellen einer Ausgangsposition des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil eines Gelenkes der hier beschriebenen Art, weist vorzugsweise folgende Schritte auf:
- Positionieren der Trenneinrichtung in einer vorbestimmten Ruheposition,
- Öffnen der Fluidverbindung durch Betätigen des Ventils,
- Verschwenken des ersten Gelenkteils relativ zu dem zweiten Gelenkteil, bis die Ausgangsposition erreicht ist, und
- Schließen der Fluidverbindung.
Da die vorbestimmte Ruheposition der Trenneinrichtung, beispielsweise des beweglich gelagerten Kolbens vor jedem Einstellen der Ausgangsposition eingenommen wird, lässt sich die Ausgangsposition leicht reproduzieren. Dazu muss lediglich die Trenneinrichtung, vorliegenden Beispiel also der Kolben in seine Ruheposition gebracht werden. Die Ausgangsposition entspricht beispielsweise einer Absatzhöhe wenn das Gelenk ein Knöchelgelenk ist.
Die Ausgangsposition entspricht vorzugsweise einem vorbestimmten Gelenkwinkel zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil.
Vorzugsweise wird zum Positionieren der Trenneinrichtung in der Ruheposition die Trenneinrichtung innerhalb des Volumens bis zu einem Anschlag verschoben. Dazu wird vorzugsweise ein um die Schwenkachse wirkendes Drehmoment auf das erste Gelenkteil und/oder das zweite Gelenkteil aufgebracht. Liegt die vorbestimmte Ruheposition der Trenneinrichtung folglich an einem Anschlag, ist sie auf besonders leichte Weise zu erreichen und auch für den Benutzer der orthopädietechnischen Einrichtung, beispielsweise einer Prothese, leicht einzustellen. Dazu muss der Benutzer lediglich ein entsprechendes Drehmoment aufbringen. Wird das Gelenk beispielsweise als Knöchelgelenk einer Unterschenkelprothese zwischen einem Unterschenkelteil und einem Fußteil verwendet, kann der Benutzer beispielsweise den Vorfuß belasten, sodass ein entsprechendes Drehmoment aufgebracht und die Trenneinrichtung dadurch in seine vorbestimmte Ruheposition verschoben wird. Ein solches Drehmoment ist auch händisch aufbringbar. Nachteilig ist dabei jedoch, dass nach dem Einstellen der Ausgangsposition die Trenneinrichtung nur in eine Richtung, nämlich von dem Anschlag weg, bewegt werden kann.
Alternativ dazu ist es daher vorteilhaft, zum Positionieren des Kolbens in der Ruheposition kein um die Schwenkachse wirkendes Drehmoment auf das erste Gelenkteil und/oder das zweite Gelenkteil aufzubringen. Damit die Trenneinrichtung in dieser Situation in seine vorbestimmte Ruheposition gebracht wird, ist es notwendig, dass wenigstens eine Kraft auf sie aufgebracht wird, die sie in diese Ruheposition bringt. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass innerhalb des Volumens, in dem beispielsweise der Kolben beweglich gelagert ist, ein oder mehrere Federelemente angeordnet sind, die ihn mit jeweils einer Federkraft beaufschlagen. In einer Situation, in der kein äußeres Drehmoment und keine äußeren Kräfte wirken sorgen diese Federelemente dafür, dass die Trenneinrichtung, beispielsweise der bewegbare Kolben in seine Ruheposition gebracht wird. Diese befindet sich dann in der Regel nicht an einem Anschlag, sodass nach dem Einstellen der Ausgangsposition eine Bewegung in beide Richtungen möglich ist.
Die Federelemente sind vorzugsweise derart ausgebildet und eingerichtet, dass sie Kräfte und Drehmomente, die durch die Gravitation ausgeübt und hervorgerufen werden, überwinden und das Gelenk in die neutrale Position, in der sich die Trenneinrichtung, beispielsweise der bewegbare Kolben, in der Ruheposition befindet.
Es kann von Vorteil sein, ein oder mehrere Federelemente zu verwenden, deren Federkraft ausreicht, die Trenneinrichtung an einen ihrer Anschläge zu bewegen und so die Ruhelage zu erreichen. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine orthopädietechnische Einrichtung mit einem Gelenk der hier beschriebenen Art, die sich dadurch auszeichnet, dass das Gelenk ein Hüftgelenk, ein Knöchelgelenk oder ein Kniegelenk ist.
Mithilfe der beigefügten Zeichnungen werden nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 - ein schematisches Schaltbild eines Hydrauliksystems
Figuren 2 bis 5 - schematische Darstellungen von Gelenken,
Figur 6 - eine schematische Darstellung eines Prothesenfußes
Figur 7 - eine schematische Draufsicht in einer Schnittdarstellung,
Figuren 8 und 9 - schematische Darstellungen eines Prothesenfußes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in zwei unterschiedlichen Positionen
Figur 10 den Prothesenfuß aus Figur 6 in einer zweiten Position,
Figur 11 ein anderes schematisches Schaltbild,
Figuren 12-17- Draufsichten auf schematische Schnittdarstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen
Figur 18 die schematische Darstellung eines Prothesenfußes mit einer Rotationshydraulik
Figur 19 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Hydrauliksystems,
Figur 20 eine schematische Darstellung eines Prothesenfuß des mit einem Gelenk gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figuren 21 und 22 - Detailansichten verschiedener Dichtungselemente,
Figur 23 - schematische Ansichten eines Gelenkes in unterschiedlichen
Schwenkpositionen und
Figur 24 - eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung eines Schaltbildes für ein Hydrauliksystem eines Gelenks. In einem Zylinder 2 ist ein Hauptkolben 4 angeordnet, der in der gezeigten Darstellung nach links und rechts verschiebbar ist. Er ist mit zwei Kolbenstangen 6 verbunden, durch die seine Bewegung geführt ist. In dem Zylinder 2 befindet sich eine erste Hydraulikkammer 8 sowie eine zweite Hydraulikkammer 10, die durch den Hauptkolben 4 voneinander getrennt sind. Über eine Fluidverbindung 12 ist die erste Hydraulikkammer 8 mit der zweite Hydraulikkammer 10 verbunden, wobei sich in der Fluidverbindung 12 ein Ventil 14 befindet, das geöffnet und geschlossen werden kann, sodass dadurch auch die Fluidverbindung 12 geöffnet und geschlossen werden kann. Ist die Fluidverbindung 12 geöffnet, kann Hydraulikfluid aus der ersten Hydraulikkammer 8 in die zweite Hydraulikkammer 10 und umgekehrt strömen, wenn sich der Hauptkolben 4 bewegt. Über einen gegebenenfalls einstellbaren Strömungswiderstand, der von dem Ventil 14 hervorgerufen wird, lässt sich die Dämpfung dieser Bewegung des Hauptkolbens 4 einstellen. Ist die Fluidverbindung 12 jedoch geschlossen, kann das Hydraulikfluid nicht durch die Fluidverbindung 12 strömen.
Zusätzlich verfügt das Hydrauliksystem über eine weitere Fluidleitung 16. Diese weist mehrere Elemente auf. Sie verfügt über ein Volumen 18, in dem ein Kolben 20 bewegbar angeordnet ist. Auch dieser Kolben 20 lässt sich im gezeigten Ausführungsbeispiel nach links und rechts bewegen. Er verfügt jedoch in dieser Ausgestaltung nicht über eine Kolbenstange, sondern ist als fliegender Kolben ausgebildet. Dies ist von Vorteil, jedoch nicht notwendig. Auch der Kolben 20 kann mit einer Kolbenstange ausgebildet sein. Der Kolben 20 teilt das Volumen 18 in einen ersten Teil, der sich im gezeigten Ausführungsbeispiel links vom Kolben 20 befindet, und in einem zweiten Teil, der sich im gezeigten Ausführungsbeispiel rechts vom Kolben 20 befindet. Der erste Teil des Volumens ist über eine erste Teilleitung 24 mit der ersten Hydraulikkammer 8 verbunden. Der zweite Teil des Volumens ist über eine zweite Teilleitung 26 mit der zweiten Hydraulikkammer 10 verbunden. In der zweiten Teilleitung befindet sich eine Ventilanordnung 28, die eine Kombination aus Drosselventil 30 und Rückschlagventil 32 aufweist. Damit lässt sich ein Strömungswiderstand, der durch die Ventilanordnung 28 strömenden Fluid entgegengesetzt wird, in einer Strömungsrichtung einstellen.
Figur 2 zeigt ein Gelenk gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung als Teil einer schematisch dargestellten Knieprothese. Der Hauptkolben 4 ist mit seiner Kolbenstange 6 am zweiten Gelenkteil 34 angeordnet, dass um eine Schwenkachse 36 schwenkbar an einem ersten Gelenkteil 38 angeordnet ist. Der Kolben 20 befindet sich in der gezeigten Darstellung am unteren Anschlag 22 und kann folglich nur in eine Richtung, in Figur 2 nach oben, bewegt werden. Dies geschieht dann, wenn der Hauptkolben 4 nach unten bewegt wird und Fluid aus der ersten Hydraulikkammer 8 durch die erste Teilleitung 24 in das Volumen 18 schiebt. Damit ist beispielsweise eine Standphasenbeugung des Gelenkes möglich, wodurch das Gehen mit der Prothese für den Träger schonender und das Gangbild natürlicher gestaltet wird.
Figur 3 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung. Auch hier ist die Kolbenstange 6 mit dem zweiten Gelenkteil 34 des Kniegelenks gekoppelt, dass wieder um die Schwenkachse 36 mit dem ersten Gelenkteil 38 verbunden ist. Anders als in Figur 2 befindet sich nun jedoch das Volumen 18 und die gesamte Fluidleitung 16 innerhalb des Hauptkolbens 4, wobei die Fluidleitung 16 nur schematisch aus Gründen der Übersichtlichkeit dargestellt ist.
Die Figuren 4 und 5 zeigen das identische Ausführungsbeispiel. Der Hauptkolben 4 befindet sich im Zylinder 2 und ist mit der Kolbenstange 6 am zweiten Gelenkteil 34 befestigt. Anders als bei den Ausführungsformen der Figuren 2 und 3 befindet sich im Volumen 18 einen Federelement 40. Dieses drückt den Kolben 20 in die in Figur 4 gezeigte Ruheposition am Anschlag 22. Soll also der Kolben 20 in seine vorbestimmte Ruheposition gebracht werden, ist es ausreichend, kein Drehmoment auf das erste Gelenkteil 38 und/oder das zweite Gelenkteil 34 aufzubringen. Das Federelement 40 drückt den Kolben 20 in die Ruheposition. Wird nun das zweite Gelenkteil 34 um die Schwenkachse 36 relativ zum ersten Gelenkteil 38 verschwenkt, wird der Hauptkolben 4 im Zylinder 2 nach unten bewegt und drückt Fluid durch die erste Teilleitung 24 in das Volumen 18 und bewegt so den Kolben 20 gegen die vom Federelement 40 aufgebrachte Kraft nach oben. Diese Situation ist in Figur 5 dargestellt und beschreibt eine Standphasenbeugung.
Durch das Ventil 14 lässt sich die Verbindung zwischen der Hydraulikkammer und dem Volumen 18 geschlossen werden. Dadurch wird die Bewegung des Kolbens 20 unmöglich gemacht.
Figur 6 zeigt ein als Knöchelgelenk ausgebildetes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das erste Gelenkteil 38 ist der Prothesenfuß, der an dem zweiten Gelenkteil 34 schwenkbar angeordnet ist. Das zweite Gelenkteil 34 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eingerichtet, mit einem Unterschenkelelement verbunden zu werden. Der Hauptkolben 4 ist in Form von zwei Hauptkolben 4 ausgebildet, die Schwenkkolben bilden und jeweils schwenkbar am zweiten Gelenkteil 34 angeordnet sind. Jeweils unterhalb des Hauptkolbens 4 befindet sich die erste Hydraulikkammer 8 und die zweite Hydraulikkammer 10. Zwischen den beiden Hydraulikkammern 8, 10 befindet sich die Fluidleitung 16, die die beiden Hydraulikkammern 8, 10 verbindet und in der sich das Volumen 18 mit dem beweglichen Kolben 20 befindet. In der in Figur 6 gezeigten Position ist der bewegliche Kolben 20 an einem seiner Anschläge 22 positioniert, so dass eine Bewegung des beweglichen Kolbens 20 innerhalb des Volumens 18 nur in eine Richtung möglich ist. In Figur 6 ist dies eine Plantarflexion, also eine Bewegung nach unten.
Figur 7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Draufsicht auf die Ausgestaltung der Figur 6. Die erste Hydraulikkammer 8 und die zweite Hydraulikkammer 10 sind über die Fluidverbindung 12 miteinander verbunden. Das Ventil 14 ist als Ventilanordnung ausgebildet und verfügt über zwei Rückschlagventile 42, die jeweils die Verbindung zu einer der beiden Hydraulikkammern 8, 10 öffnen oder schließen können. Die Anordnung verfügt zudem über einen Druckknopf 44, der so ausgebildet ist, dass er, sofern er hineingedrückt, in Figur 7 also nach oben verschoben wird, die beiden Hebel 46 betätigt und so die beiden Rückschlagventile 42 öffnet. Die erste Teilleitung 24 wird durch ein Drosselventil 30 mit der ersten Hydraulikkammer 8 verbunden. Am oberen Anschlag 22 ist eine Tellerfeder 50 dargestellt, durch die der Anschlag 22 gedämpft ist. Die Vorspannung dieser Tellerfeder 50 kann durch den einstellbaren Mitnehmer 52 eingestellt werden. In der gezeigten Ausführungsform ist zudem ein Überdruckventil 54 sowie ein Öffnungsmechanismus 56 dargestellt, durch den die Fluidverbindung 12 geöffnet werden kann.
Zwischen den beiden Hydraulikkammern 8, 10 befindet sich zudem die Fluidleitung 16, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus mehreren Teilleitungen und dem Vol. 18 aufgebaut ist. In diesem befindet sich der Kolben 20, der durch das Federelement 40 in Figur 7 nach oben vorgespannt ist. Das Federelement 40 ist eingerichtet, den Kolben 20 in seine Ruheposition zu bringen, wenn außer der Gravitation keine weiteren externen Kräfte wirken. Ist die Fluidverbindung 12 geschlossen, wie dies in Figur 7 dargestellt ist, kann eine Bewegung des Gelenkes erreicht werden, indem das Einstellventil 48 leicht geöffnet wird. Dadurch kann beispielsweise beim Fersenauftritt, bei dem sich ein erhöhter Druck in der zweiten Hydraulikkammer 10 aufbaut, Fluid aus der zweiten Hydraulikkammer 10 in das Vol. 18 strömen, wodurch den Kolben 20 gegen die Federkraft des Federelements 40 nach unten verschiebt. Aus dem sich unterhalb des Kolbens 20 befindenden Teilvolumen strömt eine entsprechende Menge Fluid in die erste Hydraulikkammer 8, sodass sich das zweite Gelenkteil 34 relativ zum ersten Gelenkteil 38 bewegt.
Figur 8 und 9 zeigen einen Prothesenfuß ähnlich dem aus Figur 6. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die beiden Hydraulikkammern 8, 10 durch einen einzigen Hauptkolben 4 getrennt sind, der ebenfalls als schwenkkolben ausgebildet ist. Die beiden Hydraulikkammern 8, 10 sind wieder durch die Fluidleitung 16 verbunden, in der sich das Volumen 18 mit dem beweglichen Zylinder 20 befindet. Wie in Figur 6 liegt der bewegliche Kolben 20 an einem seiner Anschläge 22 an und kann daher nur in eine Richtung, in Figur 8 nach unten, bewegt werden. Diese Position des beweglichen Kolbens 20 wird bevorzugt eingenommen, wenn die Absatzhöhe des Prothesenfußes, im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen die Position des Hauptkolbens 4 zwischen den Hydraulikkammern 8, 10 festgelegt wird. Nachdem dies geschehen ist, wird vorzugsweise die Fluidverbindung 12, die in den Figuren 6, 8, 9 und 10 nicht dargestellt ist und die zum Einstellen der Absatzhöhe vorzugsweise geöffnet ist, geschlossen. Es ist dann dem Fluid nicht mehr möglich, aus der einen Hydraulikkammer 8, 10 durch die Fluidverbindung 12 in die jeweils andere Hydraulikkammer 10, 8 zu strömen.
Figur 9 zeigt diese Situation. Obwohl die Fluidverbindung 12 geschlossen ist, hat sich im Vergleich zu der Situation in Figur 8 der Winkel zwischen dem ersten Gelenkteil 38 und dem zweiten Gelenkteil 34 verändert, wobei sich der Hauptkolben 4 verschoben hat. Dadurch wurde Fluid aus der zweiten Hydraulikkammer 10 in das Volumen 18 verschoben. Dieses Fluid befindet sich in Figur 9 oberhalb des beweglichen Kolbens 20 und hat diesen nach unten bewegt. Zudem wurde Fluid, das sich in Figur 8 unterhalb des beweglichen Kolbens 20 befindet, aus dem Volumen in die erste Hydraulikkammer 8 bewegt. Figur 10 zeigt die Situation aus Figur 9 mit einem Prothesenfuß aus Figur 6. Der bewegliche Kolben 20 hat sich von seinem Anschlag 22 weg bewegt, als sich der Winkel zwischen dem ersten Gelenkteil 38 und dem zweiten Gelenkteil 34 verändert hat.
Figur 11 entspricht der Darstellung aus Figur 1. Unterschiedlich ist jedoch, dass die erste Hydraulikkammer 8 und die zweite Hydraulikkammer 10, die durch den Hauptkolben 4 voneinander getrennt werden, nicht mehr nur durch eine Fluidverbindung 12, sondern durch zwei Fluidverbindungen 12 miteinander verbunden sind. In beiden Fluidverbindungen 12 befindet sich ein Ventil 14 sowie ein Drosselventil 30. Die Ventile 14 und/oder die Drosselventil 30 können unterschiedlich ausgebildet sein, um beispielsweise für unterschiedliche Fließrichtungen des Fluids unterschiedliche Strömungswiderstände erreichen zu können.
Die Figuren 12 bis 17 entsprechen in ihrer Darstellung der Darstellung aus Figur 7. Um Wiederholungen zu vermeiden wird daher nur auf die Unterschiede eingegangen. In Figur 12 befindet sich im Vergleich zu Figur 7 in der ersten Teilleitung 24, die über das Drosselventil 30 die erste Hydraulikkammer 8 mit dem Volumen 18 verbindet eine Ventilanordnung, die zwei Rückschlagventile 32 beinhaltet. Diese wirken in unterschiedliche Richtungen, wobei das in Figur 12 obere der beiden Rückschlagventile 32 federbelastet ist. Das Fluid, dass durch diese erste Teilleitung 24 strömt, muss unabhängig von der Strömungsrichtung das Drosselventil 30 passieren.
Dies ist anders in den Figuren 13 und 14, die jeweils einen Ausschnitt aus einer entsprechenden Darstellung zeigen. Auch hier ist in der ersten Teilleitung 24 eines der Rückschlagventil 32 positioniert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um das federbelastete Rückschlagventil, das bei entsprechend großem Druck erlaubt, dass Fluid aus der ersten Hydraulikkammer 8 durch das Drosselventil 30 durch die erste Teilleitung 24 in das Volumen 18 fließt. In die entgegengesetzte Richtung kann Fluid dieses Rückschlagventil 32 nicht passieren sondern durchläuft das nicht federbelastete Rückschlagventil 32. Dieses ist jedoch im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Bypass angeordnet, sodass in diese Richtung das Fluid nicht das Drosselventil 30 passieren muss. Figur 14 zeigt die umgekehrte Situation. Das nicht federbelastete Rückschlagventil 32, dass eine Strömung aus dem Volumen 18 in Richtung der Höhe ersten Hydraulikkammer 8 erlaubt, ist so in der ersten Teilleitung 24 positioniert, dass das Fluid, dass diese Teilleitung 24 in dieser Richtung durchströmt, dass Drosselventil 30 passiert. Das in die entgegengesetzte Richtung wirkende Rückschlagventil 32, das federbelastet ist, ist in dem Bypass angeordnet, sodass das Fluid, das diesen Weg nimmt, dass Drosselventil 30 nicht passiert. Durch geschickte Wahl von Drosselventil und Feder der federbelasteten Rückschlagventil 32 ist es möglich, den Strömungswiderstand für unterschiedliche Strömungsrichtungen einfach und individuell einstellen zu können.
Die Figuren 15 bis 17 zeigen eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Volumen 18 wird nun anstelle des Kolbens 20 durch eine Membran 58 in die beiden Teilvolumina aufgeteilt. Die Funktionsweise ändert sich dadurch nicht. Fluid aus der ersten Hydraulikkammer 8 kann weiterhin durch die erste Teilleitung 24 in das Volumen 18 unterhalb der Membran 58 gelangen. Fluid aus der zweiten Hydraulikkammer 10 kann über die zweite Teilleitung 26 in das zweite Teilvolumen oberhalb der Membran 58 gelangen. Die Membran 58 ist elastisch ausgebildet und kann so unterschiedliche Positionen je nach herrschenden Druckverhältnissen annehmen.
Die Figuren 16 und 17 zeigen veränderte Ausführungsformen, die jedoch jeweils mit der Membran 58 ausgestattet sind. Während sich Figur 16 von Figur 15 nur durch eine geänderte Ausgestaltung geometrischen Form des Volumens 18 unterscheidet, sind in Figur 17 zusätzliche Federelemente 40 dargestellt. Die Membran 58 ist vorzugsweise so flexibel und elastisch ausgebildet, dass sie sich an zumindest einer Seite an die das Volumen 18 begrenzende Wand anlegen kann. Diese Wand dient dann als Anschlag 22 und begrenzt so den maximalen Wirkungsbereich der Membran 58. Während in diesem Fall der Anschlag 22 in Figur 16 ungedämpft ausgebildet ist, verfügt die Ausgestaltung aus Figur 17 durch die Federelemente 40 über eine Dämpfung. Die Membran 58 legt sich zunächst anders in Figur 17 untere Ende der Federelemente 40 an. Wird weiteres Fluid in das erste Teilvolumen, dass in Figur 17 unterhalb der Membran 58 dargestellt ist, hineingeleitet, steigt der Druck in diesem Bereich und sorgt dafür, dass die Membran die Federelemente 40 komprimiert und so eine weitere Bewegung möglich ist. Figur 18 zeigt schematisch einen Prothesenfuß mit dem ersten Gelenkteil 38 und dem zweiten Gelenkteil 34. Die erste Hydraulikkammer 8 und die zweite Hydraulikkammer 10 sind jeweils aus zwei Teilen aufgebaut, die jeweils mit einander in Verbindung stehen. Der Prothesenfuß in Figur 15 weist eine Rotationshydraulik auf. Der Hauptkolben 4 weist ebenfalls zwei Teile auf, die mit einander drehfest verbunden sind. Wird das Gelenk bewegt, werden die beiden Gelenkteile 34, 38 gegeneinander verschwenkt und der Hauptkolben 4 wird relativ zu den Hydraulikkammern bewegt. Die in Rotationsrichtung vor dem Hauptkolben 4 liegenden Teile der Hydraulikkammern 8, 10 werden verkleinert und die in Rotationsrichtung hinter dem Hauptkolben 4 liegenden Teile der Hydraulikkammern 8, 10 werden vergrößert. Zwischen den beiden Teilen des Hauptkolbens 4 ist in Figur 18 im Bereich der Rotationsachse des Gelenkes der Kolben 20 in dem Volumen 18 angeordnet.
Figur 19 zeigt schematisch ein Schaltbild eines weiteren Hydrauliksystems für ein Gelenk für eine orthopädietechnische Einrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Hauptkolben 4, der im gezeigten Ausführungsbeispiel über zwei Kolbenstangen 6 verfügt, trennt die erste Hydraulikkammer 8 von der zweiten Hydraulikkammer 10. Die beiden Hydraulikkammern 8, 10 sind durch die Fluidverbindung 12, in der sich das Ventil 14 befindet, verbunden. Das Volumen 18 besteht in der gezeigten Ausführungsform aus zwei Volumina 18. In einem ersten Volumen befindet sich eine erste verschiebbare Trenneinrichtung 60 und in dem zweiten Volumen befindet sich eine zweite verschiebbare Trenneinrichtung 62.
Wird der Hauptkolben 4 in der gezeigten Darstellung nach rechts verschoben, wird die erste Hydraulikkammer 8 verkleinert und ein Teil des darin enthaltenen Fluids durch die erste Teilleitung 24 geleitet. Dadurch wird die erste Trenneinrichtung 60 nach rechts verschoben. Ein Teil des sich rechts von der ersten Trenneinrichtung 60 innerhalb des entsprechenden Volumens 18 befindenden Fluides wird durch die zweite Teilleitung 26 in die zweite Hydraulikkammer 10 verschoben. Wird der Hauptkolben 4 hingegen nach links verschoben, wird die zweite Hydraulikkammer 10 verkleinert und ein Teil des darin enthaltenen Fluid durch die zweite Teilleitung 26 geleitet. Dadurch wird die zweite verschiebbare Trenneinrichtung 62 nach rechts verschoben und ein Teil des sich dort befindenden Fluids wird durch die erste Teilleitung 24 in die erste Hydraulikkammer 8 gepumpt. Durch die enthaltenen Kombinationen aus Rückschlag- und Drosselventil vor den beiden Volumina 18 sowie den in den Volumina 18 enthaltenen Federelementen kann der jeweilige Strömungswiderstand für beide Richtungen individuell eingestellt werden.
Figur 20 zeigt einen Prothesenfuß in einer schematischen Schnittdarstellung. Federelemente, die das Abrollverhalten und die Elastizität des Fußes bestimmen und beeinflussen sind nur schematisch dargestellt. Man erkennt das erste Gelenkteil 38, in dem zwei Zylinder 2 angeordnet sind. Das zweite Gelenkteil 34 ist um die Schwenkachse 36 beweglich daran angeordnet. An dem zweiten Gelenkteil 34 sind zwei Kolben 20 schwenkbar angeordnet. Wird nun das zweite Gelenkteil 43 relativ zu dem ersten Gelenkteil 38 um die Schwenkachse 36 verschwenkt, werden die beiden Kolben 20 in den beiden Zylindern 2 nach oben und unten bewegt. Da die Befestigungsstelle 64, an der der jeweilige Kolben 20 am ersten Gelenkteil 38 angeordnet ist, mit dem ersten Gelenkteil 38 eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse 36 ausführt, der Kolben 20 jedoch in dem jeweiligen Zylinder 2 nur eine lineare Bewegung ausführen kann, werden die Kolben 20 um die Befestigungsstelle 64 verkippt.
Die beiden Kolben 20, von denen Figur 21 und 22 jeweils einen vergrößerten Ausschnitt zeigt, weisen jeweils ein Dichtungselement 66 auf, das in einer dafür vorgesehenen Nut 68 angeordnet ist. In Figur 21 ist die Nut 68 ohne ein darin enthaltenes Dichtungselement 66 gezeigt. Stattdessen befindet sich am Grund der Nut 68 ein schematisch dargestelltes Lagermaterial 70, das elastisch ist und so die elastischen Eigenschaften eines Dichtungselementes 66, das in die teilweise mit dem Lagermaterial 70 gefüllte Nut 68 eingesetzt wird, verbessert. In Figur 22 ist das Dichtungselement 66 in die Nut 68 eingesetzt. Es ist mit einer nach radial außen aus dem Kolben 20 hervorstehenden Sichtlippe versehen, die den Dichtspalt zwischen dem Kolben 20 und dem Zylinder 2 abdichtet.
Figur 23 zeigt ein Gelenk in drei unterschiedlichen Schwenkpositionen. In der oberen Darstellung ist das zweite Gelenkteil 34 in einer neutralen mittleren Position relativ zu dem ersten Gelenkteil 38. Die beiden Befestigungsstellen 64, an denen jeweils einer der Kolben 20 an dem zweiten Gelenkteil 34 angeordnet ist, bewegen sich beim Verschwenken der beiden Gelenkteile 38, 34 relativ zu einander auf einer Kreisbahn, die durch die gestrichelte Kreislinie dargestellt wird. Dies ist die Bahn der Befestigungsstellen 64 beim Verschwenken der beiden Gelenkteile 38, 34 zueinander. Die Kolben 20 hingegen bewegen sich geradlinig, was durch die gepunktete Linie dargestellt wird. Dabei handelt es sich um die Längsachse der Zylinder 2. In der oberen Darstellung liegen die Befestigungsstellen 64 sowohl auf der Kreislinie als auch auf den gepunkteten Linien, so dass die Kolben 20 nicht verkippt sind. Die Dichtungslinie, entlang derer das Dichtungselement die durch den jeweiligen Kolben 20 begrenzte Hydraulikkammer abdichtet, ist daher ein Kreis.
In der mittleren und der unteren Darstellung der Figur 23 ist das zweite Gelenkteil 34 relativ zu dem ersten Gelenkteil 38 verschwenkt dargestellt. In der mittleren Darstellung der Figur 23 ist die Verschwenkung gegen den Uhrzeigersinn erfolgt. Der links dargestellte Kolben 20 ist daher nach unten und der rechts dargestellte Kolben 20 nach oben verschoben. Die Befestigungsstellen 64 liegen in den beiden Darstellungen noch auf der gestrichelten Kreislinie, weil diese die Bewegung der Befestigungsstellen 64 illustriert. Sie liegen jedoch nicht mehr auf den vertikalen gepunkteten Linien, die die Bewegung der Kolben 20 illustrieren. In der unteren Darstellung der Figur 23 ist es umgekehrt. Die Verschwenkung der beiden Gelenkteile 38, 34 zueinander hat im Uhrzeigersinn stattgefunden, so dass in diesem Fall der links dargestellte Kolben nach oben und der rechts dargestellte Kolben nach unten verschoben ist. In diesen Stellungen des Gelenkes ist die Dichtungslinie eine Ellipse.
In der neutralen Stellung in der oberen Darstellung der Figur 23 verlaufen die vertikalen gestrichelten Linien durch die beiden Befestigungsstellen 64. Wird das zweite Gelenkteil 34 aus dieser Position heraus verschwenkt , liegen beide Befestigungsstellen 64 zwischen den beiden gepunkteten Linien, so dass der jeweilige Kolben 20 zur Schwenkachse 36 gekippt ist. Für den links dargestellten Kolben 20 bedeutet dies eine Verkippung im Uhrzeigersinn. Für den rechts dargestellten Kolben 20 bedeutet diese eine Verkippung gegen den Uhrzeigersinn.
Dies ist nur eine mögliche, wenn auch sehr vorteilhafte, Ausgestaltung. In einer anderen Ausgestaltung liegen die Befestigungsstellen 64 in der neutralen Stellung nicht auf der gestrichelten Kreislinie, sondern innerhalb der Kreislinie. Dies bedeutet, dass die Kolben 20 in der neutralen Stellung des Gelenkes eine gekippte Position einnehmen. Die Verkippung erfolgt dann von der Schwenkachse 36 weg. Werden in dieser Ausgestaltung das zweite Gelenkteil 34 und das erste Gelenkteil 38 relativ zu einander verschwenkt, bewegen sich die Befestigungsstellen 64 bis sie auf den gestrichelten Linien liegen. Dann sind die Kolben 20 nicht mehr verkippt und die Dichtungslinie ist ein Kreis. Bei weitere Verschwenkung des Gelenkes in die gleiche Richtung bewegen sich die Befestigungsstellen und liegen zwischen den beiden gepunkteten Linien. Die Kolben 20 sind dann zur Schwenkachse 36 hin verkippt. Figur 24 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der in Figur 10 gezeigten Darstellung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die beiden Hauptkolben 4 nicht am oberen, sondern am unterer Gelenkelement angeordnet sind.
Bezugszeichenliste:
2 Zylinder
4 Hauptkolben
6 Kolbenstange
8 erste Hydraulikkammer
10 zweite Hydraulikkammer
12 Fluidverbindung
14 Ventil
16 Fluidleitung
18 Volumen
20 Kolben
22 Anschlag
24 erste Teilleitung
26 zweite Teilleitung
28 Ventilanordnung
30 Drosselventil
32 Rückschlagventil
34 zweites Gelenkteil
36 Schwenkachse
38 erstes Gelenkteil
40 Federelement
42 Rückschlagventil
44 Druckknopf
46 Hebel
48 Einstellventil
50 Tellerfeder
52 Mitnehmer
54 Überdruckventil
56 Öffnungsmechanismus
58 Membran
60 erste Trenneinrichtung
62 zweite Trenneinrichtung
64 Befestigungsstelle Dichtungselement Nut Lagermaterial

Claims

Patentansprüche
1 . Gelenk für eine orthopädietechnische Einrichtung, wobei das Gelenk
- ein erstes Gelenkteil (38),
- ein zweites Gelenkteil (34), das in einem Schwenkbereich um eine Schwenkachse (36) schwenkbar an dem ersten Gelenkteil (38) angeordnet ist,
- und ein Hydrauliksystem mit wenigstens einem ersten Zylinder (2), der eine erste Längsachse aufweist und in dem zweiten Gelenkteil (34) angeordnet ist, und einem ersten Kolben (20) aufweist, der in dem Zylinder (2) positioniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (20) derart an einer ersten Befestigungsstelle (64) des ersten Gelenkteils (38) angeordnet ist, dass der erste Kolben (20) beim Verschwenken des ersten Gelenkteils (38) relativ zum zweiten Gelenkteil (34) eine Bewegung entlang der ersten Längsachse des ersten Zylinders (2) und eine Kippbewegung ausführt.
2. Gelenk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zylinder (2) so angeordnet ist, dass die Bahn der ersten Befestigungsstelle (64) beim Verschwenken des ersten Gelenkteils (38) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (34) die erste Längsachse zweimal schneidet.
3. Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (20) direkt an der ersten Befestigungsstelle (64) des ersten Gelenkteils (38) befestigt ist.
4. Gelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrauliksystem einen zweiten Zylinder (2), der der in dem zweiten Gelenkteil (34) angeordnet ist, und einen zweiten Kolben (20) aufweist, der in dem zweiten Zylinder (2) positioniert und an einer zweiten Befestigungsstelle (64) des ersten Gelenkteils (38) angeordnet ist, wobei der zweite Zylinder (20) eine zweite Längsachse aufweist, wobei der zweite Zylinder (20) so angeordnet ist, dass die Bahn der zweite Befestigungsstelle (64) beim Verschwenken des ersten Gelenkteils (38) relativ zu dem zweiten Gelenkteil (34) die zweite Längsachse zweimal schneidet.
5. Gelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkbereich von einem ersten Grenzwinkel und einem zweiten Grenzwinkel begrenzt wird, wobei der Abstand zwischen der Befestigungsstelle (64) eines Kolbens (20) und der Längsachse des jeweiligen Zylinders (2) bei beiden Grenzwinkeln gleich groß ist.
6. Gelenk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Befestigungsstelle (64) eines Kolbens (20) und der Längsachse des jeweiligen Zylinders (2) in der Mitte des Schwenkbereichs genau so groß ist wie bei den Grenzwinkeln.
7. Gelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kolben (20) um eine Kolbenachse schwenkbar an dem ersten Gelenkteil (38) angeordnet ist.
8. Gelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hydrauliksystem wenigstens ein Ausgleichsvolumen aufweist, das vorzugsweise vorgespannt, besonders bevorzugt federbelastet ist.
9. Gelenk nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Kolben und/oder an dem ersten Zylinder wenigstens ein Dichtelement angeordnet ist, das einen Spalt zwischen dem ersten Kolben und dem ersten Zylinder abdichtet. Gelenk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement in einer Nut angeordnet ist, wobei vorzugweise das wenigstens eine Dichtelement an einem elastischen Lagerelement gelagert ist, das am Grund der Nut angeordnet ist. Gelenk nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Dichtelement eine Dichtlippe aufweist.
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