WO2023110740A1 - Künstliches kniegelenk und verfahren zu dessen steuerung - Google Patents

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WO2023110740A1
WO2023110740A1 PCT/EP2022/085367 EP2022085367W WO2023110740A1 WO 2023110740 A1 WO2023110740 A1 WO 2023110740A1 EP 2022085367 W EP2022085367 W EP 2022085367W WO 2023110740 A1 WO2023110740 A1 WO 2023110740A1
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knee joint
artificial knee
valve
actuator
hydraulic
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PCT/EP2022/085367
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Martin Weber
Roland Auberger
Robert Hoffmann
Viktor Gerhard Hörig
Jens Nörthemann
Andreas Schuh
Olaf Kroll-Orywahl
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Ottobock Se & Co. Kgaa
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    • A61F2002/7615—Measuring means
    • A61F2002/7625—Measuring means for measuring angular position

Definitions

  • the invention relates to an artificial knee joint with an upper part and a lower part, which are mounted on one another so as to be pivotable about a pivot axis, with a hydraulic resistance device between the upper part and the lower part, via which resistance to a pivoting movement is provided, the resistance device has a switching valve in a hydraulic line, the switching valve has a valve body that can be displaced in a displacement direction, which in a first position blocks or partially closes the hydraulic line, in particular in order to largely or completely close the hydraulic line in order to achieve a throttling effect or blockage, and in a second position the Releases the hydraulic line and is designed or arranged in such a way that a pressure force component acting perpendicularly to the direction of displacement through the hydraulic fluid on the valve body generates a holding force counteracting a displacement of the valve body.
  • the invention also relates to a method for controlling such an artificial knee joint.
  • Artificial knee joints are used in orthoses or prostheses.
  • the hydraulic resistance device can be designed both as linear hydraulics and as rotary hydraulics.
  • the linear hydraulics or rotary hydraulics can also use a magnetorheological fluid as the hydraulic fluid in order to create an additional possibility for modulating the properties of the resistance device.
  • the artificial knee joint Resistance devices or assigned at least one resistance device.
  • This resistance device can change the respective resistance.
  • different resistance devices are used; in addition to purely mechanical braking devices or locking mechanisms, magnetorheological resistance devices, electric motors in generator mode, pneumatic dampers or hydraulic resistance devices can be used.
  • the change in resistance can take place on the basis of sensor data that is recorded by sensors and evaluated in a control device. The resistance is then increased or decreased based on the sensor data. This can lead to a pivoting movement being slowed down, blocked or the resistance being changed.
  • Sensor data are in particular the spatial orientation of components, effective forces, moments, temperatures, speeds and/or accelerations.
  • a further possibility for changing the resistance is via mechanical devices which increase or decrease the respective resistance as a function of forces, moments or positions, in particular angular positions.
  • throttles are adjusted in hydraulic devices and/or flow channels are enabled or closed.
  • a purely electromechanical control is comparatively complex and requires sensor values that are as clear as possible in order to determine the respective state of the prosthesis or orthosis as well as the current gait behavior and the gait situation. Especially in the case of knee joints, it is necessary to prevent an incorrect reduction in flexion resistance in order to prevent the joint from bending and collapsing unintentionally.
  • the artificial knee joint with an upper part and a lower part, which are mounted on one another pivotably about a pivot axis, with a hydraulic resistance device between the upper part and the lower part, via which a resistance to a pivoting movement is provided,
  • the resistance device has a switching valve in one of the hydraulic lines ,
  • the switching valve has a valve body that can be displaced in a displacement direction, which blocks the hydraulic line in a first position and releases the hydraulic line in a second position and is designed or arranged in such a way that a pressure force component acting perpendicularly to the displacement direction through the hydraulic fluid on the valve body generating a holding force counteracting a displacement of the valve body, wherein the valve body is assigned an actuator for exerting a release force, which moves the valve body from the first position into the second position.
  • the actuator is coupled to a control device which is connected to a sensor for detecting status data and activates the actuator on the basis of the status data, with the release force being set less than the holding force at a predetermined compressive force.
  • the valve body arranged within the hydraulic line can at least partially block, in particular completely block, the hydraulic line within the hydraulic system of the hydraulic resistance device, so that the hydraulic fluid does not flow in the hydraulic line or can only flow along with a high level of resistance.
  • the hydraulic line is in particular a connecting line between two hydraulic chambers which are separated from one another by a piston in a hydraulic damper.
  • the valve body is mounted within the switching valve, the mounting and/or the valve body being designed in such a way that a pressure force component acting perpendicularly to the direction of displacement is generated when the pressure prevails in the hydraulic line.
  • This compressive force component presses the valve body into its valve seat, particularly in the closed position.
  • the design of the valve body can also be such that the hydraulic fluid exerts a force component directed into the first position or closed position, for example through an obliquely oriented inflow surface of the valve body.
  • the holding force is applied, for example, by a displacement carried out transversely to the direction of displacement and pressing against the valve seat.
  • valve body is assigned an actuator which exerts a release force on the valve body and moves it from the first position into the second position.
  • This actuator is coupled to a control device, which activates the actuator on the basis of sensor data, for example with regard to spatial orientation, acceleration, angular velocities or the forces, in particular of the lower part or the upper part or orthotic or prosthetic components arranged thereon, in order to switch the switching valve to move with the valve body from the first position to the second position.
  • the release force is set lower than the holding force for a given compressive force. If the pressure level within the hydraulic line exceeds a certain limit value, the actuator is no longer able to move the switching valve from the blocking position to the release position. This prevents the switching valve from being released unintentionally from a defined load on the knee joint, for example when bending, in the locked state due to faulty or inaccurate sensor values, thereby enabling the knee joint to pivot.
  • the valve can be designed in such a way that after it has been switched from the first to the second position, the valve remains in the second position as long as the flow rate in the valve does not drop below a defined value. If the flow stops or changes direction, the valve automatically returns to the first position and closes the channel.
  • This can be accomplished, for example, with a valve construction in which an inflow surface of the valve body is aligned in such a way that a force component is generated which acts in the direction of the second position in the direction of displacement.
  • the inflow surface can, for example, be inclined or the inflow can be guided in a corresponding direction or at a corresponding angle to the valve body in order to maintain an open or released position.
  • trip protection can also be implemented by taking into account the knee angle measured by appropriate sensors and/or the knee angle speed.
  • the valve is kept open by the control unit until the sensors mentioned above detect a reversal of movement or an abort of the swing phase.
  • the actuator is designed in particular as a motor or as an electromagnet, which is activated by the control device on the basis of a corresponding control signal.
  • the electric motor can be coupled to the valve body via a gear, in particular an adjustable gear, a lever mechanism or a link combination.
  • the adjustable electromagnet or the solenoid can also act directly on the valve body or on the valve body via a power transmission element, a lever mechanism or a link mechanism.
  • Linear or rotary actuation can be provided for both the valve construction and the actuator system.
  • a linear movement can be converted into a rotary movement and vice versa by means of appropriate lever mechanisms.
  • the valve body is assigned a spring element that counteracts the release force or a counteracting energy store.
  • a magnet counteracting the release force or a correspondingly activated magnet can be assigned to the valve body in order to set a force threshold from which the actuator moves the valve body into the Release position can move. This is advantageous when the compressive force applied by the hydraulic fluid is not sufficient to generate a sufficient holding force or a desired holding force.
  • the release force that can be applied by the actuator can be adjusted, for example by correspondingly activating a coil, by adjusting a gear, the drive power of a motor, the pretensioning of a spring element or the like.
  • the hydraulic resistance device with a hydraulic chamber with a piston arranged therein, which divides the hydraulic chamber into an extension chamber or a flexion chamber, which are fluidically connected to one another via the hydraulic line, provides that at least one of the two hydraulic chambers is assigned a check valve in a throttle valve connected in parallel is.
  • the check valve can always allow movement in one direction, in particular in the extension movement, while the opposite direction of movement of the artificial knee joint is blocked when the throttle valve is also closed.
  • the switching valve can be connected in parallel to the throttle valve and optionally to the check valve, so that in a direction of movement in which the check valve is effective, hydraulic fluid flows through the throttle valve, optionally in connection with the switching valve, and an effective adjustment and increase in the desired resistances can be generated by the throttle valve.
  • each hydraulic chamber is assigned a non-return valve, with the two non-return valves being arranged oriented in opposite directions to one another and each being connected in parallel with the throttle valve in order to form a bypass in one direction.
  • a development provides that at least one sensor is provided for detecting the direction of flow and/or for detecting the pressure of the hydraulic fluid. By detecting the direction of flow, it can be ensured that a swing phase is only initiated by reducing the flexion resistance if the knee joint is loaded in the direction of extension or only slightly in the direction of flexion.
  • the detection of the flow direction is crucial, in order to be able to switch correctly when the valve body is loaded. If an extension is detected by a corresponding direction of flow within the hydraulic line or at a valve, the switching valve, which can be designed as a solenoid valve, for example, is switched depending on the direction of flow.
  • tripping protection can be implemented by keeping the solenoid valve open as soon as it has been activated as long as the direction of flow corresponds to bending of the knee. As soon as the flow changes direction, the solenoid valve is closed again.
  • the direction of flow can also be detected via status sensors on the check valves.
  • a throttle valve can be connected upstream or downstream of the switching valve in terms of flow, the throttle valve or valves being adjustable.
  • the setting can be based on sensor values.
  • At least one throttle valve is assigned a second check valve which is connected in parallel to the first check valve, is connected upstream or downstream of the throttle valve in the direction of flow and is aligned in the opposite direction to the first check valve, with a status sensor being assigned to the check valve.
  • the status sensor detects whether the respective check valve is open or closed, which means that the direction of flow within the hydraulic line can be reliably detected.
  • the flow direction can also be detected by a flow direction or flow speed sensor provided specifically for this purpose.
  • At least one overload valve can be arranged in the piston within the hydraulic chamber, which is or are arranged in a respective connecting channel that connects the extension chamber to the flexion chamber. This prevents mechanical overloading of the hydraulic resistance device. Since an overload of the hydraulics in the flexion direction is primarily expected, an overload valve should be used to prevent overpressure in the Flexion chamber are provided. In one embodiment, it is provided that two overload valves acting in opposite directions are each arranged in a connecting channel within the piston in the hydraulic chamber.
  • the method for controlling an artificial knee joint provides that the resistance is changed depending on the spatial orientation of the bottom part and/or the top part, which is determined during use of the artificial knee joint via an inertial angle sensor or an IMU be compared with the determined solid angle or absolute angle with a threshold value and when the threshold value is reached or exceeded, the actuator is activated.
  • This makes it possible, on the basis of just one measured value, namely the spatial angle or absolute angle of a prosthetic component or orthotic component in space, in combination with the direction of flow and a load condition that does not necessarily have to be detected electronically, to ensure safe control when using the artificial knee joint to reach.
  • the angular velocity or rate of change of the spatial angle can also be considered, since changes in the direction of movement can be detected particularly well using these parameters.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an artificial knee joint with a resistance device
  • FIG. 1a a variant of FIG. 1;
  • Figure 2 is a hydraulic circuit diagram of the resistance device
  • FIG. 2a a variant with rotary hydraulics
  • FIG. 6 shows a detailed illustration of the hydraulic line with switching valve
  • Figure 8 - a schematic representation of a linear
  • Figure 9 - a schematic representation of a rotary
  • an artificial knee joint is shown in a schematic representation as part of a prosthesis, in Figure 1, or orthosis in Figure 1a.
  • the artificial knee joint has an upper part 10 and a lower part 20 which are mounted on one another such that they can pivot about a pivot axis 12 .
  • a prosthetic foot is arranged on the distal end of the lower part 20 in an embodiment as a prosthesis according to FIG. 1.
  • a foot part is arranged on the lower part 20, as shown, on which a foot can be placed.
  • the upper part 10 is fastened to a thigh via fastening elements 10a and the lower part 20 is fastened to the lower leg via fastening elements 20a.
  • the fastening elements 10a, 20a are used for repeated, detachable fastening of the orthosis on the leg or limb.
  • the Fastening elements 10a, 20a can be designed as belts, shells, buckles, clamps or similar devices in order to fix the orthotic components on the respective limb.
  • a resistance device 30 as a linearly acting resistance device 30 is arranged between the upper part 10 and the lower part 20 .
  • the resistance device 30 is designed as a hydraulic resistance device with a hydraulic chamber 35 .
  • the hydraulic chamber 35 is arranged or formed in a housing and forms a cylinder in which a piston 34 is displaceably mounted.
  • the piston 34 is displaceable along the length of the cylinder or hydraulic chamber 35 and is fixed to a piston rod 34 which projects from the housing or body with the hydraulic chamber 35 arranged therein.
  • the piston 34 divides the hydraulic chambers 35 into an extension chamber 31 and a flexion chamber 32 which are in fluid communication with one another via a hydraulic line which will be explained later.
  • the base body or the housing with the hydraulic chamber 35 can be mounted pivotably on the lower part 20 in order to prevent the piston 34 from tilting when the upper part 10 pivots relative to the lower part 20 .
  • the end of the piston rod 33 facing away from the piston 34 is fastened to the upper part 10, in the exemplary embodiment shown to a cantilever to increase the distance from the pivot axis 12.
  • the piston 34 is pressed downwards, so that the flexion chamber 32 is reduced, and the volume of the extension chamber 31 increases correspondingly, reduced by the volume of the retracting piston rod 33.
  • the differential volume created by the piston rod is offset by a compensating volume, not shown recorded.
  • a flexion movement is opposed to a resistance.
  • the resistance is adjustable. Different changes in volume in the extension chamber 31 or flexion chamber 32 are compensated for via a compensation volume 38 .
  • the spatial angle or the absolute angle to a fixed spatial orientation for example the direction of gravity
  • the sensor 40 can also acquire other status data, in particular status data relating to the artificial knee joint.
  • status data relating to the artificial knee joint.
  • positions, angular positions, speeds, accelerations, forces and their courses or changes are recorded as status data.
  • the determined solid angle of the upper part 10 and/or the lower part 20 or another state variable is compared with a threshold angle. When a threshold value is reached or exceeded, which is stored in a controller for the respective sensor value or a variable derived therefrom, an actuator is activated or deactivated in order to change the flow resistance in the resistance device 30 .
  • a sensor 45 for measuring the knee angle and/or the knee angle speed can be provided, the information from which can be used in particular to influence the behavior of the resistance device 30 during the swing phase.
  • the resistance device 30 in an artificial knee joint serves to moderate flexion movement and extension movement to produce or support an appropriate or desired range of motion.
  • An extension movement is advantageously slowed down shortly before a maximum extension is reached in order to avoid hard stops.
  • a flexion movement is slowed down or prevented in the stance phase and in the swing phase in order to ensure that flexion is limited.
  • it is necessary to avoid an erroneous reduction in flexion resistance after a heel strike in the so-called stance phase flexion.
  • a hydraulic connection is arranged in the resistance device 30, which ensures, via mechanical and electronic components, that an unwanted reduction of a flexion resistance or an extension resistance does not occur.
  • FIG. 2 it can be seen that two overload valves 36 are arranged in connecting channels 341 between the extension chamber 31 and the flexion chamber 32 within the piston 34 . Both overload valves 36 are arranged to work in opposite directions, so that no mechanical components are destroyed in the event of an overload, but allow the overload valves 36 to yield against a spring resistance.
  • a hydraulic line 37 through which the hydraulic fluid flows when the piston 34 moves when the overload valves are closed.
  • a compensating tank 38 serves as a reservoir to compensate for the change in volume due to the retracting or extending piston rod 33 .
  • two check valves 52 are arranged within the hydraulic line 37, which are oriented to act in opposite directions.
  • Adjustable throttle valves 51 are arranged parallel to the check valves 52, which can also be spring-loaded, via which the flexion resistance or
  • Extension resistance can be adjusted in a flexion movement or extension movement.
  • the setting can be permanent, one-off or changed.
  • the throttle valves 51 are assigned actuating devices that are actuated on the basis of sensor values and/or via mechanical power transmission, so that the respective flow resistance in the respective flow direction is set depending on sensor values or loads or positions in an orthopedic joint device can be.
  • a switching valve 50 is arranged at the outlet of the flexion chamber 32 in parallel with both a check valve 52 and a control valve 51 .
  • the check valve 52 at the exit of the flexion chamber 32 blocks the flow of fluid from the flexion chamber 32 during a flexion movement, so that hydraulic fluid from the flexion chamber 32 opens must flow into the extension chamber 31 through the throttle valve 51 and/or the switching valve 50 .
  • a throttle valve 51 is additionally connected downstream of the switching valve 50 in the direction of flow.
  • the switching valve 50 is connected to such an actuator, not shown, which in turn is activated or deactivated via a control device 70 .
  • the control device 70 is coupled to one or more external sensors 40 for acquiring status data and activates or deactivates the actuator in order to open or close the switching valve 50 .
  • status sensors 41 of the check valves 52 are optionally coupled to the control device 70. In their simplest embodiment, the status sensors 41 are designed as switches and detect whether the respective check valve 52 is open or closed.
  • check valve 52 assigned to the switching valve 50 for blocking the flow of fluid during a flexion movement is in a closed state, it can be detected which movement or which load is applied to the artificial knee joint. If this check valve 52 is in an open position, it can be seen that there is no moment around the pivot axis 12 that would cause a flexion movement. This is essential input information for the control device 70.
  • FIG. 2a shows a variant of FIG. 2 with rotary hydraulics.
  • the hydraulic interconnection of the extension chamber 31 with the flexion chamber 32 corresponds to the interconnection according to FIG.
  • the expansion tank 38 is used to compensate for fluid losses and temperature-related changes in the oil volume.
  • the compensating tank 38 is not necessary in order to compensate for different volumes due to a retracting or extending piston rod, since this is omitted in rotary hydraulics. Therefore, the compensating volume in rotary hydraulics can be relatively small compared to linear hydraulics.
  • FIG. 3 shows a variant of the embodiment according to FIG Flow direction or for capturing the state of the check valves 52 equipped, rather a simplified control is provided solely on the basis of status data on the sensors 40, in particular via an IMU and exclusively only one IMU with a substantially unchanged mechanical structure.
  • the switching valve 50 is designed in such a way that a release force exerted by the actuator to release the flow channel does not exceed a set setpoint.
  • the desired value is determined by the fact that, given a predetermined compressive force, a valve body within the switching valve 50 requires a predetermined release force, ie offers resistance to an adjustment from a closed state to an open state.
  • a compressive force due to the hydraulic pressure from the flexion chamber is applied to both the throttle valve 51 connected in parallel and the switching valve 50 .
  • the check valve 52 at the flexion chamber outlet, which is also connected in parallel, is closed. If in such a state the control device 70 receives a sensor value from a sensor device 40 which, after evaluation, leads to a control command which activates the actuator, a corresponding signal is output to the actuator and a release force is exerted on the valve body. If the holding force counteracting the release force due to the applied pressure is too great, the switching valve 50 cannot be opened, so that false triggering is prevented when the knee joint is loaded in the flexion direction.
  • the switching valve 50 can be constructed in such a way that after it has been activated once by the control device 70 it remains open until the fluid flow through the valve falls below a threshold value. Unhindered flexion of the knee joint can thus be realized, but the knee joint device automatically falls back into the highly damped, safe state as soon as the movement is interrupted or the direction of movement is reversed.
  • FIG. 3a shows the minimum configuration of a resistance device with the hydraulic chamber 35 and the piston 34 arranged therein to form an extension chamber 31 and a flexion chamber 32.
  • the hydraulic line 37 connects the extension chamber 31 with the flexion chamber 32 and the compensation volume 38.
  • Upstream of a connection of the hydraulic line 37 to the flexion chamber 32 is a check valve 52 and a switching valve 50 connected parallel to it.
  • the switching valve 50 is adjusted via the control device 70, which in turn is coupled to the sensor device 40 .
  • the check valve blocks the outflow from the flexion chamber 32 in the direction of the extension chamber 31 and always allows the inflow from the extension chamber 31 into the flexion chamber 32 . This makes it possible for an extension to always take place, but a flexion only if the switching valve 50 is opened accordingly.
  • the extension chamber 31 is assigned a further check valve 52 at the outlet, which in turn is assigned a status sensor 41 for detecting the direction of flow.
  • a status sensor 41 for detecting the direction of flow.
  • Two non-return valves 52 switched in opposite directions are thus arranged at the outlet of the extension chamber. If an extension movement takes place, the status sensor 41 detects an open check valve and can thereby determine the direction of movement and the direction of loading in the artificial knee joint. During a flexion movement, the closed state of the check valve 52 provided with the state sensor 41 can be detected. If the switching valve 50 is opened in this design and a hydraulic flow is also possible via the throttle valve or throttle valves 51, then a backflow into the extension chamber 31 is also possible.
  • FIG. 5 A variant of the hydraulic structure of the resistance device is shown in Figure 5, in which a flow direction, flow rate or flow rate sensor 41 is arranged in the hydraulic line 70 from the extension chamber 31 to the flexion chamber 32, which is coupled to the control device 70.
  • a pressure sensor 41a which is optional, is arranged between the switching valve 50, the throttle valve 51 and the single check valve 52 in parallel with the two aforementioned valves 50, 51, in order to ensure that no bending load, force or moment is applied to the knee joint in the direction of flexion .
  • the pressure sensor 41a can be of simple construction since only a binary or digital status signal is required, so that the pressure sensor 41a can also be used as a Pressure switch can be formed, which is activated by a piston or a membrane when a sufficiently high hydraulic pressure from the flexion chamber 52 is present in the hydraulic line 37.
  • the direction sensor 41 for detecting the flow direction or pressure direction of the hydraulic fluid can be of different types, for example as a check valve with status detection, as a turbine wheel with direction of rotation detection, as a bearing sensor, as a light beam sensor, using magnets or the like.
  • the throttle valve 51 parallel to the switching valve 50 is generally a valve with a high throttle effect, which is used, for example, for stance phase flexion damping.
  • the throttle valve 51 shown in Figures 2 to 4 which is assigned to the flexion chamber 32, is used for extension damping when the hydraulic fluid flows back from the flexion chamber 32 into the extension chamber 31 and has a comparatively small throttle effect, which also changes depending on the position of the piston 34 can be.
  • the throttle valve arranged downstream of the switching valve 50 in the flow direction from the flexion chamber 32 into the extension chamber 31 is used for flexion damping in the swing phase and is an optional valve that has a comparatively small throttle effect, which can also be changed depending on the position of the piston 34 .
  • FIG. 6 shows a more detailed illustration of the switching valve 50 and an actuator 60 in a schematic manner.
  • the hydraulic structure is only indicated incompletely, a return line from the flexion chamber 32 to the extension chamber 31 is missing, as is a compensating tank.
  • the switching valve 50 is closed, ie no fluid coming from the flexion chamber 32 can flow through the switching valve 50 . This must pass through the throttle valve 51 connected in parallel with a very high throttle effect in order to get into the extension chamber 31 .
  • the switching valve 50 is assigned an actuator 60 which is designed as a motor, electromagnet, solenoid or another switching device or actuating device in order to be activated on the basis of sensor values via the control device 70 (not shown).
  • the actuator 60 acts against an energy accumulator 56, for example a spring, an elastomer element or a magnet. If the actuator 60 is not activated, the switching valve 50 is closed. To open the switching valve 50 and to reduce the flexion resistance, the actuator 60 is activated and a force applied, which is sufficient to move an unloaded switching valve 50 from the illustrated closed position to an open position or release position when no compressive force component acts on a valve body due to an applied hydraulic pressure.
  • an energy accumulator 56 for example a spring, an elastomer element or a magnet.
  • valve body of switching valve 50 due to a force acting on the piston rod, which is indicated by the arrow, this generates a holding force, for example by pressing the valve body into its guide, so that the force applied by actuator 60 Release force is not sufficient to move the valve body from the closed position to the release position.
  • the throttle valve 51 which is optionally connected in series with the switching valve, has a rather low throttle effect and is used to adjust the swing phase damping.
  • FIG. 7 shows the schematic structure of the switching valve with the valve body 55 within a valve housing with the drive 60 and the spring element 56.
  • the valve body 55 is located in a housing in which the hydraulic line 37 is arranged or formed.
  • the valve body 55 is assigned via the actuator 60 in the form of a solenoid or a magnetic coil.
  • a magnet is located within the coil and is coupled to a pin which in turn acts on the valve body 55 .
  • the magnet within the coil moves upwards and the pin presses on the valve body 55 against the spring force which is applied by the energy store 56 and holds the valve body 55 in the first, closed position. This state is shown in the illustration on the right.
  • the hydraulic line 37 is fully open and allows the hydraulic fluid to flow through.
  • the mechanical interaction between the valve body and the housing is designed in such a way that when hydraulic pressure is applied from the flexion chamber in the direction of the extension chamber, friction or engagement of projections and depressions takes place, so that an increased displacement force is necessary to move the valve body 55 in move to the open position. This compressive force is sufficient to increase the required release force beyond an extent that the required force cannot be applied by the actuator 60. So if there is hydraulic pressure on the valve body 55, the actuator 60 cannot move the valve body 55 against the spring force of the force accumulator 56 in combination with a holding force by the mechanical Storage or a corresponding design of the inflow surface of the valve body 55 move into the second, open position.
  • the housing or the housing and the valve body 55 are designed in such a way that a high release force is required at high pressure, which must be applied by the actuator 60 .
  • the mechanical design of the resistance device 30 in conjunction with the control concept of the control device 50 it is possible to manage with a minimum of sensor signals for controlling a flexion release and/or an extension release.
  • information about a swing phase release can be sent to the control device 70 via an individual spatial position sensor 40 or an IMU, via which the actuator 60 would normally be activated and the switching valve 50 then released.
  • the necessary release force increases due to the mechanical design, so that the release cannot take place.
  • the switching valve 50 can only be opened when the pressure force from the flexion chamber 32 decreases, so that the bypass for the conventional throttle valve 51 opens and the hydraulic resistance is reduced.
  • FIG. 8 shows the steering of a switching valve via a rotary drive 60 with a lever mechanism.
  • the rotary drive 60 or rotary drive can be designed as a motor or as a rotating component of a transmission device downstream of a motor.
  • the adjustment of the valve 50 can be effected in the manner of a connecting rod via a lever 90 which is pivotably mounted or fastened both on the rotary drive 60 and on the linear switching valve 50 .
  • FIG. 9 shows the kinematic reversal of FIG. 8, in which there is a linear drive 60 which is coupled via a lever 90 corresponding to the arrangement in FIG. 8 to a switching valve 50 designed as a rotary valve. The respective flow direction and flow of the hydraulic fluid is shown by the arrows.
  • a switching valve designed as a rotary valve can also be actuated via a rotary actuator.
  • actuation can also take place via a gear with a suitable ratio, a link mechanism or a combination of these components.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein künstliches Kniegelenk mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20), die schwenkbar um eine Schwenkachse (12) aneinander gelagert sind, mit einer hydraulischen Widerstandseinrichtung (30) zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20), über die ein Widerstand gegen eine Schwenkbewegung bereitgestellt wird, die Widerstandseinrichtung (30) weist ein Schaltventil (50) in einer Hydraulikleitung (37) auf, das Schaltventil (50) weist einen in einer Verlagerungsrichtung verlagerbaren Ventilkörper auf, der in einer ersten Stellung die Hydraulikleitung (37) blockiert oder teilweise verschließt und in einer zweiten Stellung die Hydraulikleitung (37) freigibt und dergestalt ausgebildet oder angeordnet ist, dass eine senkrecht zu der Verlagerungsrichtung durch das Hydraulikfluid auf den Ventilkörper (55) wirkende Druckkraftkomponente eine einer Verlagerung des Ventilkörpers (55) entgegenwirkende Haltekraft erzeugt, wobei dem Ventilkörper (55) ein Aktuator (60) zur Ausübung einer Freigabekraft zugeordnet ist, der den Ventilkörper (55) aus der ersten in die zweite Stellung bewegt, dass der Aktuator (60) mit einer Steuerungseinrichtung (70) gekoppelt ist, die mit einem Sensor zur Erfassung von Zustandsdaten verbunden ist und den Aktuator (60) auf der Grundlage der Zustandsdaten aktiviert und dass die Freigabekraft geringer als die Haltekraft bei einer vorgegebenen Druckkraft eingestellt ist.

Description

Künstliches Kniegelenk und Verfahren zu dessen Steuerung
Die Erfindung betrifft ein künstliches Kniegelenk mit einem Oberteil und einem Unterteil, die schwenkbar um eine Schwenkachse aneinander gelagert sind, mit einer hydraulischen Widerstandseinrichtung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil, über die ein Widerstand gegen eine Schwenkbewegung bereitgestellt wird, die Widerstandseinrichtung weist ein Schaltventil in einer Hydraulikleitung auf, das Schaltventil weist einen in einer Verlagerungsrichtung verlagerbaren Ventilkörper auf, der in einer ersten Stellung die Hydraulikleitung blockiert oder teilweise verschließt, insbesondere um die Hydraulikleitung weitgehend oder vollständig zu verschließen, um eine Drosselwirkung oder Blockade zu erreichen, und in einer zweiten Stellung die Hydraulikleitung freigibt und dergestalt ausgebildet oder angeordnet ist, dass eine senkrecht zu der Verlagerungsrichtung durch das Hydraulikfluid auf den Ventilkörper wirkende Druckkraftkomponente eine einer Verlagerung des Ventilkörpers entgegenwirkende Haltekraft erzeugt. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung eines solchen künstlichen Kniegelenkes. Künstliche Kniegelenke werden in Orthesen oder Prothesen eingesetzt. Die hydraulische Widerstandseinrichtung kann sowohl als Linearhydraulik als auch als Rotationshydraulik ausgeführt sein. Die Linearhydraulik oder Rotationshydraulik kann als Hydraulikfluid auch eine magnetorheologische Flüssigkeit verwenden, um eine zusätzliche Möglichkeit zur Modulation der Eigenschaften der Widerstandseinrichtung zu schaffen.
Um während des Gehens und Stehens oder auch während anderer Tätigkeiten und Zustände eine Anpassung eines Widerstandes gegen eine Extensionsbewegung und/oder eine Flexionsbewegung bereitzustellen, sind dem künstlichen Kniegelenk Widerstandseinrichtungen oder zumindest eine Widerstandseinrichtung zugeordnet. Diese Widerstandseinrichtung kann den jeweiligen Widerstand verändern. Hierzu werden unterschiedliche Widerstandseinrichtungen eingesetzt, neben rein mechanischen Bremseinrichtungen oder Gesperren können magnetorheologische Widerstandseinrichtungen, Elektromotoren im Generatorbetrieb, pneumatische Dämpfer oder hydraulische Widerstandseinrichtungen eingesetzt werden. Die Veränderung des Widerstandes kann auf der Grundlage von Sensordaten erfolgen, die über Sensoren erfasst und in einer Steuerungseinrichtung ausgewertet werden. Auf der Grundlage der Sensordaten wird dann der Widerstand vergrößert oder verringert. Dies kann dazu führen, dass eine Verschwenkbewegung gebremst, blockiert oder der Widerstand verändert wird. Sensordaten sind insbesondere die Raumorientierung von Komponenten, wirksame Kräfte, Momente, Temperaturen, Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen. Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung des Widerstandes besteht über mechanische Einrichtungen, die in Abhängigkeit von Kräften, Momenten oder Positionen, insbesondere Winkelstellungen eine Vergrößerung oder eine Verringerung des jeweiligen Widerstandes bewirken. Dazu werden in Hydraulikeinrichtungen beispielsweise Drosseln verstellt und/oder Strömungskanäle freigeschaltet oder geschlossen.
Eine rein elektromechanische Steuerung ist vergleichsweise aufwendig und benötigt möglichst eindeutige Sensorwerte, um den jeweiligen Zustand der Prothese oder Orthese sowie das gegenwärtige Gangverhalten und die Gangsituation zu bestimmen. Insbesondere bei Kniegelenken ist es notwendig, eine falsche Reduzierung von Flexionswiderständen zu verhindern, um ein ungewolltes Einbeugen und Kollabieren des Gelenkes zu verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges künstliches Kniegelenk mit einer verstellbaren Widerstandseinrichtung zur Sicherung der Standphase bereitzustellen, das zuverlässig eine Fehlauslösung der Schwungphase mit damit verbundener Widerstandsverringerung in gefährlichen Situationen verhindert.
Diese Aufgabe wird durch ein künstliches Kniegelenk mit den Merkmalen des Hauptanspruches und ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren erläutert.
Das künstliche Kniegelenk mit einem Oberteil und einem Unterteil, die schwenkbar um eine Schwenkachse aneinander gelagert sind, mit einer hydraulischen Widerstandseinrichtung zwischen dem Oberteil und dem Unterteil, über die ein Widerstand gegen eine Schwenkbewegung bereitgestellt wird, die Widerstandseinrichtung weist ein Schaltventil in einer der Hydraulikleitungen auf, das Schaltventil weist einen in einer Verlagerungsrichtung verlagerbaren Ventilkörper auf, der in einer ersten Stellung die Hydraulikleitung blockiert und in einer zweiten Stellung die Hydraulikleitung freigibt und dergestalt ausgebildet oder angeordnet ist, dass eine senkrecht zu der Verlagerungsrichtung durch das Hydraulikfluid auf den Ventilkörper wirkende Druckkraftkomponente eine einer Verlagerung des Ventilkörpers entgegenwirkende Haltekraft erzeugt, wobei dem Ventilkörper ein Aktuator zur Ausübung einer Freigabekraft zugeordnet ist, der den Ventilkörper aus der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt. Der Aktuator ist mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt, die mit einem Sensor zur Erfassung von Zustandsdaten verbunden ist und den Aktuator auf der Grundlage der Zustandsdaten aktiviert, wobei die Freigabekraft geringer als die Haltekraft bei einer vorgegebenen Druckkraft eingestellt ist. Der innerhalb der Hydraulikleitung angeordnete Ventilkörper kann die Hydraulikleitung innerhalb des hydraulischen Systems der hydraulischen Widerstandseinrichtung zumindest teilweise blockieren, insbesondere vollständig blockieren, sodass das Hydraulikfluid in der Hydraulikleitung nicht strömt oder nur mit einem hohen Widerstand entlangströmen kann. Die Hydraulikleitung ist insbesondere eine Verbindungsleitung zwischen zwei Hydraulikkammern, die durch einen Kolben in einem Hydraulikdämpfer voneinander getrennt sind. Der Ventilkörper ist innerhalb des Schaltventils gelagert, wobei die Lagerung und/oder der Ventilkörper dergestalt ausgebildet sind, dass bei einem in der Hydraulikleitung herrschenden Druck eine senkrecht zu der Verlagerungsrichtung wirkende Druckkraftkomponente erzeugt wird. Diese Druckkraftkomponente drückt den Ventilkörper in seinen Ventilsitz, insbesondere in der geschlossenen Stellung. Die Ausgestaltung des Ventilkörpers kann zudem so sein, dass das Hydraulikfluid eine in die erste Stellung oder Schließstellung gerichtete Kraftkomponente ausgeübt wird, beispielsweise durch eine schräg orientierte Anströmfläche des Ventilkörpers. Die Haltekraft wird beispielsweise durch eine quer zur Verlagerungsrichtung ausgeführte Verschiebung und ein Anpressen gegen den Ventilsitz aufgebracht. Durch vorhandene Reibkräfte oder entsprechend geformte Formschlusselemente wird bei einem anliegenden Druck durch das Hydraulikfluid verhindert, dass der Ventilkörper aus der ersten Stellung in die zweite Stellung oder Freigabestellung verlagert wird. Zusätzlich zu dieser Ausgestaltung ist dem Ventilkörper ein Aktuator zugeordnet, der eine Freigabekraft auf den Ventilkörper ausübt und diesen aus der ersten Stellung in die zweite Stellung bewegt. Dieser Aktuator ist mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt, die auf der Grundlage von Sensordaten, beispielsweise hinsichtlich der Raumorientierung, der Beschleunigung, der Winkelgeschwindigkeiten oder der Kräfte, insbesondere des Unterteils oder des Oberteils oder daran angeordneter orthetischer oder prothetischer Komponenten, den Aktuator aktiviert, um das Schaltventil mit dem Ventilkörper aus der ersten Stellung in die zweite Stellung zu bewegen. Sofern kein oder nur ein geringer Hydraulikdruck auf den Ventilkörper einwirkt, ist eine Verstellung über den Aktuator bei entsprechenden Sensordaten möglich. Die Freigabekraft ist aber geringer als die Haltekraft bei einer vorgegebenen Druckkraft eingestellt. Überschreitet das Druckniveau innerhalb der Hydraulikleitung einen bestimmten Grenzwert, ist der Aktuator nicht mehr in der Lage, das Schaltventil aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bewegen. Dadurch wird verhindert, dass ab einer definierten Belastung des Kniegelenkes, beispielsweise bei einer Einbeugung, im gesperrten Zustand aufgrund von fehlerhaften oder ungenauen Sensorwerten eine ungewollte Freigabe des Schaltventils erfolgt und dadurch eine Verschwenkung des Kniegelenkes ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführung kann das Ventil dergestalt ausgeführt werden, dass das Ventil, nachdem es von der ersten in die zweite Stellung geschaltet wurde, in der zweiten Stellung verbleibt, solange die Strömungsgeschwindigkeit im Ventil einen definierten Wert nicht unterschreitet. Wenn die Strömung zum Erliegen kommt oder ihre Richtung ändert, fällt das Ventil automatisch wieder in die erste Stellung zurück und verschließt den Kanal. Dies kann beispielsweise mit einer Ventilkonstruktion bewerkstelligt werden, bei der eine Anströmfläche des Ventilkörpers so ausgerichtet ist, dass eine Kraftkomponente erzeugt wird, die in Richtung auf die zweite Stellung in Verlagerungsrichtung wirkt. Die Anströmfläche kann beispielsweise schräg gestellt sein oder die Anströmung kann in einer entsprechenden Richtung oder unter einem entsprechenden Winkel an den Ventilkörper geleitet werden, um eine geöffnete oder freigegebene Stellung beizubehalten. Dank dieser speziellen Ventileigenschaften ist, nachdem das Ventil zur Einleitung der Schwungphase in die zweite Stellung geschaltet wurde, eine Kniebeugung mit geringem Widerstand möglich. Sobald sich die Bewegung umkehrt und das Kniegelenk eine Extensionsbewegung durchführt, fällt das Ventil zurück in die erste Stellung, wodurch ein hoher Widerstand gegen eine Kniebeugung zur Verfügung gestellt wird. Die Extensionsbewegung ist aufgrund eines parallelgeschalteten Rückschlagventils weiterhin möglich, da das Fluid bei Bewegung in Extensionsrichtung weitgehend ungehindert durch das Rückschlagventil strömen kann. Durch diese spezielle Ventilkonstellation kann ein Stolperschutz realisiert werden, ohne dass eine Sensorik zur Erfassung der Kniebewegung erforderlich ist.
Alternativ zu dieser speziellen Ventilausführung kann ein Stolperschutz auch durch die Berücksichtigung des von entsprechenden Sensoren gemessenen Kniewinkels und / oder der Kniewinkelgeschwindigkeit realisiert werden. In diesem Fall wird das Ventil von der Steuerungseinheit so lange offen gehalten bis die oben genannten Sensoren eine Bewegungsumkehr oder einen Abbruch der Schwungphase detektieren.
Der Aktuator ist insbesondere als Motor oder als Elektromagnet ausgebildet, der auf der Grundlage eines entsprechenden Steuerungssignals durch die Steuerungseinrichtung aktiviert wird. Der Elektromotor kann über ein Getriebe, insbesondere ein verstellbares Getriebe, einen Hebelmechanismus oder eine Lenkerkombination mit dem Ventilkörper gekoppelt sein. Der verstellbare Elektromagnet oder das Solenoid kann ebenfalls direkt auf den Ventilkörper oder über ein Kraftübertragungselement, ein Hebelgetriebe oder einen Lenkermechanismus auf den Ventilkörper einwirken.
Sowohl für die Ventilkonstruktion als auch für die Aktuatorik kann eine lineare oder rotatorische Aktuierung vorgesehen werden. Durch entsprechende Hebelmechanismen kann eine Linearbewegung in eine Rotationsbewegung gewandelt werden und umgekehrt.
Dem Ventilkörper ist in einer Ausgestaltung ein der Freigabekraft entgegenwirkendes Federelement bzw. ein entgegenwirkender Kraftspeicher zugeordnet. Alternativ oder ergänzend kann ein der Freigabekraft entgegenwirkender Magnet oder ein entsprechend wirksam geschalteter Magnet dem Ventilkörper zugeordnet sein, um eine Kraftschwelle einzustellen, ab der der Aktuator den Ventilkörper in die Freigabestellung bewegen kann. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die durch das Hydraulikfluid aufgebrachte Druckkraft nicht ausreicht, um eine ausreichende Haltekraft oder eine gewünschte Haltekraft zu erzeugen.
In einer Ausgestaltung ist die durch den Aktuator aufbringbare Freigabekraft einstellbar, beispielsweise durch eine entsprechende Aktivierung einer Spule, durch Verstellung eines Getriebes, einer Antriebsleistung eines Motors, der Vorspannung eines Federelements oder dergleichen.
Die hydraulische Widerstandseinrichtung mit einer Hydraulikkammer mit einem darin angeordneten Kolben, der die Hydraulikkammer in eine Extensionskammer oder eine Flexionskammer teilt, die über die Hydraulikleitung in strömungstechnischer Verbindung miteinander stehen sieht vor, dass zumindest einer der beiden Hydraulikkammern ein Rückschlagventil in einem parallel dazu geschalteten Drosselventil zugeordnet ist. Das Rückschlagventil kann die Bewegung in eine Richtung, insbesondere in der Extensionsbewegung stets zulassen, während die entgegengesetzte Bewegungsrichtung des künstlichen Kniegelenkes gesperrt wird, wenn das Drosselventil ebenfalls geschlossen ist. Das Schaltventil kann parallel zu dem Drosselventil und gegebenenfalls zu dem Rückschlagventil geschaltet sein, sodass in einer Bewegungsrichtung, in der das Rückschlagventil wirksam ist, durch das Drosselventil, ggf. in Verbindung mit dem Schaltventil, Hydraulikfluid strömt und eine wirksame Verstellung und Erhöhung der gewünschten Widerstände durch das Drosselventil erzeugt werden kann.
In einer Ausgestaltung ist jeder Hydraulikkammer ein Rückschlagventil zugeordnet, wobei die beiden Rückschlagventile gegenläufig zueinander orientiert angeordnet sind und jeweils parallel zu dem Drosselventil geschaltet sind, um einen Bypass in einer Richtung auszubilden.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass zumindest ein Sensor zur Erfassung der Strömungsrichtung und/oder zur Fassung des Druckes des Hydraulikfluids vorgesehen ist. Über die Erfassung der Strömungsrichtung kann sichergestellt werden, dass eine Schwungphase durch Verringerung des Flexionswiderstandes nur eingeleitet wird, wenn das Kniegelenk in Extensionsrichtung bzw. nur gering in Beugerichtung belastet ist. Die Erfassung der Strömungsrichtung ist entscheidend, um bei einer Belastung des Ventilkörpers zutreffend schalten zu können. Wird eine Extension durch eine entsprechende Strömungsrichtung innerhalb der Hydraulikleitung oder an einem Ventil erkannt, wird das Schaltventil, das beispielsweise als ein Magnetventil ausgebildet sein kann, in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung geschaltet. Damit kann beispielsweise ein Stolperschutz realisiert werden, indem das Magnetventil, sobald es freigeschaltet wurde, offengehalten wird, solange die Strömungsrichtung einer Kniebeugung entspricht. Sobald die Strömung ihre Richtung ändert, wird das Magnetventil wieder geschlossen. Die Strömungsrichtung kann auch über Statussensoren an den Rückschlagventilen erfasst werden. Damit ist für die Realisierung des Stolperschutzes kein zusätzlicher Sensor zur Messung des Kniewinkels oder der Kniewinkelgeschwindigkeit erforderlich, wodurch die System komplexität reduziert wird und Kosten eingespart werden können.
Zur Anpassung des Strömungswiderstandes kann dem Schaltventil ein Drosselventil strömungstechnisch vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein, wobei das Drosselventil oder die Drosselventile einstellbar sind. Die Einstellung kann aufgrund von Sensorwerten erfolgen.
In einer Ausgestaltung ist zumindest einem Drosselventil ein zu dem ersten Rückschlagventil parallel geschaltetes, dem Drosselventil in Strömungsrichtung vorgeschaltetes oder nachgeschaltetes zweites Rückschlagventil, das dem ersten Rückschlagventile gegenläufig ausgerichtet ist, zugeordnet, wobei dem Rückschlagventil ein Statussensor zugeordnet ist. Der Statussensor erkennt, ob das jeweilige Rückschlagventil geöffnet oder geschlossen ist, wodurch die Strömungsrichtung innerhalb der Hydraulikleitung sicher detektiert werden kann. Alternativ kann die Strömungsrichtung auch durch einen eigens dafür vorgesehenen Strömungsrichtungs- oder Strömungsgeschwindigkeitssensor detektiert werden.
In dem Kolben innerhalb der Hydraulikkammer kann zumindest ein Überlastventil angeordnet sein, das oder die in jeweils einem Verbindungskanal angeordnet sind, der die Extensionskammer mit der Flexionskammer verbindet. Dadurch wird eine mechanische Überlastung der hydraulischen Widerstandseinrichtung verhindert. Da in erster Linie eine Überlastung der Hydraulik in Flexionsrichtung erwartet wird, sollte insbesondere ein Überiastventil zur Verhinderung eines Überdrucks in der Flexionskammer vorgesehen werden. In einer Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass zwei gegenläufig wirksame Überlastventile in jeweils einem Verbindungskanal innerhalb des Kolbens in der Hydraulikkammer angeordnet sind.
Das Verfahren zur Steuerung eines künstlichen Kniegelenkes, wie es oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass der Widerstand in Abhängigkeit von der Raumorientierung des Unterteils und/oder des Oberteils verändert wird, die während der Benutzung des künstlichen Kniegelenkes über einen Inertialwinkelsensor oder eine IMU ermittelt werden, wobei der ermittelte Raumwinkel oder Absolutwinkel mit einem Schwellwert verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellwertes der Aktuator aktiviert wird. Damit ist es möglich, auf der Grundlage nur eines Messwertes, nämlich des Raumwinkels oder Absolutwinkels einer Prothesenkomponente oder Orthesenkomponente im Raum, in Kombination mit der Strömungsrichtung und einem Belastungszustand, der nicht notwendigerweise elektronisch detektiert werden muss, eine sichere Steuerung bei der Benutzung des künstlichen Kniegelenkes zu erreichen.
Alternativ oder zusätzlich zu der Raumorientierung kann auch die Winkelgeschwindigkeit oder Änderungsrate des Raumwinkels betrachtet werden, da über diesen Parameter Änderungen in der Bewegungsrichtung besonders gut detektiert werden können.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Ausführungsbeispiele mit Linearhydrauliken gelten sinngemäß auch für Rotationshydrauliken und umgekehrt. Es zeigen:
Figur 1 - eine schematische Darstellung eines künstlichen Kniegelenkes mit einer Widerstandseinrichtung;
Figur 1a - eine Variante der Figur 1 ;
Figur 2 - ein hydraulisches Schaltbild der Widerstandseinrichtung;
Figur 2a - eine Variante mit einer Rotationshydraulik;
Figur 3 bis Figur 5 - Varianten der Figur 2;
Figur 6 - eine Detaildarstellung der Hydraulikleitung mit Schaltventil;
Figur 7 - zwei Zustände des Schaltventils und sein konstruktive Aufbau;
Figur 8 - eine schematische Darstellung einer linearen
Widerstandseinrichtung mit einem Dreh-Aktuator;
Figur 9 - eine schematische Darstellung einer rotatorischen
Widerstandseinrichtung mit Linearaktuator.
In den Figuren 1 und 1a sind in einer schematischen Darstellung ein künstliches Kniegelenk als Teil einer Prothese, in Figur 1 , oder Orthese in Figur 1 a dargestellt. Das künstliche Kniegelenk weist ein Oberteil 10 und ein Unterteil 20 auf, die um eine Schwenkachse 12 schwenkbar aneinander gelagert sind. An dem Unterteil 20 ist bei einer Ausgestaltung als Prothese gemäß Figur 1 ein Prothesenfuß an dem distalen Ende angeordnet, bei der Ausgestaltung des künstlichen Kniegelenkes als ein Orthesenkniegelenk gemäß Figur 1 A kann das Unterteil 20 als Unterschenkelschiene ausgebildet sein, an der kein Fußteil angeordnet sein muss. Für den Fall einer KAFO ist an dem Unterteil 20 ein Fußteil wie dargestellt angeordnet, auf dem ein Fuß aufgesetzt werden kann. Bei einer Ausgestaltung einer Orthese ist das Oberteil 10 an einem Oberschenkel über Befestigungselemente 10a und das Unterteil 20 an dem Unterschenkel über Befestigungselemente 20a befestigt. Die Befestigungselemente 10a, 20a dienen zur wiederholten lösbaren Befestigung der Orthese an dem Bein bzw. der Gliedmaße. Die Befestigungselemente 10a, 20a können als Gurte, Schalen, Schnallen, Klammern oder ähnliche Einrichtungen ausgebildet sein, um die Orthesenkomponenten an der jeweiligen Gliedmaße zu fixieren.
Zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ist eine Widerstandseinrichtung 30 als eine linear wirkende Widerstandseinrichtung 30 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Widerstandseinrichtung 30 als hydraulische Widerstandseinrichtung mit einer Hydraulikkammer 35 ausgebildet. Die Hydraulikkammer 35 ist in einem Gehäuse angeordnet oder ausgebildet und bildet einen Zylinder aus, in dem ein Kolben 34 verschieblich gelagert ist. Der Kolben 34 ist entlang der Längserstreckung des Zylinders oder der Hydraulikkammer 35 verlagerbar und an einer Kolbenstange 34 befestigt, die aus dem Gehäuse oder Grundkörper mit der darin angeordneten Hydraulikkammer 35 hinausragt. Der Kolben 34 unterteilt die Hydraulikkammern 35 in eine Extensionskammer 31 und eine Flexionskammer, 32, die über eine Hydraulikleitung, die später erläutert werden wird, in strömungstechnischer Verbindung miteinander stehen. Der Grundkörper oder das Gehäuse mit der Hydraulikkammer 35 kann verschwenkbar an dem Unterteil 20 gelagert sein, um eine Verkantung des Kolbens 34 bei einer Verschwenkbewegung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 zu verhindern. Das dem Kolben 34 abgewandte Ende der Kolbenstange 33 ist an dem Oberteil 10, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einem Ausleger zur Vergrößerung des Abstandes zu der Schwenkachse 12 befestigt. Bei einer Flexion wird der Kolben 34 nach unten gedrückt, sodass sich die Flexionskammer 32 verkleinert, korrespondierend dazu vergrößert sich das Volumen der Extensionskammer 31 , verringert um das Volumen der einfahrenden Kolbenstange 33. Das der aufgrund der Kolbenstange entstehenden Differenzvolumen wird von einem nicht dargestellten Ausgleichsvolumen aufgenommen. Aufgrund des Strömungswiderstandes innerhalb der dargestellten Hydraulikleitung zwischen der Extensionskammer 31 und der Flexionskammer 32 wird einer Flexionsbewegung ein Widerstand entgegengestellt. Der Widerstand ist einstellbar. Unterschiedliche Volumenänderungen in der Extensionskammer 31 bzw. Flexionskammer 32 werden über ein Ausgleichsvolumen 38 ausgeglichen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist sowohl an dem Oberteil 10 als auch an dem Unterteil 20 ein Sensor 40 zur Erfassung der Raumorientierung des Unterteils 20 bzw. des Oberteils 10 angeordnet. Über diesen Sensor 40, der beispielsweise als IMU ausgebildet sein kann, wird während der Benutzung des künstlichen Kniegelenkes der Raumwinkel oder der Absolutwinkel zu einer festen Raumorientierung, beispielsweise der Gravitationsrichtung, ermittelt. Statt einer IMU kann der Sensor 40 auch andere Zustandsdaten erfassen, insbesondere Zustandsdaten, die das künstliche Kniegelenk betreffen. Als Zustandsdaten werden insbesondere Positionen, Winkelstellungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte sowie deren Verläufe oder Änderungen erfassen. Der ermittelte Raumwinkel des Oberteils 10 und/oder des Unterteils 20 oder eine andere Zustandsgröße wird mit einem Schwellwinkel verglichen. Bei Erreichen oder Überschreiten eines Schwellwertes, der in einer Steuerung für den jeweiligen Sensorwert oder einer daraus abgeleiteten Größe abgelegt ist, wird ein Aktuator aktiviert oder deaktiviert, um den Strömungswiderstand in der Widerstandseinrichtung 30 zu verändern.
Alternativ oder ergänzend kann ein Sensor 45 zur Messung des Kniewinkels und/oder der Kniewinkelgeschwindigkeit vorgesehen werden, dessen Information insbesondere genutzt werden kann, um das Verhalten der Widerstandseinrichtung 30 während der Schwungphase zu beeinflussen.
Die Widerstandseinrichtung 30 in einem künstlichen Kniegelenk dient dazu, eine Flexionsbewegung und eine Extensionsbewegung zu moderieren, um einen angemessenen oder gewünschten Bewegungsablauf zu erzeugen oder zu unterstützen. Eine Extensionsbewegung wird vorteilhafterweise kurz vor Erreichen einer maximalen Streckung abgebremst, um ein hartes Anschlägen zu vermeiden. Eine Flexionsbewegung wird in der Standphase und in der Schwungphase abgebremst oder unterbunden, um eine Begrenzung der Einbeugung zu gewährleisten. Insbesondere in der Standphase ist es notwendig, eine fehlerhafte Verringerung eines Flexionswiderstandes nach einem Fersenstoß in der sogenannten Standphasenbeugung zu vermeiden. Befindet sich beispielsweise das künstliche Kniegelenk in einer eingebeugten Stellung und wird weiterhin in Flexionsrichtung belastet, kann ein ungewolltes oder unerwünschtes Verringern des Flexionswiderstandes zu einem ungewollten Einbeugen des künstlichen Kniegelenkes führen. Um eine sichere Benutzung des künstlichen Kniegelenkes zu erreichen, ist in der Widerstandseinrichtung 30 eine hydraulische Verschaltung angeordnet, die über mechanische und elektronische Komponenten sicherstellt, dass eine ungewollte Verringerung eines Flexionswiderstandes oder auch eines Extensionswiderstandes unterbleibt.
In der Figur 2 ist eine das allgemeine Prinzip der hydraulischen Verschaltung innerhalb der Widerstandseinrichtung 30 dargestellt. Die Kolbenstange 33 ragt aus der Hydraulikkammer 35 heraus und ist entweder an dem Oberteil 10 oder dem Unterteil 20 des künstlichen Kniegelenkes direkt oder indirekt befestigt. Die Hydraulikkammer 35 ist dann jeweils an dem anderen Teil des künstlichen Kniegelenkes festgelegt oder damit gekoppelt. In der Figur 2 ist zu erkennen, dass innerhalb des Kolbens 34 zwei Überlastventile 36 in Verbindungskanälen 341 zwischen der Extensionskammer 31 und der Flexionskammer 32 angeordnet sind. Beide Überlastventile 36 sind gegenläufig wirksam angeordnet, um bei einer Überlast keine mechanischen Komponenten zu zerstören, sondern ein Nachgeben gegen einen Federwiderstand der Überlastventile 36 zu ermöglichen. Zwischen der Extensionskammer 31 und der Flexionskammer 32 ist zudem eine Hydraulikleitung 37 angeordnet, durch die das Hydraulikfluid bei einer Bewegung des Kolbens 34 bei geschlossenen Überlastventilen strömt. Ein Ausgleichsbehälter 38 dient als Vorratsbehälter, um die Volumenänderung aufgrund der einfahrenden oder ausfahrenden Kolbenstange 33 auszugleichen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind innerhalb der Hydraulikleitung 37 zwei Rückschlagventile 52 angeordnet, die gegenläufig wirksam orientiert sind. Parallel zu den Rückschlagventilen 52, die auch federbelastet sein können, sind einstellbare Drosselventile 51 angeordnet, über die der Flexionswiderstand bzw.
Extensionswiderstandes bei einer Flexionsbewegung bzw. Extensionsbewegung eingestellt werden kann. Die Einstellung kann dauerhaft bzw. einmalig erfolgen oder verändert werden. Zur Realisierung einer veränderbaren Drosselwirkung sind den Drosselventilen 51 Stelleinrichtungen zugeordnet, die auf der Grundlage von Sensorwerten und/oder über eine mechanische Kraftübertragung aktuiert werden, sodass in Abhängigkeit von Sensorwerten oder Belastungen bzw. Stellungen in einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung der jeweilige Strömungswiderstand in der jeweiligen Strömungsrichtung eingestellt werden kann. Parallel sowohl zu einem Rückschlagventil 52 als auch einem Stellventil 51 ist ein Schaltventil 50 an dem Auslass der Flexionskammer 32 angeordnet. Das Rückschlagventil 52 an dem Ausgang der Flexionskammer 32 sperrt den Fluidstrom aus der Flexionskammer 32 bei einer Flexionsbewegung, sodass Hydraulikfluid aus der Flexionskammer 32 auf dem Weg in die Extensionskammer 31 durch das Drosselventil 51 und/oder das Schaltventil 50 strömen muss. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Schaltventil 50 in Strömungsrichtung zusätzlich ein Drosselventil 51 nachgeschaltet. Das Schaltventil 50 ist mit so einem nicht dargestellten Aktuator verbunden, der wiederum über eine Steuerungseinrichtung 70 aktiviert oder deaktiviert wird. Die Steuerungseinrichtung 70 ist mit einem oder mehreren äußeren Sensoren 40 zur Erfassung von Zustandsdaten gekoppelt und aktiviert oder deaktiviert dem Aktuator, um das Schaltventil 50 zu öffnen oder zu schließen. Neben den externen Sensoren 40 sind optional Zustandssensoren 41 der Rückschlagventile 52 mit der Steuerungseinrichtung 70 gekoppelt. Die Zustandssensoren 41 sind in ihrer einfachsten Ausführungsform als Schalter ausgebildet und detektieren, ob das jeweilige Rückschlagventil 52 geöffnet oder geschlossen ist. Befindet sich das dem Schaltventil 50 zugeordnete Rückschlagventil 52 zur Sperrung des Fluidstroms bei einer Flexionsbewegung in einem geschlossenen Zustand, kann darüber detektiert werden, welche Bewegung oder welche Belastung an dem künstlichen Kniegelenk anliegt. Befindet sich dieses Rückschlagventil 52 einer geöffneten Stellung, ist darüber zu erkennen, dass kein Moment um die Schwenkachse 12 wirkt, das eine Flexionsbewegung verursachen würde. Dies ist eine wesentliche Eingangsinformation für die Steuerungseinrichtung 70.
In der Figur 2 a ist eine Variante der Figur 2 mit einer Rotationshydraulik dargestellt. Die hydraulische Verschaltung der Extensionskammer 31 mit der Flexionskammer 32 entspricht der Verschaltung gemäß der Figur 2. Innerhalb der Hydraulikkammer 35 ist statt eines linearen wirkenden Kolbens ein Drehkolben 34 angeordnet, der die Extensionskammer 31 von der Flexionskammer 32 trennt. Der Ausgleichsbehälter 38 dient zum Ausgleich von Flüssigkeitsverlusten und temperaturbedingten Änderungen des Ölvolumens. Der Ausgleichsbehälter 38 ist nicht notwendig, um unterschiedliche Volumina aufgrund einer einfahrenden oder ausfahrenden Kolbenstange auszugleichen, da diese bei einer Rotationshydraulik wegfällt. Daher kann das Ausgleichsvolumen bei einer Rotationshydraulik verglichen zu einer Linearhydraulik verhältnismäßig klein ausfallen.
In der Figur 3 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß Figur 2 dargestellt, bei der grundsätzlich der gleiche Aufbau vorhanden ist, allerdings ist die Steuerungseinrichtung 70 nicht mit Sensoren 41 zur Erfassung der Strömungsrichtung bzw. zur Fassung des Zustandes der Rückschlagventile 52 ausgestattet, vielmehr ist bei einem im Wesentlichen unveränderten mechanischen Aufbau eine vereinfachte Steuerung allein auf der Grundlage von Zustandsdaten über die Sensoren 40, insbesondere über eine IMU und ausschließlich nur eine IMU vorgesehen. Das Schaltventil 50 ist dabei dergestalt ausgebildet, dass eine von dem Aktuator ausgeübte Freigabekraft zur Freischaltung des Strömungskanals einen eingestellten Sollwert nicht überschreitet. Der Sollwert wird dadurch bestimmt, dass bei einer vorgegebenen Druckkraft ein Ventilkörper innerhalb des Schaltventils 50 eine vorgegebene Freigabekraft benötigt, also einer Verstellung aus einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand einen Widerstand entgegensetzt. Ist ein Kniegelenk mit einer Kraft oder einen Moment belastet, das in Flexionsrichtung wirkt, liegt eine Druckkraft aufgrund des hydraulischen Druckes aus der Flexionskammer sowohl an dem parallel geschalteten Drosselventil 51 als auch an dem Schaltventil 50 an. Das ebenfalls parallel geschaltete Rückschlagventil 52 an dem Flexionskammerauslass ist geschlossen. Erhält in einem solchen Zustand die Steuerungseinrichtung 70 von einer Sensoreinrichtung 40 einen Sensorwert, der nach Auswertung zu einem Steuerbefehl führt, der eine Aktivierung des Aktuators bewirkt, wird ein entsprechendes Signal an den Aktuator ausgegeben und eine Freigabekraft auf den Ventilkörper ausgeübt. Ist die aufgrund des anliegenden Druckes der Freigabekraft entgegenwirkende Haltekraft zu groß, lässt sich das Schaltventil 50 nicht öffnen, sodass eine Fehlauslösung bei einem in Flexionsrichtung belasteten Kniegelenk verhindert wird.
Das Schaltventil 50 kann konstruktiv so ausgeführt sein, dass es nach einmaliger Aktivierung durch die Steuereinrichtung 70 offen so lange offen bleibt, bis der Fluidfluss durch das Ventil einen Schwellwert unterschreitet. Damit kann eine ungehinderte Beugung des Kniegelenkes realisiert werden, die Kniegelenkseinrichtung fällt jedoch automatisch in den hoch gedämpften, sicheren Zustand zurück, sobald die Bewegung unterbrochen wird oder sich die Bewegungsrichtung umkehrt.
In der Figur 3a ist die minimale Ausstattung einer Widerstandseinrichtung mit der Hydraulikkammer 35 und dem darin angeordneten Kolben 34 zur Ausbildung einer Extensionskammer 31 und einer Flexionskammer 32 dargestellt. Alternativ zu einer Ausgestaltung als Linearhydraulik kann diese auch als eine Rotationshydraulik gemäß Figur 2a ausgebildet sein. Die Hydraulikleitung 37 verbindet die Extensionskammer 31 mit der Flexionskammer 32 sowie dem Ausgleichsvolumen 38. Einem Anschluss der Hydraulikleitung 37 zu der Flexionskammer 32 vorgelagert ist ein Rückschlagventil 52 und ein parallel dazu geschaltetes Schaltventil 50. Das Schaltventil 50 wird über die Steuerungseinrichtung 70 verstellt, die wiederum mit der Sensoreinrichtung 40 gekoppelt ist. Das Rückschlagventil sperrt den Abfluss aus der Flexionskammer 32 in Richtung auf die Extensionskammer 31 und lässt den Zufluss aus der Extensionskammer 31 in die Flexionskammer 32 immer zu. Dadurch ist es möglich, dass eine Extension immer stattfinden kann, eine Flexion jedoch nur, wenn das Schaltventil 50 entsprechend geöffnet wird.
In der Figur 4 ist ein gleicher hydraulischer Aufbau wie in den Figuren 2 und 3 vorhanden, allerdings ist der Extensionskammer 31 an dem Ausgang ein weiteres Rückschlagventil 52 zugeordnet, dem wiederum ein Zustandssensor 41 zur Erfassung der Strömungsrichtung zugeordnet ist. Somit sind an dem Ausgang der Extensionskammer zwei gegenläufig geschaltete Rückschlagventile 52 angeordnet. Findet eine Extensionsbewegung statt, detektiert der Zustandssensor 41 ein geöffnetes Rückschlagventil und kann dadurch die Bewegungsrichtung und die Belastungsrichtung in dem künstlichen Kniegelenk ermitteln. Bei einer Flexionsbewegung kann der geschlossene Zustand des mit dem Zustandssensor 41 versehenen Rückschlagventils 52 detektiert werden. Wenn bei diesem Aufbau das Schaltventil 50 geöffnet und darüber hinaus über das Drosselventil bzw. die Drosselventile 51 ein Hydraulikstrom möglich ist, dann ist auch ein Rückfluss in die Extensionskammer 31 möglich.
Eine Variante des hydraulischen Aufbaus der Widerstandseinrichtung ist in der Figur 5 gezeigt, bei der in der Hydraulikleitung 70 von der Extensionskammer 31 zu der Flexionskammer 32 ein Strömungsrichtungs-, Strömungsgeschwindigkeits- oder Durchflusssensor 41 angeordnet ist, der mit der Steuerungseinrichtung 70 gekoppelt ist. Zwischen dem Schaltventil 50, dem Drosselventil 51 und dem einzigen Rückschlagventil 52 parallel zu den beiden vorgenannten Ventilen 50, 51 ist ein Drucksensor 41a angeordnet, der optional ist, um sicherzustellen, dass keine Beugelast, eine Kraft oder ein Moment in Flexionsrichtung an dem Kniegelenk anliegt. Der Drucksensor 41a kann einfach aufgebaut sein, da nur ein binäres oder digitales Statussignal erforderlich ist, sodass der Drucksensor 41a auch als Druckschalter ausgebildet sein kann, der durch einen Kolben oder eine Membran aktiviert wird, wenn ein ausreichend hoher Hydraulikdruck aus der Flexionskammer 52 in der Hydraulikleitung 37 anliegt. Der Richtungssensor 41 zur Erkennung der Strömungsrichtung oder Druckrichtung des Hydraulikfluids kann unterschiedlicher Bauart sein, beispielsweise als Rückschlagventil mit Statuserfassung, als Turbinenrad mit Drehrichtungsverfassung, als Peilsensor, als Lichtstrahlsensor, mittels Magneten oder dergleichen. Das Drosselventil 51 parallel zu dem Schaltventil 50 ist in der Regel ein Ventil mit einer hohen Drosselwirkung, das beispielsweise für eine Standphasenflexionsdämpfung eingesetzt wird. Das in den Figuren 2 bis 4 gezeigte, der Flexionskammer 32 zugeordnete Drosselventil 51 dient zur Extensionsdämpfung bei einem Rückfluss des Hydraulikfluids von der Flexionskammer 32 in die Extensionskammer 31 und weist eine vergleichsweise geringe Drosselwirkung auf, die auch in Abhängigkeit von der Position des Kolbens 34 verändert werden kann. Das in Strömungsrichtung von der Flexionskammer 32 in die Extensionskammer 31 in Strömungsrichtung hinter dem Schaltventil 50 angeordnete Drosselventil dient zur Flexionsdämpfung in der Schwungphase und ist ein optionales Ventil, das eine vergleichsweise geringe Drosselwirkung hat, die ebenfalls abhängig von der Position des Kolbens 34 verändert werden kann.
In der Figur 6 ist schematisch eine detailliertere Darstellung des Schaltventils 50 und eines Aktuators 60 dargestellt. Der hydraulische Aufbau ist nur unvollständig angedeutet, eine Rückführungsleitung von der Flexionskammer 32 zu der Extensionskammer 31 fehlt, ebenso ein Ausgleichsbehälter. In dem dargestellten Zustand ist das Schaltventil 50 geschlossen, d. h., dass durch das Schaltventil 50 kein Fluid aus der Flexionskammer 32 kommend hindurchströmen kann. Dieses muss durch das parallelgeschalteten Drosselventil 51 mit einer sehr hohen Drosselwirkung hindurchtreten, um in die Extensionskammer 31 zu gelangen. Dem Schaltventil 50 ist ein Aktuator 60 zugeordnet, der als Motor, Elektromagnet, Solenoid oder eine andere Schalteinrichtung oder Betätigungseinrichtung ausgebildet ist, um auf der Grundlage von Sensorwerten über die nicht dargestellte Steuerungseinrichtung 70 aktiviert zu werden. Der Aktuator 60 wirkt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gegen einen Kraftspeicher 56, beispielsweise eine Feder, ein Elastomerelement oder einen Magneten. Ist der Aktuator 60 nicht aktiviert, ist das Schaltventil 50 geschlossen. Zur Öffnung des Schaltventils 50 und zur Verringerung des Flexionswiderstandes wird der Aktuator 60 aktiviert und eine Kraft aufgebracht, die ausreicht, um ein unbelastetes Schaltventil 50 aus der dargestellten geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung oder Freigabestellung zu bewegen, wenn keine Druckkraftkomponente aufgrund eines anliegenden Hydraulikdruckes auf einen Ventilkörper einwirkt. Liegt jedoch aufgrund einer auf die Kolbenstange wirkenden Kraft, die durch den Pfeil angedeutet ist, ein Druck an dem Ventilkörper des Schaltventils 50 an, wird dadurch eine Haltekraft erzeugt, beispielsweise über das Anpressen des Ventilkörpers in seine Führung, sodass die durch den Aktuator 60 aufgebrachte Freigabekraft nicht ausreicht, um den Ventilkörper aus der Schließstellung in die Freigabestellung zu bewegen. Das optional in Serie zum Schaltventil geschaltete Drosselventil 51 hat eine eher geringe Drosselwirkung und dient zur Einstellung der Schwungphasendämpfung.
In der Figur 7 ist der schematische Aufbau des Schaltventils mit dem Ventilkörper 55 innerhalb eines Ventilgehäuses mit dem Antrieb 60 und dem Federelement 56 dargestellt. In der linken Darstellung ist der Hydraulikstrom innerhalb einer Hydraulikleitung blockiert. Der Ventilkörper 55 befindet sich in einem Gehäuse, in dem die Hydraulikleitung 37 angeordnet oder ausgebildet ist. Dem Ventilkörper 55 ist über den Aktuator 60 in Gestalt eines Solenoids oder einer Magnetspule zugeordnet, innerhalb der Spule befindet sich ein Magnet, der mit einem Stift gekoppelt ist, der wiederum auf den Ventilkörper 55 einwirkt. Wird die Spule von einem Strom durchflossen, bewegt sich der Magnet innerhalb der Spule nach oben und der Stift drückt auf den Ventilkörper 55 gegen die Federkraft, die durch den Kraftspeicher 56 aufgebracht wird und den Ventilkörper 55 in der ersten, geschlossenen Stellung hält. Dieser Zustand ist in der rechten Darstellung gezeigt. Die Hydraulikleitung 37 ist vollständig geöffnet und ermöglicht ein Durchströmen des Hydraulikfluids. Die mechanische Wechselwirkung zwischen dem Ventilkörper und dem Gehäuse ist dabei so ausgestaltet, dass bei einem anliegenden Hydraulikdruck von der Flexionskammer in Richtung auf die Extensionskammer eine Reibung oder ein Eingriff von Vorsprüngen und Vertiefungen stattfindet, sodass eine erhöhte Verlagerungskraft notwendig wird, um den Ventilkörper 55 in die geöffnete Stellung zu bewegen. Diese Druckkraft ist ausreichend, um die erforderliche Freigabekraft über ein Maß zu erhöhen, dass die notwendige Kraft nicht von dem Aktuator 60 aufgebracht werden kann. Liegt also einen Hydraulikdruck an dem Ventilkörper 55 an, kann der Aktuator 60 den Ventilkörper 55 nicht gegen die Federkraft des Kraftspeichers 56 in Kombination mit einer Haltekraft durch die mechanische Lagerung oder eine entsprechende Gestaltung der Anströmfläche des Ventilkörpers 55 in die zweite, geöffnete Stellung bewegen. Vorteilhafterweise ist das Gehäuse oder sind das Gehäuse und der Ventilkörper 55 so ausgebildet, dass bei einem hohen Druck eine hohe Freigabekraft notwendig ist, die von dem Aktuator 60 aufgebracht werden muss.
Mit dem mechanischen Design der Widerstandseinrichtung 30 in Verbindung mit dem Steuerungskonzept der Steuerungseinrichtung 50 ist es möglich, mit einem Minimum an Sensorsignalen zur Steuerung einer Flexionsfreigabe und/oder einer Extensionsfreigabe auszukommen. Dies kann beispielsweise über einen einzelnen Raumlagesensor 40 oder eine IMU eine Information über eine Schwungphasenfreigabe an die Steuerungseinrichtung 70 gesendet werden, über die normalerweise eine Aktivierung des Aktuators 60 und eine darauf folgende Freigabe des Schaltventils 50 erfolgen würde. Liegt jedoch, beispielsweise aufgrund einer unvorhergesehenen Beugebelastung, eine ausreichend große Druckkraftkomponente senkrecht zu der Verlagerungsrichtung des Ventilkörpers 55 an, erhöht sich die notwendige Freigabekraft aufgrund des mechanischen Designs, sodass die Freigabe nicht erfolgen kann. Erst wenn die Druckkraft aus der Flexionskammer 32 nachlässt, kann das Schaltventil 50 geöffnet werden, sodass sich der Bypass für das herkömmliche Drosselventil 51 öffnet und der hydraulische Widerstand verringert wird. Eine Extensionsbewegung ist bei den oben aufgeführten Rücklauf-Schaltungen aufgrund der Rückschlagventile immer möglich. Grundsätzlich ist es somit möglich, ausschließlich mit einer IMU eine zulässige und insbesondere sichere Steuerung eines künstlichen Kniegelenkes zu ermöglichen. Insbesondere ist eine ungewollte Auslösung einer Flexionsbewegung vermieden.
In der Figur 8 ist die an Lenkung eines Schaltventils über einen rotatorischen Antrieb 60 mit einem Hebelgetriebe dargestellt. Der Drehantrieb 60 oder rotatorischen Antrieb kann als Motor oder als drehende Komponente einer einem Motor nachgelagerten Getriebeeinrichtung ausgebildet sein. Über einen Hebel 90, der schwenkbar sowohl an dem Drehantrieb 60 als auch an dem linearen Schaltventil 50 gelagert oder befestigt ist, kann nach Art eines Pleuels die Verstellung des Ventils 50 bewirkt werden.
Alternativ kann ein linear betätigtes Schaltventil auch direkt über einen linearen Antrieb betätigt werden. Hierbei kann über eine optionale Hebelmechanik eine Übersetzung realisiert werden. In der Figur 9 ist die kinematische Umkehr der Figur 8 dargestellt, bei der ein Linearantrieb 60 vorhanden ist, der über einen Hebel 90 entsprechend der Anordnung der Figur 8 mit einem als Drehventil ausgebildeten Schaltventil 50 gekoppelt ist. Die jeweilige Strömungsrichtung und Anströmung des Hydraulikfluids ist durch die Pfeile dargestellt.
Alternativ kann ein als Drehventil ausgeführtes Schaltventil auch über einen rotatorischen Aktuator betätigt werden. Neben einem direkten Antrieb kann die Betätigung auch über ein Getriebe mit passender Übersetzung, einen Lenkermechanismus oder einen Kombination dieser Komponenten erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Künstliches Kniegelenk mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20), die schwenkbar um eine Schwenkachse (12) aneinander gelagert sind, mit einer hydraulischen Widerstandseinrichtung (30) zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20), über die ein Widerstand gegen eine Schwenkbewegung bereitgestellt wird, die Widerstandseinrichtung (30) weist ein Schaltventil (50) in einer Hydraulikleitung (37) auf, das Schaltventil (50) weist einen in einer Verlagerungsrichtung verlagerbaren Ventilkörper auf, der in einer ersten Stellung die Hydraulikleitung (37) blockiert oder teilweise verschließt und in einer zweiten Stellung die Hydraulikleitung (37) freigibt und dergestalt ausgebildet oder angeordnet ist, dass eine senkrecht zu der Verlagerungsrichtung durch das Hydraulikfluid auf den Ventilkörper (55) wirkende Druckkraftkomponente eine einer Verlagerung des Ventilkörpers (55) entgegenwirkende Haltekraft erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventilkörper (55) ein Aktuator (60) zur Ausübung einer Freigabekraft zugeordnet ist, der den Ventilkörper (55) aus der ersten in die zweite Stellung bewegt, dass der Aktuator (60) mit einer Steuerungseinrichtung (70) gekoppelt ist, die mit einem Sensor zur Erfassung von Zustandsdaten verbunden ist und den Aktuator (60) auf der Grundlage der Zustandsdaten aktiviert und dass die Freigabekraft geringer als die Haltekraft bei einer vorgegebenen Druckkraft eingestellt ist.
2. Künstliches Kniegelenk nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (60) als Motor oder Elektromagnet ausgebildet ist.
3. Künstliches Kniegelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventilkörper (55) ein der Freigabekraft entgegenwirkender Kraftspeicher (56) und/oder ein Magnet zugeordnet ist.
4. Künstliches Kniegelenk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement/der Kraftspeicher verstellbar/einstellbar ausgebildet ist.
5. Künstliches Kniegelenk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Aktuator (60) aufbringbare Freigabekraft einstellbar ist.
6. Künstliches Kniegelenk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aktuator (60) und dem Ventilkörper (55) ein Getriebe, insbesondere verstellbares Getriebe, ein Hebelmechanismus oder eine Lenkerkombination angeordnet ist.
7. Künstliches Kniegelenk nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Widerstandseinrichtung (30) eine Hydraulikkammer (35) mit einem darin angeordneten Kolben (34) aufweist, der die Hydraulikkammer (35) in eine Extensionskammer (31 ) und eine Flexionskammer (32) unterteilt, die über die Hydraulikleitung (37) in strömungstechnischer Verbindung miteinander stehen, wobei zumindest eine Kammer (31 , 32) ein Rückschlagventil (52) mit einem parallel dazu geschalteten Drosselventil (51 ) zugeordnet ist.
8. Künstliches Kniegelenk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (50) parallel zu dem Drosselventil (51 ) geschaltet ist.
9. Künstliches Kniegelenk nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hydraulikkammer (31 , 32) ein Rückschlagventil (52) zugeordnet ist und die Rückschlagventile (52) gegenläufig wirksam angeordnet sind.
10. Künstliches Kniegelenk nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (41 , 41a) zur Erfassung der Strömungsrichtung und/oder zur Erfassung des Druckes vorgesehen ist.
11 . Künstliches Kniegelenk nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schaltventil (50) ein Drosselventil (51 ) strömungstechnisch vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.
12. Künstliches Kniegelenk nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselventile (51 ) einstellbar sind.
13. Künstliches Kniegelenk nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Drosselventil (51 ) ein zu dem ersten Rückschlagventil (52) parallel geschaltetes, dem Drosselventil (51 ) in Strömungsrichtung vor- oder nachgeschaltetes zweites, dem ersten Rückschlagventil (52) gegenläufig wirksames Rückschlagventil (52) zugeordnet ist, dem ein Statussensor (41 ) zugeordnet ist.
14. Künstliches Kniegelenk nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kolben (34) zumindest ein Überlastventil (36) angeordnet ist, das in einem Verbindungskanal (341 ) angeordnet ist , der die Flexionskammer (32) mit der Extensionskammer (31 ) verbindet.
15. Künstliches Kniegelenk nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Rückschlagventil (52) ein Sensor (41 ) zur Statuserfassung des Rückschlagventils (52) zugeordnet ist.
16. Verfahren zur Steuerung eines künstlichen Kniegelenkes nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand in Abhängigkeit von der Raumorientierung des Unterteils (20) und/oder des Oberteils (10) verändert wird, die während der Benutzung des künstlichen Kniegelenkes über den Inertialwinkelsensor (40) ermittelt wird, wobei der ermittelte Raumwinkel mit zumindest einem Schwellwert verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellwertes der Aktuator (60) aktiviert oder deaktiviert wird.
17. Verfahren zur Steuerung eines künstlichen Kniegelenkes nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand in Abhängigkeit von Änderungen der Raumorientierung des Unterteils (20) und/oder des Oberteils (10) verändert wird, die während der Benutzung des künstlichen Kniegelenkes über den Inertialwinkelsensor (40) ermittelt werden, wobei die ermittelte Änderungsrate mit zumindest einem Schwellwert verglichen und bei Erreichen oder Überschreiten des Schwellwertes der Aktuator (60) aktiviert oder deaktiviert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach Aktivierung des Aktuators (60) eingeleitete Beugung eines künstlichen Kniegelenks aufgrund der strömungstechnischen Eigenschaften des Schaltventils (50) bis zur natürlichen Bewegungsumkehr des Kniegelenks ungehindert ausgeführt werden kann.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine nach Aktivierung des Aktuators (60) die Beugung eines künstlichen Kniegelenks aufgrund der Eigenschaften des Schaltventils (50) nur eingeleitet werden kann, wenn das Beugemoment zum Zeitpunkt der Aktivierung des Aktuators (60) einen definierten Schwellwert nicht übersteigt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert negativ ist, was einem Extensionsmoment am künstlichen Kniegelenk entspricht.
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