DE102023120962A1 - Orthopaedic joint device and method for its control - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil die um eine Schwenkachse verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind und zumindest einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist, die Widerstandseinrichtung ist zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil eingerichtet, wobei ein motorischer Antrieb und zumindest ein Kraftspeicher zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet sind, die ausgebildet und eingerichtet sind, eine Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern.The invention relates to an orthopedic joint device with an upper part and a lower part which are mounted on one another so as to be pivotable relative to one another about a pivot axis and at least one resistance device which is arranged between the upper part and the lower part. The resistance device is designed to influence a pivoting or pivotability of the upper part relative to the lower part, wherein a motor drive and at least one energy accumulator are arranged between the upper part and the lower part, which are designed and arranged to effect, support or hinder a pivoting or pivotability of the upper part relative to the lower part.
Description
Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind und zumindest einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist, die Widerstandseinrichtung ist zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil eingerichtet. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung einer solchen orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung.The invention relates to an orthopedic joint device with an upper part and a lower part, which are mounted on one another so as to be pivotable about a pivot axis, and at least one resistance device which is arranged between the upper part and the lower part. The resistance device is designed to influence a pivoting or pivotability of the upper part relative to the lower part. The invention also relates to a method for controlling such an orthopedic joint device.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen sind insbesondere Orthesen, Exoskelette oder Prothesen, die ein Oberteil und ein gelenkig daran gelagertes Unterteil aufweisen. Bei Orthesen und Exoskeletten werden das Oberteil und das Unterteil an einer noch vorhandenen Gliedmaße festgelegt, beispielsweise durch Schalen, Gurte, Riemen, Manschetten oder andere Befestigungseinrichtungen. Über Orthesen und Exoskelette können Bewegungen geführt, Verschwenkungen um eine Schwenkachse begrenzt, Verschwenkbewegungen verhindert oder eine Ausrichtung von Gliedmaßen zueinander unterstützt oder festgelegt werden. Darüber hinaus können Orthesen mit Widerstandseinrichtungen versehen sein, um eine Verschwenkbewegung um die Schwenkachse zu beeinflussen. Die Widerstandseinrichtungen können mit einer Steuerung versehen sein, sodass in Abhängigkeit von Sensordaten ein veränderter Widerstand in Flexionsrichtung und/oder Extensionsrichtung bereitgestellt werden kann. Ebenfalls ist es bekannt, Kraftspeicher dem Oberteil bzw. dem Unterteil zuzuordnen, sodass eine Bewegungsunterstützung über eine Freigabe der gespeicherten Energie aus dem Kraftspeicher erfolgen kann.Orthopedic joint devices are in particular orthoses, exoskeletons or prostheses that have an upper part and a lower part that is articulated to it. In orthoses and exoskeletons, the upper part and the lower part are attached to a limb that is still present, for example by means of shells, belts, straps, cuffs or other fastening devices. Orthoses and exoskeletons can be used to guide movements, limit pivoting around a pivot axis, prevent pivoting movements or support or fix the alignment of limbs with respect to one another. In addition, orthoses can be provided with resistance devices to influence a pivoting movement around the pivot axis. The resistance devices can be provided with a control system so that a changed resistance in the flexion direction and/or extension direction can be provided depending on sensor data. It is also known to assign energy storage devices to the upper part or the lower part so that movement support can be provided by releasing the stored energy from the energy storage device.
Prothesen ersetzen eine nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gliedmaße und dienen zur Bereitstellung einer Funktionalität, die der Funktionalität der natürlichen Gliedmaße möglichst angenähert ist. Darüber hinaus dienen Prothesen dazu, ein möglichst natürliches Erscheinungsbild für den Prothesennutzer bereitzustellen. Ein Prothesenoberteil ist beispielsweise als ein Prothesenschaft oder als eine an einem Prothesenschaft befestigte Komponente ausgebildet, bei der der Prothesenschaft zur Festlegung an einer Gliedmaße oder einem Gliedmaßenstumpf dient. Das Prothesengelenk, beispielsweise ein Prothesenkniegelenk, ein Prothesenknöchelgelenk oder ein Prothesenellenbogengelenk, verbindet das Oberteil mit einem Unterteil, das wiederum weitere prothetische Komponenten aufweisen kann, beispielsweise ein Unterschenkelrohr, einen Prothesenfuß oder eine Prothesenhand.Prostheses replace a missing or no longer existing limb and are used to provide functionality that is as close as possible to the functionality of the natural limb. In addition, prostheses are used to provide the most natural appearance possible for the prosthetic user. For example, a prosthetic upper part is designed as a prosthetic shaft or as a component attached to a prosthetic shaft, where the prosthetic shaft is used to attach it to a limb or a limb stump. The prosthetic joint, for example a prosthetic knee joint, a prosthetic ankle joint or a prosthetic elbow joint, connects the upper part to a lower part, which in turn can have further prosthetic components, for example a lower leg tube, a prosthetic foot or a prosthetic hand.
Insbesondere bei Orthesen, Exoskeletten und Prothesen der unteren Extremität, aber auch der oberen Extremität, sind zwischen dem Oberteil und dem Unterteil Dämpfer, insbesondere hydraulische Dämpfer oder andere Widerstandseinrichtungen angeordnet, die auf Grundlage von Sensordaten unterschiedliche Widerstände in einzelnen Zuständen oder Bewegungssituationen bereitstellen. Solche Widerstandseinrichtungen sind häufig als Linearaktuatoren ausgebildet, die einen definierten Widerstand gegen eine Flexionsbewegung und/oder Extensionsbewegung bereitstellen. Der Widerstand wird durch eine Veränderung der Stellung von Ventilen verändert. Bei der Verringerung des Strömungsquerschnittes erhöht sich der entsprechende Widerstand gegen eine Bewegung. Passiv gedämpfte, insbesondere passiv hydraulisch gedämpfte Prothesen oder Orthesen arbeiten rein dissipativ. Dabei wird der Bewegung des Oberteils relativ zu dem Unterteil Energie entnommen, wobei sehr hohe Momente bzw. Kräfte erzeugt werden können. Gleichzeitig weist eine passive Dämpfung in einem geöffneten Zustand, wenn beispielsweise keine Ventile geschlossen oder Drosseln aktiviert sind, nur einen sehr geringen Widerstand auf. Der Arbeitsbereich einer solchen Orthese oder Prothese ist dahingehend eingeschränkt, dass keine Energie in die Bewegung geleitet werden kann, um diese zu unterstützen oder der Bewegung aktiv entgegen zu wirken oder aber aus einem statischen Zustand einer Veränderung vorzunehmen.Particularly in the case of orthoses, exoskeletons and prostheses of the lower extremities, but also of the upper extremities, dampers, in particular hydraulic dampers or other resistance devices, are arranged between the upper part and the lower part, which provide different resistances in individual states or movement situations based on sensor data. Such resistance devices are often designed as linear actuators that provide a defined resistance to a flexion movement and/or extension movement. The resistance is changed by changing the position of valves. When the flow cross-section is reduced, the corresponding resistance to a movement increases. Passively damped, in particular passively hydraulically damped prostheses or orthoses work purely dissipatively. Energy is taken from the movement of the upper part relative to the lower part, whereby very high moments or forces can be generated. At the same time, passive damping in an open state, for example when no valves are closed or throttles are activated, has only a very low resistance. The working range of such an orthosis or prosthesis is limited in that no energy can be directed into the movement in order to support it or actively counteract the movement or to make a change from a static state.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Orthesen, Exoskelette und Prothesen mit motorischen Antrieben bekannt, sogenannte aktive Orthesen oder Prothesen, bei denen eine Bewegung durch Aktivierung, Deaktivierung oder Modulierung des Antriebes eingeleitet, unterstützt oder abgebremst wird. Dazu wird gespeicherte elektrische Energie aus einer Batterie oder einem Akkumulator in dem Aktuator umgewandelt. Die motorischen Antriebe dienen ebenfalls dazu, im Rahmen einer Generatorschaltung das Bewegungsverhalten zwischen den Komponenten der Orthese oder Prothese zu beeinflussen, beispielsweise um eine Verschwenkbewegung abzubremsen und dabei den Energiespeicher aufzuladen oder zu unterstützen. Eine Abbremsung kann auch im Kurzschlussbetrieb erreicht werden. Bei dieser Betriebsart wird die aus der Bewegung entnommene Energie innerhalb des Antriebes in Wärme umgewandelt. Die maximal erreichbaren Momente bzw. Kräfte, die durch einen motorischen Antrieb erreicht werden können, sind limitiert.In addition, orthoses, exoskeletons and prostheses with motor drives are known from the state of the art, so-called active orthoses or prostheses, in which a movement is initiated, supported or braked by activating, deactivating or modulating the drive. For this purpose, stored electrical energy from a battery or accumulator is converted in the actuator. The motor drives also serve to influence the movement behavior between the components of the orthosis or prosthesis as part of a generator circuit, for example to brake a pivoting movement and thereby charge or support the energy storage device. Braking can also be achieved in short-circuit operation. In this operating mode, the energy taken from the movement is converted into heat within the drive. The maximum achievable moments or forces that can be achieved by a motor drive are limited.
Die
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In dem Artikel „
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung und ein Verfahren zu deren Steuerung bereitzustellen, mit denen die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung zuverlässig und mit einem geringen Gewicht über einen möglichst großen Arbeitsbereich betrieben werden kann.The object of the present invention is to provide an orthopedic joint device and a method for controlling it, with which the orthopedic joint device can be operated reliably and with a low weight over the largest possible working range.
Diese Aufgabe wird durch eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches und ein Verfahren zur Steuerung einer solchen orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.This object is achieved by an orthopedic joint device having the features of the main claim and a method for controlling such an orthopedic joint device having the features of the independent claim. Advantageous embodiments and further developments of the invention are disclosed in the subclaims, the description and the figures.
Die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind, und mit zumindest einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist, wobei die Widerstandseinrichtung zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil eingerichtet ist, weist zudem auf, dass ein motorischer Antrieb und zumindest ein Kraftspeicher zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet sind, die ausgebildet und eingerichtet sind, eine Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern. Während die Widerstandseinrichtung, insbesondere ein hydraulischer Dämpfer, eine Pneumatik, eine Reibungsbremse, eine magnetorheologische Widerstandseinrichtung und/oder ein Sperrmechanismus, zwischen dem Oberteil und dem Unterteil bei einem vergleichsweise kleinen Gewicht ein hohes Maß an Bewegungsenergie dissipieren kann bzw. einfach eine Relativbewegung zwischen dem Oberteil und Unterteil sperrt, indem z.B. die strömungstechnische Verbindung zwischen den Kammern gesperrt wird, ist es mit dem motorischen Antrieb oder dem Kraftspeicher möglich, ein antreibendes oder bremsendes Moment um die Schwenkachse aktiv aufzubringen. Der motorische Antrieb ist beispielsweise als ein Elektromotor ausgebildet und gegebenenfalls über ein Getriebe mit dem Oberteil und dem Unterteil gekoppelt. Das Getriebe kann beispielsweise als ein Spindelgetriebe, Zahnradgetriebe, Hebelgetriebe, Seilgetriebe, Reibradgetriebe oder in einer anderen Getriebeform ausgebildet sein. Soll eine bereits bestehende Bewegung unterstützt werden, wird der Widerstand durch die Widerstandseinrichtung nach Möglichkeit auf den für die Widerstandseinrichtung spezifischen minimalen Wert, z.B. 0, reduziert, sodass der Antrieb nur das Moment zur Überwindung des Restwiderstandes oder der inneren Reibung und zum Beschleunigen des Unterteils relativ zu dem Oberteil aufbringen muss. Für den Fall, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung an einer Orthese ausgebildet ist, wird die jeweilige Gliedmaße mit dem Oberteil bzw. Unterteil mitbewegt. Zusätzlich ist ein Kraftspeicher vorhanden, in dem sonst dissipierte Bewegungsenergie als potentielle Energie gespeichert werden kann, insbesondere um Belastungsspitzen bedienen zu können. Motorische Antriebe können nur eine begrenzte Drehzahl oder Lineargeschwindigkeit erreichen. Je nach Auslegung liegt diese Grenze unter der maximalen Bewegungsgeschwindigkeit des Kraftspeichers. Während motorische Antriebe vergleichsweise langsam arbeiten, kann ein Kraftspeicher dergestalt freigegeben werden, dass die gewünschte Energiemenge zum gewünschten Zeitpunkt der Gelenkeinrichtung kurzfristig zugeführt wird, um ein antreibendes oder bremsendes Moment um die Schwenkachse bereitzustellen. Durch die Kombination zumindest einer Widerstandseinrichtung mit zumindest einem Antrieb und zumindest einem Kraftspeicher kann der Bauraum für den aktiven Antrieb klein bemessen werden, da der Kraftspeicher und die Widerstandseinrichtung die strukturellen Schwächen eines elektrischen Antriebes ausgleichen. Der Betriebsbereich der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung wird insgesamt erweitert und der Antrieb benötigt weniger Energie, sodass die Versorgungskomponenten des Antriebes, insbesondere die Energiespeicher, kleiner und leichter ausgeführt werden können. Auch die mechanischen Belastungen auf die Antriebskomponenten werden durch die Aufnahme von Kräften und Momenten über die Widerstandseinrichtung und gegebenenfalls den Kraftspeicher verringert, wodurch die Haltbarkeit des Systems insgesamt verbessert wird.The orthopedic joint device with an upper part and a lower part, which are mounted on one another so as to be pivotable relative to one another about a pivot axis, and with at least one resistance device which is arranged between the upper part and the lower part, wherein the resistance device is designed to influence a pivoting or pivotability of the upper part relative to the lower part, additionally has that a motor drive and at least one energy accumulator are arranged between the upper part and the lower part, which are designed and configured to cause, support or hinder a pivoting of the upper part relative to the lower part. While the resistance device, in particular a hydraulic damper, a pneumatic system, a friction brake, a magnetorheological resistance device and/or a locking mechanism, can dissipate a high degree of kinetic energy between the upper part and the lower part with a comparatively low weight or simply blocks a relative movement between the upper part and the lower part, for example by blocking the fluidic connection between the chambers, it is possible to actively apply a driving or braking moment about the pivot axis using the motor drive or the energy storage device. The motor drive is designed, for example, as an electric motor and is optionally coupled to the upper part and the lower part via a gear. The gear can be designed, for example, as a spindle gear, gear transmission, lever gear, cable gear, friction gear or in another gear form. If an existing movement is to be supported, the resistance by the resistance device is reduced to the minimum value specific to the resistance device, e.g. 0, if possible, so that the drive only has to apply the torque to overcome the residual resistance or the internal friction and to accelerate the lower part relative to the upper part. In the event that the orthopaedic joint device is designed on an orthosis, the respective limb is connected to the upper part or lower part with moved. In addition, there is a power storage device in which otherwise dissipated kinetic energy can be stored as potential energy, in particular in order to be able to handle peak loads. Motor drives can only reach a limited speed or linear speed. Depending on the design, this limit is below the maximum movement speed of the power storage device. While motor drives work comparatively slowly, a power storage device can be released in such a way that the desired amount of energy is supplied to the joint device at short notice at the desired time in order to provide a driving or braking moment about the pivot axis. By combining at least one resistance device with at least one drive and at least one power storage device, the installation space for the active drive can be kept small, since the power storage device and the resistance device compensate for the structural weaknesses of an electric drive. The operating range of the orthopedic joint device is expanded overall and the drive requires less energy, so that the supply components of the drive, in particular the energy storage devices, can be made smaller and lighter. The mechanical loads on the drive components are also reduced by the absorption of forces and moments via the resistance device and, if necessary, the force storage device, thereby improving the durability of the system as a whole.
In einer Weiterbildung sind die zumindest eine Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher einstellbar ausgebildet, insbesondere in Abhängigkeit von aktuellen Belastungsgrößen, Zuständen oder zu erwartenden Bewegungsabläufen, die insbesondere über Sensoren ermittelt werden. Die von den Sensoren ermittelten Sensorwerte werden einer Steuerung zugeführt und darin ausgewertet. Auf der Grundlage der Auswertung werden die Einstellungen innerhalb der Widerstandseinrichtung und/oder des Kraftspeichers verändert, z.B. die der Ventile oder Drosseln des hydraulischen Dampfers, der Anpressdruck der Bremseinrichtung, das Magnetfeld der magnetorheologischen Einrichtung und dergleichen. Die Veränderung des Bewegungswiderstandes eines hydraulischen oder pneumatischen Dämpfers kann über Schaltventile oder Proportionalventile erfolgen. Ebenso kann auf der Grundlage der Sensorwerte und deren Auswertung das Einspeichern von Energie oder das Abgeben von Energie aus dem Kraftspeicher veranlasst werden. Der Kraftspeicher ist insbesondere sperrbar, z.B. um eine Aufladung des Kraftspeichers sukzessiv betreiben und die gespeicherte Energie zu dem gewünschten Zeitpunkt abrufen zu können.In a further development, the at least one resistance device and/or the energy storage device are adjustable, in particular depending on current load variables, conditions or expected movement sequences, which are determined in particular via sensors. The sensor values determined by the sensors are fed to a control system and evaluated therein. Based on the evaluation, the settings within the resistance device and/or the energy storage device are changed, e.g. those of the valves or throttles of the hydraulic damper, the contact pressure of the braking device, the magnetic field of the magnetorheological device and the like. The movement resistance of a hydraulic or pneumatic damper can be changed via switching valves or proportional valves. Likewise, the storage of energy or the release of energy from the energy storage device can be initiated on the basis of the sensor values and their evaluation. The energy storage device can in particular be locked, e.g. in order to charge the energy storage device successively and to be able to retrieve the stored energy at the desired time.
In einer Ausgestaltung weist die Widerstandseinrichtung ein Gehäuse mit einem Zylinder auf, in dem ein Kolben verlagerbar gelagert ist und den Zylinder in zwei Kammern unterteilt, zwischen denen zumindest eine strömungstechnische Verbindung ausgebildet ist, in der zumindest ein verstellbares Ventil angeordnet ist, das als Schaltventil mit zumindest zwei Schaltstellungen ausgebildet ist, wobei zumindest eine Schaltstellung eine teilweise geöffnete Schaltstellung ist. Eine teilweise geöffnete Schaltstellung ist insbesondere eine Schaltstellung, die von einer vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Schaltstellung abweicht, wobei eine vollständig geöffnete oder geschlossene Schaltstellung die zweite Schaltstellung sein kann. Die zwei Schaltstellungen können auch die vollständig geöffnete und die vollständig geschlossene Schaltstellung sein. Bei rein passiven orthopädietechnischen Gelenkeinrichtungen erfolgt eine Beeinflussung der Relativbewegung von Oberteil und Unterteil über die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie. Um die Beeinflussung an das jeweilige Bewegungsverhalten oder Bewegungsmuster anpassen zu können, ist eine Ausgestaltung des Ventils als Proportionalventil und eine vergleichsweise aufwändige Steuerung mit einem Stellmotor für jedes Ventil notwendig. Aktive orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen mit einem Motor zur alleinigen Beeinflussung der Relativbewegung benötigen einen großen Motor oder große Getriebe, um die auftretenden Kräfte vollständig und allein aufnehmen zu können. Mit der beanspruchten orthopädietechnischen Einrichtung ist es möglich, den komplexen Aufbau rein passiver Widerstandseinrichtungen oder rein aktiver Aktuatoren für orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen wesentlich einfacher zu gestalten, ohne dabei die Möglichkeit einzubüßen, fein und angepasst auf die jeweiligen Bewegungssituationen oder Zustände reagieren zu können. Die Schaltventile schalten zwischen mehreren diskreten Zuständen um, zumindest zwischen zwei Schaltstellungen, beispielsweise komplett geöffnet oder komplett gesperrt und in eine teilweise geöffnete bzw. teilweise geschlossene Schaltstellung. Dies geschieht beispielsweise durch Verschieben oder einfaches Umschalten zwischen den jeweiligen Stellungen, beispielsweise durch Aktivieren einer Spule, ohne dass Motoren aktiviert werden müssten. Somit ist es möglich, in einer komplett geschlossenen Stellung die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung gegen eine Flexion und Extension zu sperren und in einer teilweise geöffneten Schaltstellung einen Bewegungswiderstand einzustellen, der häufig benötigt wird. Damit um diesen Verschwenkungswiderstand herum eine Modifikation des entsprechenden Widerstandes erfolgen kann, ist ein motorischer Antrieb der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zugeordnet oder daran angeschlossen, um die Verschwenkbewegung zu beeinflussen. Der motorische Antrieb kann zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Zuständen oder Stellungen zugeschaltet werden, entweder als Antrieb, um zusätzliche Energie in die Bewegung einzubringen, oder als Bremse, um Bewegungsenergie in Wärmeenergie oder elektrische Energie bei einem Generatorbetrieb umzuwandeln. Wird der motorische Antrieb als Antrieb zugeschaltet, kann die vorhandene Bewegung unterstützt oder der Bewegung entgegengesetzt eingesetzt werden, ebenso ist es möglich, eine der Komponenten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung aus einem statischen Zustand heraus zu bewegen. In jedem Fall wird in dem Gelenk ein zusätzliches Moment erzeugt, entweder ein antreibendes oder ein bremsendes bzw. dämpfendes Moment. Mit dem motorischen Antrieb kann die Feineinstellung des Widerstandsverhaltens oder Dämpfungsverhaltens der Widerstandseinrichtung, insbesondere in einer Ausgestaltung als Hydraulikdämpfer, die als Lineardämpfer oder Rotationsdämpfer ausgebildet sein kann, erfolgen.In one embodiment, the resistance device has a housing with a cylinder in which a piston is displaceably mounted and divides the cylinder into two chambers, between which at least one fluidic connection is formed, in which at least one adjustable valve is arranged, which is designed as a switching valve with at least two switching positions, wherein at least one switching position is a partially open switching position. A partially open switching position is in particular a switching position that deviates from a fully open or fully closed switching position, wherein a fully open or closed switching position can be the second switching position. The two switching positions can also be the fully open and the fully closed switching position. In purely passive orthopedic joint devices, the relative movement of the upper part and lower part is influenced by converting kinetic energy into thermal energy. In order to be able to adapt the influence to the respective movement behavior or movement pattern, the valve must be designed as a proportional valve and a comparatively complex control with a servomotor for each valve is necessary. Active orthopedic joint devices with a motor to solely influence the relative movement require a large motor or large gears in order to be able to fully and independently absorb the forces that occur. With the orthopedic device claimed, it is possible to make the complex structure of purely passive resistance devices or purely active actuators for orthopedic joint devices much simpler, without losing the ability to react finely and appropriately to the respective movement situations or conditions. The switching valves switch between several discrete states, at least between two switching positions, for example completely open or completely locked and a partially open or partially closed switching position. This is done, for example, by moving or simply switching between the respective positions, for example by activating a coil, without having to activate motors. This makes it possible to lock the orthopedic joint device against flexion and extension in a completely closed position and to set a movement resistance that is often required in a partially open switching position. In order to be able to modify the corresponding resistance around this swivel resistance, a motor drive is assigned to the orthopaedic joint device or connected to it in order to influence the swivel movement. The motor drive can be activated at certain times or be switched on in certain states or positions, either as a drive to introduce additional energy into the movement, or as a brake to convert kinetic energy into heat energy or electrical energy in generator operation. If the motor drive is switched on as a drive, the existing movement can be supported or used to counteract the movement; it is also possible to move one of the components of the orthopaedic joint device from a static state. In any case, an additional moment is generated in the joint, either a driving or a braking or damping moment. The motor drive can be used to fine-tune the resistance behavior or damping behavior of the resistance device, particularly in a design as a hydraulic damper, which can be designed as a linear damper or a rotary damper.
In einer Ausgestaltung ist das Ventil als Mehrwege-Ventil mit einer geschlossenen Schaltstellung, einer geöffneten Schaltstellung und zumindest einer teilweise geöffneten Schaltstellung ausgebildet. In einer Ausgestaltung des Mehrwege-Ventils als 3-Wege-Ventil kann in der geöffneten Schaltstellung der Hydraulikdämpfer im Wesentlichen ohne Dämpfung bei einer Verschwenkung mitbewegt werden, sodass ein zu vernachlässigendes Widerstandsmoment in dem Gelenk erzeugt wird. In dieser Schaltstellung wird die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung als ein aktives Gelenk betrieben, wenn der Aktuator aktiviert wird, um ein Moment in dem Gelenk auszuüben, entweder als Antrieb oder als Bremse. In der vollständig gesperrten Schaltstellung ist eine Relativverlagerung von Oberteil zu Unterteil nicht möglich. In der teilweise geöffneten Schaltstellung, die hinsichtlich des Öffnungsgrades einstellbar sein kann, wirkt der Aktuator bei einem entsprechenden Betrieb dem Widerstand durch die Widerstandseinrichtung entgegen oder unterstützt diese.In one embodiment, the valve is designed as a multi-way valve with a closed switching position, an open switching position and at least one partially open switching position. In one embodiment of the multi-way valve as a 3-way valve, in the open switching position the hydraulic damper can be moved along with a pivoting movement essentially without damping, so that a negligible resistance moment is generated in the joint. In this switching position, the orthopedic joint device is operated as an active joint when the actuator is activated to exert a moment in the joint, either as a drive or as a brake. In the completely locked switching position, a relative displacement from the upper part to the lower part is not possible. In the partially open switching position, which can be adjustable with regard to the degree of opening, the actuator counteracts the resistance from the resistance device or supports it when operated accordingly.
In einer Ausgestaltung ist die teilweise geöffnete Schaltstellung um einen gewissen Prozentsatz gegenüber der vollständig geöffneten Schaltstellung hinsichtlich des Strömungsquerschnittes verringert, sodass eine voreingestellte Ausgangsdämpfung zwischen einem vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Zustand vorhanden ist, also größer der minimalen Dämpfung im vollständig geöffnetem Zustand und kleiner der maximalen Dämpfung im geschlossenen Zustand, resultiert. vorhanden ist. Um diese Stellung herum wird dann das Bewegungsverhalten über den Aktuator verändert. Der zusätzliche Antrieb ermöglicht es durch nun, den im Prothesengelenk oder Orthesengelenk voreingestellten Bewegungswiderstand zu beeinflussen. Der Widerstand kann in der Art beeinflusst werden, dass er in einem gewissen Bereich, mittels entsprechender Ansteuerung des Antriebes, abgeschwächt oder verstärkt werden kann. Ebenso kann der Verlauf des Widerstandes über Zeit, Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung eine Komponente oder Gliedmaße des Patienten angepasst werden. Der Strömungsquerschnitt ist an die jeweilige Anwendungsform oder den jeweiligen Nutzer anpassbar. Wenn beispielsweise die Erfahrung zeigt, dass sehr häufig ein bestimmtes Dämpfungsmoment oder eine bestimmte Dämpferkraft aufgebracht werden muss, beispielsweise eine bestimmte hohe Dämpfung gegen eine Flexion bei einem künstlichen Kniegelenk, kann eine entsprechende Verringerung des Strömungsquerschnittes für die teilweise geöffnete Schaltstellung vorgesehen werden. Sind überwiegend geringe Dämpfungen oder Widerstände durch die Widerstandseinrichtung, insbesondere in Gestalt eines Hydraulikdämpfers aufzubringen, ist es sinnvoll, den Strömungsquerschnitt entsprechend zu vergrößern und auf denjenigen Wert einzustellen, der voraussichtlich am häufigsten genutzt wird.In one embodiment, the partially open switch position is reduced by a certain percentage compared to the fully open switch position in terms of the flow cross-section, so that a preset output damping is present between a fully open and fully closed state, i.e. greater than the minimum damping in the fully open state and smaller than the maximum damping in the closed state. is present. The movement behavior is then changed around this position via the actuator. The additional drive now makes it possible to influence the preset movement resistance in the prosthetic joint or orthotic joint. The resistance can be influenced in such a way that it can be weakened or increased within a certain range by means of appropriate control of the drive. Likewise, the course of the resistance over time, position, speed or acceleration of a component or limb of the patient can be adapted. The flow cross-section can be adapted to the respective application form or the respective user. If, for example, experience shows that a certain damping moment or a certain damping force must be applied very frequently, for example a certain high level of damping against flexion in an artificial knee joint, a corresponding reduction in the flow cross-section can be provided for the partially open switching position. If predominantly low levels of damping or resistance are to be applied by the resistance device, particularly in the form of a hydraulic damper, it is sensible to increase the flow cross-section accordingly and set it to the value that is likely to be used most frequently.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Antrieb oder Motor parallel zu einem System aus einer oder mehreren passiven Widerstandseinrichtungen angeordnet. Weiterhin kann dieses System auch über einen oder mehrerer Kraftspeicher verfügen, die parallel oder in Serie zur Widerstandseinrichtung wirken. Der jeweilige Kraftspeicher kann über einen Einstellmechanismus verfügen, um die Charakteristik des Kraftspeichers zu beeinflussen. Zumindest eine der mehreren Widerstandseinrichtungen verfügt über einen Einstellmechanismus, um den Widerstand einzustellen. Dieser Mechanismus kann über einen Aktuator verstellt werden. Der Aktuator kann auf der Grundlage von Sensorwerten automatisch verstellt werden. Mit dem genannten System lassen sich verschiedene vorteilhafte Varianten zur Ansteuerung des Antriebes oder Motors realisieren.In a further embodiment, the drive or motor is arranged in parallel to a system of one or more passive resistance devices. Furthermore, this system can also have one or more energy storage devices that act in parallel or in series with the resistance device. The respective energy storage device can have an adjustment mechanism to influence the characteristics of the energy storage device. At least one of the several resistance devices has an adjustment mechanism to adjust the resistance. This mechanism can be adjusted via an actuator. The actuator can be adjusted automatically based on sensor values. Various advantageous variants for controlling the drive or motor can be implemented using the system mentioned.
Eine einstellbare Widerstandseinrichtung verfügt beispielsweise über einen Einstellmechanismus, der die Zeitdauer T1 benötigt, um den resultierenden Widerstand im Gelenk auf einen gewünschten Wert zu erhöhen oder zu verringern. Die Zeitspanne T1 ist größer der Zeitspanne T2, in der der entsprechende Widerstand eingestellt sein soll, um das gewünschte Verhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu erreichen. Das Ansprechverhalten des Antriebes T3, um einen Widerstand aufzubringen, ist deutlich schneller als T1 und somit ist T3 kleiner als T1. Um sich im Gesamtverhalten der Dauer T2 anzunähern, kann der Antrieb so gesteuert werden, dass während T1 der Widerstand durch den Antrieb aufgebracht wird. Die Einstellung des Antriebswiderstandes erfolgt in der Form, dass der Antrieb nur die Differenz aus gewünschtem Widerstand in der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung und dem Widerstand, der durch die Widerstandseinrichtung aufgebracht wird, liefert. Somit kann die resultierende Stellzeit virtuell reduziert werden. Das Gesamtsystem verhält sich so, als würde es die Verstellzeit T3 aufweisen.An adjustable resistance device, for example, has an adjustment mechanism that requires the time period T1 to increase or decrease the resulting resistance in the joint to a desired value. The time period T1 is longer than the time period T2 in which the corresponding resistance should be set in order to achieve the desired behavior of the orthopedic joint device. The response behavior of the drive T3 to apply resistance is significantly faster than T1 and thus T3 is smaller than T1. In order to approximate the overall behavior to the duration T2, the drive can be controlled so that the resistance is applied by the drive during T1. The drive resistance is adjusted in such a way that the drive only has to adjust the difference between the desired resistance in the orthopedic joint device and the desired resistance. voltage and the resistance applied by the resistance device. The resulting adjustment time can thus be virtually reduced. The entire system behaves as if it had the adjustment time T3.
Ausgehend vom beschriebenen System ergeben sich weitere Vorteile. Je nach Ausführungsform der Widerstandseinrichtung, im speziellen als verstellbarer Hydraulikdämpfer, der unter anderem voll sperrbar sein kann, kann diese große Kräfte oder Momente aufnehmen, ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Insbesondere bei isometrischen bzw. sehr langsamen Bewegungen ist dies vorteilhaft. Im Gegensatz dazu benötigen Antriebe in diesen Betriebszuständen viel elektrische Energie, um dasselbe Verhalten zu erzielen. Durch die im System verbaute Sensorik können solche Zustände detektiert werden. Sobald die Widerstandseinrichtung den eingestellten Widerstand erreicht hat, wird der Antrieb komplett deaktiviert. Nun hält die Widerstandseinrichtung die komplette Last und der Antrieb benötigt keine Energie.There are further advantages based on the system described. Depending on the design of the resistance device, in particular as an adjustable hydraulic damper, which can be fully lockable, it can absorb large forces or moments without consuming electrical energy. This is particularly advantageous for isometric or very slow movements. In contrast, drives in these operating states require a lot of electrical energy to achieve the same behavior. The sensors built into the system can detect such states. As soon as the resistance device has reached the set resistance, the drive is completely deactivated. The resistance device now holds the entire load and the drive does not require any energy.
Eine weitere Form der Ansteuerung des Antriebes ergibt sich aus der Tatsache, dass ein elektrischer Antrieb als Widerstandseinrichtung betrieben werden kann, die in einem gewissen Bereich von Widerstands-Momenten oder Kräften und Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Im Gegensatz dazu wandeln passive Widerstandseinrichtungen mechanische Energie in Wärme um. Diese Energie geht verloren bzw. verursacht Probleme durch einen Anstieg der Temperatur im System.Another form of drive control arises from the fact that an electric drive can be operated as a resistance device that converts mechanical energy into electrical energy within a certain range of resistance moments or forces and speeds. In contrast, passive resistance devices convert mechanical energy into heat. This energy is lost or causes problems due to an increase in temperature in the system.
Der Energiefluss der mechanischen Energie in der Gelenkeinrichtung kann durch eine abgestimmte Verstellung des Widerstandes der passiven Widerstandseinrichtung und des Widerstandes des als Widerstandseinrichtung wirkenden Antriebes gelenkt werden. Somit ist es möglich, während Bewegungszuständen, in denen der Antrieb elektrische Energie erzeugen kann, mehr mechanische Energie in den Antrieb zu leiten. Dadurch wird der Energieeintrag in die passive Widerstandseinrichtung verringert, womit sich auch die Erwärmung verringert. Zusätzlich kann ein Teil der in den Antrieb geleiteten mechanischen Energie durch diesen in elektrische Energie umgewandelt werden und im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden, was wiederum die Betriebsdauer der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung verlängern kann bzw. die Größe des benötigten elektrischen Energiespeichers verringern kann.The energy flow of the mechanical energy in the joint device can be controlled by a coordinated adjustment of the resistance of the passive resistance device and the resistance of the drive acting as a resistance device. This makes it possible to direct more mechanical energy into the drive during movement states in which the drive can generate electrical energy. This reduces the energy input into the passive resistance device, which also reduces heating. In addition, part of the mechanical energy directed into the drive can be converted into electrical energy by the drive and stored in the electrical energy storage device, which in turn can extend the operating time of the orthopedic joint device or reduce the size of the electrical energy storage device required.
In einer Ausführungsform ist der Antrieb als Elektromotor ausgebildet, der über ein Getriebe mit dem Oberteil oder dem Unterteil gekoppelt ist. Über das Getriebe ist es möglich, auch bei kleinen Motoren vergleichsweise große Momente in dem Gelenk um die Schwenkachse herum zu erzeugen, um die Relativbewegung von Oberteil zu Unterteil zu beeinflussen bzw. um das Oberteil relativ zu dem Oberteil zu verlagern. Das Getriebe kann beispielsweise als ein Spindelgetriebe, Zahnradgetriebe, Hebelgetriebe, Seilgetriebe, Reibradgetriebe oder in einer anderen Getriebeform ausgebildet sein.In one embodiment, the drive is designed as an electric motor that is coupled to the upper part or the lower part via a gear. The gear makes it possible to generate comparatively large moments in the joint around the pivot axis, even with small motors, in order to influence the relative movement from the upper part to the lower part or to move the upper part relative to the upper part. The gear can be designed, for example, as a spindle gear, gear transmission, lever transmission, cable transmission, friction gear or in another form of gear.
Dem Antrieb und/oder der Widerstandseinrichtung und/oder dem Kraftspeicher ist in einer Ausführungsform eine Steuerung zugeordnet, die eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, um Sensordaten zu verarbeiten. Die Datenverarbeitungseinrichtung weist die dafür notwendigen Komponenten auf, beispielsweise einen Mikroprozessor, eine Speichereinrichtung, eine integrierte Schaltung o. ä. und ist mit einer Energieversorgung gekoppelt, die es der Steuerung als Komponente ermöglicht, Daten zu verarbeiten und/oder zu speichern. Die Steuerung ist mit zumindest einem Sensor gekoppelt und dazu eingerichtet, den Antrieb und/oder die Widerstandseinrichtung und/oder den Kraftspeicher auf der Grundlage der Sensorwerte zu aktivieren, zu deaktivieren und/oder zu modulieren. Die Steuerung als Bauteil weist Schnittstellen auf, über die die Steuerung mit Daten aus den Sensoren versorgt wird. Die Schnittstellen können drahtlos oder drahtgebunden sein, beispielsweise als Sender-Empfänger-Einrichtung oder als Stecker oder dauerhafte Kontakte. Die Sensoren können drahtlos oder drahtgebunden mit der Steuerung verbunden sein.In one embodiment, the drive and/or the resistance device and/or the energy storage device is assigned a controller that has a data processing device to process sensor data. The data processing device has the necessary components for this, for example a microprocessor, a memory device, an integrated circuit or the like, and is coupled to a power supply that enables the controller as a component to process and/or store data. The controller is coupled to at least one sensor and is designed to activate, deactivate and/or modulate the drive and/or the resistance device and/or the energy storage device on the basis of the sensor values. The controller as a component has interfaces via which the controller is supplied with data from the sensors. The interfaces can be wireless or wired, for example as a transmitter-receiver device or as a plug or permanent contact. The sensors can be connected to the controller wirelessly or wired.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Widerstandseinrichtung, der Kraftspeicher und der Antrieb als modulare Einheit ausgebildet sind und gemeinsam an den Befestigungspunkten an dem Oberteil bzw. Unterteil festgelegt werden. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Modifikationen und Ausgestaltungen von Antrieben, Widerstandseinrichtungen bzw. Kraftspeicher im Rahmen einer vorgefertigten Einheit bereit zu halten, um diese Einheiten oder Module dann in der Gesamtheit an der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu montieren. Das System kann auch als logische Einheit ausgeführt sein, mit einer gemeinsamen Steuerung inklusive Sensorik für Widerstandseinrichtung, Energiespeicher und Antrieb. Der Vorteil darin ist eine vereinfachte Schnittstelle zur Ansteuerung des Systems. Die gemeinsame Steuerung muss nur das Verhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung vorgeben. Die Steuerung der Energieflüsse innerhalb des mechanischen Systems erfolgt innerhalb der logischen Einheit. Das verkürzt die Entwicklungsdauer der Verhaltenssteuerung der überlagerten Steuerung.A further development provides that the resistance device, the energy storage device and the drive are designed as a modular unit and are fixed together at the fastening points on the upper part or lower part. This makes it possible to have different modifications and designs of drives, resistance devices or energy storage devices ready as part of a prefabricated unit in order to then mount these units or modules as a whole on the orthopedic joint device. The system can also be designed as a logical unit, with a common control including sensors for the resistance device, energy storage device and drive. The advantage of this is a simplified interface for controlling the system. The common control only has to specify the behavior of the orthopedic joint device. The energy flows within the mechanical system are controlled within the logical unit. This shortens the development time for the behavior control of the higher-level control.
In einer Weiterbildung ist der Kraftspeicher als eine Feder, insbesondere eine Druckfeder oder als ein Druckspeicher ausgebildet, insbesondere als ein pneumatischer oder hydraulischer Druckspeicher, der in der Widerstandseinrichtung integriert ist. Eine Feder in Gestalt einer Druckfeder oder eines Elastomerelementes kann in Serie zu der Widerstandseinrichtung geschaltet sein. Als eine Feder wird eine elastische Deformation eines Festkörpers oder eine Kompression einer Hydraulikfeder oder eines kompressiblen Hydraulikfluides angesehen.In a further development, the energy accumulator is designed as a spring, in particular a compression spring or designed as a pressure accumulator, in particular as a pneumatic or hydraulic pressure accumulator, which is integrated in the resistance device. A spring in the form of a compression spring or an elastomer element can be connected in series to the resistance device. A spring is considered to be an elastic deformation of a solid body or a compression of a hydraulic spring or a compressible hydraulic fluid.
Der Kraftspeicher ist in einer Ausgestaltung einstellbar ausgebildet, wobei dem Kraftspeicher oder der Feder eine Einstellvorrichtung zur Verstellung der Federvorspannung oder der Federsteifigkeit zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die Menge der zu speichernden Energie sowie die Art und Weise der Energieabgabe zu verändern. Alternativ oder ergänzend sind/ist dem Druckspeicher des Kraftspeichers eine Pumpe und/oder ein Ventil zugeordnet, um den Druckspeicher aufzuladen bzw. um Druck zu verringern, um so das Druckniveau zu verändern. Auch dadurch ist es möglich, sowohl die Menge der gespeicherten Energie als auch die Art und Weise der Freigabe zu manipulieren. Bei einem Druckspeicher ist ein Vordruck vorhanden oder es liegt ein Übersetzungsverhältnis des Druckes zu der von dem Kraftspeicher erzeugten Kraft vor.The energy accumulator is designed to be adjustable, with the energy accumulator or the spring being assigned an adjustment device for adjusting the spring preload or spring stiffness. This makes it possible to change the amount of energy to be stored and the manner in which the energy is released. Alternatively or additionally, a pump and/or a valve are assigned to the pressure accumulator of the energy accumulator in order to charge the pressure accumulator or to reduce pressure in order to change the pressure level. This also makes it possible to manipulate both the amount of stored energy and the manner in which it is released. In a pressure accumulator, there is a pre-pressure or there is a transmission ratio of the pressure to the force generated by the energy accumulator.
Sofern die Federvorspannung oder die Federsteifigkeit motorisch verstellt werden soll, ist in einer Ausgestaltung die Einstellvorrichtung in Gestalt des Antriebs ausgebildet, der auch ein Moment um die Schwenkachse herum erzeugen kann. Dadurch ist es möglich, kein separates Bauteil für die Veränderung der Federvorspannung und/oder der Federsteifigkeit vorsehen zu müssen, sondern den Antrieb ebenso als die Einrichtung zum Verstellen des Kraftspeichers zu nutzen. Dabei wird nicht die eigentliche Federsteifigkeit bzw. Vorspannung eingestellt, sondern das resultierende mechanische Verhalten des Gelenkes dahingehend verändert, dass es sich verhält, als hätte die Feder eine andere Steifigkeit und oder Vorspannung. Die Gesamtfedersteifigkeit der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung wird verändert.If the spring preload or spring stiffness is to be adjusted by motor, in one embodiment the adjustment device is designed in the form of the drive, which can also generate a moment around the pivot axis. This makes it possible not to have to provide a separate component for changing the spring preload and/or spring stiffness, but to use the drive as the device for adjusting the energy storage device. In this case, the actual spring stiffness or preload is not adjusted, but the resulting mechanical behavior of the joint is changed so that it behaves as if the spring had a different stiffness and/or preload. The overall spring stiffness of the orthopedic joint device is changed.
Der Kraftspeicher und der Antrieb sind in einer Ausgestaltung so zueinander angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt, dass diese parallel wirksam zueinander angeordnet sind. Der Antrieb bringt ein antreibendes oder bremsendes Moment um die Schwenkachse der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung ein, die parallel dazu wirkende Kraftspeicher- Widerstandseinrichtung -Anordnung ermöglicht die Modifikation bzw. Unterstützung des Momentes durch den Antrieb. Umgekehrt moduliert der Antrieb das dämpfende Moment durch die Widerstandseinrichtung bzw. den Einsatz des Kraftspeichers. Der Kraftspeicher und die Widerstandseinrichtung sind in einer Weiterbildung in einer Serienschaltung angeordnet, was insbesondere bei einem Hydraulikdämpfer über einen Druckspeicher leicht und kompakt möglich ist. Das ermöglicht auch, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung bei offener Widerstandseinrichtung unbeeinflusst von dem Kraftspeicher schwingen kann.In one embodiment, the energy storage device and the drive are arranged in relation to one another and mechanically coupled to one another in such a way that they are arranged in parallel and effective relation to one another. The drive introduces a driving or braking moment around the pivot axis of the orthopaedic joint device, the energy storage resistance device arrangement acting in parallel enables the moment to be modified or supported by the drive. Conversely, the drive modulates the damping moment through the resistance device or the use of the energy storage device. In a further development, the energy storage device and the resistance device are arranged in a series circuit, which is particularly easy and compact with a hydraulic damper via a pressure accumulator. This also enables the orthopaedic joint device to oscillate unaffected by the energy storage device when the resistance device is open.
Das Verfahren zur Steuerung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass der Antrieb zur Beeinflussung des Widerstandes parallel zu der Widerstandseinrichtung und dem Kraftspeicher betrieben wird. Die Widerstandseinrichtung und der Kraftspeicher sind als passive Elemente ausgebildet, da sie keinen motorischen Antrieb aufweisen. In Kombination mit dem motorischen Antrieb ist es möglich, die Anwendung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, insbesondere bei Orthesen oder Prothesen, zu erweitern und der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtungen Eigenschaften zu verleihen, die mit den Einzelkomponenten nicht zu erreichen wären. Die passiven Elemente sind mit dem elektromechanischen oder elektrohydraulischen Antrieb gekoppelt, sodass sich die um die Schwenkachse aufgebrachten Momente oder Kräfte aus den Kräften oder Momenten der drei Komponenten ergeben. Die Wirkung des Kraftspeichers parallel zu dem Antrieb führt zu einer Unterstützung oder zu einer Veränderung des durch den Antrieb aufgebrachten Momentes und ergänzt insbesondere den Antrieb durch die Bereitstellung vergleichsweise hoher Energiemengen in kurzer Zeit. Dadurch wird das Moment des Antriebes um das Moment erhöht, das durch den Kraftspeicher bei dessen Freigabe bereitgestellt wird. Der aktive Antrieb kann dadurch so ausgelegt werden, dass er nicht das komplette Moment für alle Anwendungen aufbringen muss. Damit kann der motorische Antrieb kleiner ausfallen oder auf andere Arbeitsbereiche oder Drehzahlen optimiert werden. Der Kraftspeicher, die Widerstandseinrichtung und der Antrieb können parallel zueinander angeordnet werden, alternativ sind der Kraftspeicher und die Widerstandseinrichtung in Serie angeordnet und der Antrieb parallel zu beiden. Wenn die Widerstandseinrichtung einstellbar ist, kann der Kraftspeicher „deaktiviert“ werden, indem die Widerstandseinrichtung auf Durchgang geschaltet wird.The method for controlling an orthopedic joint device, as described above, provides that the drive for influencing the resistance is operated in parallel with the resistance device and the energy storage device. The resistance device and the energy storage device are designed as passive elements, since they do not have a motor drive. In combination with the motor drive, it is possible to expand the application of an orthopedic joint device, in particular for orthoses or prostheses, and to give the orthopedic joint devices properties that would not be possible with the individual components. The passive elements are coupled to the electromechanical or electrohydraulic drive, so that the moments or forces applied around the pivot axis result from the forces or moments of the three components. The effect of the energy storage device parallel to the drive leads to a support or a change in the moment applied by the drive and in particular supplements the drive by providing comparatively high amounts of energy in a short time. This increases the moment of the drive by the moment that is provided by the energy storage device when it is released. The active drive can therefore be designed in such a way that it does not have to provide the full torque for all applications. This means that the motor drive can be smaller or optimized for other working ranges or speeds. The energy storage device, the resistance device and the drive can be arranged parallel to one another; alternatively, the energy storage device and the resistance device can be arranged in series and the drive parallel to both. If the resistance device is adjustable, the energy storage device can be "deactivated" by switching the resistance device to pass through.
Der Antrieb und/oder die Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher wird in einer Ausgestaltung auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert, um eine Veränderung des Bewegungsverhaltens des Oberteils relativ zu dem Unterteil während der Benutzung vornehmen zu können.In one embodiment, the drive and/or the resistance device and/or the energy storage device is activated, deactivated and/or modulated on the basis of sensor data in order to be able to change the movement behavior of the upper part relative to the lower part during use.
Die Modulation der Gesamtcharakteristik des Systems erfolgt in einer Ausgestaltung ausgehend von der Charakteristik der Widerstandseinrichtung und/oder des Kraftspeichers durch den Antrieb, insbesondere erfolgt eine Verringerung oder Erhöhung des Widerstandes, des Widerstandsverlaufes, der Steifigkeit, des Steifigkeitsverlaufes, der Dämpfung und/oder des Dämpfungsverlaufes durch den Antrieb. Zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Zuständen oder bei Erreichen von bestimmten Grenzwerten wird der Antrieb aktiviert, deaktiviert oder moduliert, sodass eine Verstärkung oder Abschwächung eines durch den Kraftspeicher aufgebrachten Momentes erfolgt. Dadurch können Anpassungen an das benötigte Verhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung schnell und energiesparend ausgeführt werden.The modulation of the overall characteristics of the system is carried out in a design based on on the characteristics of the resistance device and/or the energy storage device through the drive, in particular a reduction or increase in the resistance, the resistance curve, the stiffness, the stiffness curve, the damping and/or the damping curve through the drive. At certain times or in certain conditions or when certain limit values are reached, the drive is activated, deactivated or modulated so that a moment applied by the energy storage device is increased or reduced. This means that adjustments to the required behavior of the orthopaedic joint device can be carried out quickly and in an energy-saving manner.
In einer Weiterbildung erfolgt die Umwandlung von im Kraftspeicher gespeicherte Energie in elektrische Energie über den Antrieb und umgekehrt, beispielsweise durch den Betrieb eines Elektromotors im Generatorbetrieb bzw. umgekehrt.In a further development, the energy stored in the energy storage device is converted into electrical energy via the drive and vice versa, for example by operating an electric motor in generator mode or vice versa.
Die Erfindung sieht eine Kombination aus Kraftspeicher und parallelem motorischem Antrieb vor. Das resultierende Moment ist die Summe der Momente, die von dem Kraftspeicher und Motor aufgebracht werden. Der Kraftspeicher ist dabei nicht nur als reine Feder zu sehen, sondern kann in einer Hydraulik eingebettet sein, die ein paralleles und/oder serielles dämpfendes Verhalten ermöglicht. Der hydraulische Federspeicher kann in einer Ausführungsform nur in Flexionsrichtung geladen und in Extensionsrichtung entladen werden, der Ölstrom in und aus dem Federspeicher wird dabei durch ein Proportionalventil bis hin zur Sperre gedrosselt. In der Kombination kann der Kraftspeicher dazu genutzt werden, die Grundcharakteristik aufzubringen und der Motor, diese zu modulieren. Damit ist eine wesentlich flexiblere Steuerung möglich als nur durch den Kraftspeicher, bzw. kann eine höhere Energieeffizienz und eine höhere Bandbreite, bzw. ein höheres Maximalmoment als nur durch einen Motor erzielt werden. Alternativ zu einer parallelen Anordnung von Motor und Kraftspeicher können diese auch seriell angeordnet werden. In diesem Fall addieren sich nicht die Momente, sondern die Verschiebungen. Durch den Motor wird dann der Weg als Funktion der Kraft moduliert.The invention provides a combination of energy storage and parallel motor drive. The resulting torque is the sum of the torques applied by the energy storage and motor. The energy storage is not just to be seen as a pure spring, but can be embedded in a hydraulic system that enables parallel and/or serial damping behavior. In one embodiment, the hydraulic spring storage can only be loaded in the flexion direction and discharged in the extension direction, the oil flow in and out of the spring storage is throttled by a proportional valve until it is blocked. In the combination, the energy storage can be used to apply the basic characteristics and the motor to modulate them. This enables much more flexible control than with the energy storage alone, or higher energy efficiency and a higher bandwidth, or a higher maximum torque, can be achieved than with just one motor. As an alternative to a parallel arrangement of motor and energy storage, they can also be arranged in series. In this case, it is not the torques that add up, but the displacements. The motor then modulates the path as a function of the force.
Ein Grundgedanke ist die Veränderung des Kraft-Weg-Verhaltens des Kraftspeichers durch den Antrieb, insbesondere einen parallelen Motor. Über den Motor kann ausgehend von einer Grundcharakteristik des Kraftspeichers eine Anpassung stattfinden. Durch ein dem Kraftspeichermoment gleichgerichtetes Motormoment wird das resultierende Moment erhöht, durch eine entgegengesetztes Motormoment wird das resultierende Moment verringert. Ein konstantes, von dem Motor aufgebrachtes Moment entspricht z.B. einer Vorspannung einer Federcharakteristik, bzw. der Verschiebung eines Federnullpunkts, ein wegabhängiges Motormoment entspricht der Überlagerung zweier Federn, wobei insbesondere durch den Motor eine nichtlineare Federcharakteristik erzeugt werden kann. Treten in dem Kraftspeicher nicht-konservative Kräfte auf, können auch diese in der Ansteuerung des Motors berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann das Moment oder ein Parameter einer Charakteristik des Motors zeitlich verändert werden, wodurch ein transientes Verhalten erzielt wird. Es kann zum Beispiel ein richtungsabhängiges Verhalten, eine Hysterese oder ein abklingendes Verhalten, z.B. eine kontinuierliche, zeitliche Reduktion eines Moments umgesetzt werden. Es ist zudem möglich die Momentencharakteristik in Echtzeit während einer Bewegung dynamisch zu verändern, eine Anpassung von einer Wiederholung einer Bewegung zur nächsten Wiederholung vorzunehmen, zum Beispiel auf Basis einer autonomen Optimierung um die Charakteristik über Software und elektronische Interfaces einstellbar zu machen.A basic idea is to change the force-displacement behavior of the energy storage device through the drive, in particular a parallel motor. The motor can be used to make an adjustment based on a basic characteristic of the energy storage device. A motor torque that is aligned with the energy storage torque increases the resulting torque, while an opposite motor torque reduces the resulting torque. A constant torque applied by the motor corresponds, for example, to a preload of a spring characteristic or the displacement of a spring zero point; a displacement-dependent motor torque corresponds to the superposition of two springs, whereby a non-linear spring characteristic can be generated, in particular by the motor. If non-conservative forces occur in the energy storage device, these can also be taken into account in the control of the motor. In addition, the torque or a parameter of a characteristic of the motor can be changed over time, thereby achieving transient behavior. For example, direction-dependent behavior, hysteresis or decaying behavior, e.g. a continuous, temporal reduction of a torque, can be implemented. It is also possible to dynamically change the moment characteristics in real time during a movement, to adapt from one repetition of a movement to the next repetition, for example on the basis of autonomous optimization in order to make the characteristics adjustable via software and electronic interfaces.
Das Motormoment kann so gewählt werden, dass es dem durch den Kraftspeicher erzeugten Moment betragsmäßig identisch oder zumindest hinreichend ähnlich und entgegengesetzt ist. Das resultierende Gesamtmoment aus Motor und Kraftspeicher ist damit Null oder entsprechend gering. Es wird der Bewegung kein wesentlicher zusätzlicher Widerstand entgegengebracht oder eine Unterstützung bewirkt. Dies kann in einzelnen Bewegungsphasen nützlich sein, um den aktiven Kraftspeicher wegzuschalten, kontrolliert zuzuschalten oder gezielt Energie in den Kraftspeicher einzutragen oder zu entnehmen, ohne die Bewegung wesentlich zu beeinflussen.The motor torque can be selected so that it is identical in magnitude to the torque generated by the energy storage device, or at least sufficiently similar and opposite. The resulting total torque from the motor and energy storage device is therefore zero or correspondingly low. No significant additional resistance is offered to the movement or support is provided. This can be useful in individual phases of movement in order to switch off the active energy storage device, switch it on in a controlled manner or to specifically add or remove energy from the energy storage device without significantly influencing the movement.
Für das Gehen in der Ebene ist in der Standphasen-Beugung und StandphasenStreckung ein annährend lineares Federverhalten mit ggf. paralleler Dämpfung vorteilhaft. Die optimale Momentencharakteristik variiert jedoch mit dem Körpergewicht, dem individuellen Bewegungsablauf und Bedürfnissen sowie den Gangparametern wie der Schrittlänge oder der Gehgeschwindigkeit. Die dynamische Anpassung einer Federsteifigkeit ist schwer umzusetzen. Die Modulation kann an das Körpergewicht, Körpergröße der anwendenden Person angepasst werden, aber auch an die persönlichen Präferenzen. Zudem kann in einem Steuerungsgesetz das Gesamtmoment von Schritt zu Schritt oder in Echtzeit an die Bewegung, den Bewegungsfortschritt oder auch an die Belastung angepasst werden. Wird zum Beispiel über die Neigung der Beinsehne erkannt, dass es sich um eine terminale Standphase handelt, das Gelenk jedoch noch stark gebeugt ist oder sich ausgehend von einer maximalen Standphasenbeugung noch nicht hinreichend gestreckt hat, kann das Streckmoment über den Motor erhöht werden. Eine solche Anpassung erfolgt typischerweise kontinuierlich und nicht abrupt.For walking on the level, an almost linear spring behavior with parallel damping, if necessary, is advantageous in the stance phase flexion and extension. The optimal moment characteristic varies, however, with body weight, the individual movement sequence and needs, as well as the gait parameters such as step length or walking speed. Dynamic adjustment of spring stiffness is difficult to implement. The modulation can be adapted to the body weight and height of the person using it, but also to personal preferences. In addition, the total moment can be adjusted from step to step or in real time to the movement, the progress of the movement or the load in a control law. For example, if the inclination of the leg tendon detects that it is a terminal stance phase, but the joint is still strongly flexed or has not yet stretched sufficiently from a maximum stance phase flexion, the extension moment can be increased via the motor. Such an adjustment typically occurs continuously and not abruptly.
Das Momentenverhalten in der Standphase kann mittels des kombinierten Aktuators an den Kontext angepasst werden angepasst werden. Unterschiedliche Kontexte wie Stufen, Absätze, Neigungen, Untergrundbeschaffenheiten oder Umgebungen erfordern unterschiedliche Arten der Unterstützung. Beim Abwärtsgehen auf Neigungen sind typischerweise höhere Streckmomente in der Standphase notwendig als beim ebenen Gehen. Entsprechend kann die Neigung über Sensoren ermittelt werden und das Gesamtmoment aus Kraftspeicher und Motor moduliert werden. Insbesondere kann das Motormoment mit zunehmender Abwärtsneigung in einem gewissen Neigungsbereich erhöht werden, um eine höhere Gesamtsteifigkeit zu erreichen, bevorzugt in der Standphasenbeugung. Das Extensionsmoment in der Standphasenextension kann ebenfalls im Vergleich zum Gehen in der Ebene angepasst werden. Zum Beispiel kann die Veränderung der Steifigkeit oder des Moments im Verlauf der Standphasenbeugung und Standphasenstreckung zeitabhängig oder auf Basis von Sensorsignalen beim Abwärtsgehen angepasst werden, z.B. um eine größere Hysterese und damit stärkere Dissipation zu bewirken. Ähnliche Anpassungen können auch für andere Kontexte vorgenommen werden. Die Möglichkeit der Erhöhung und Reduzierung des Widerstandes in der Standphase ist über die Steuerung gegeben.The moment behavior in the stance phase can be adapted to the context using the combined actuator. Different contexts such as steps, ledges, inclines, surface conditions or environments require different types of support. When walking downhill on inclines, higher extension moments are typically required in the stance phase than when walking on level ground. Accordingly, the incline can be determined using sensors and the total moment from the energy storage unit and motor can be modulated. In particular, the motor moment can be increased in a certain incline range with increasing downward incline in order to achieve a higher overall stiffness, preferably in the stance phase flexion. The extension moment in the stance phase extension can also be adjusted compared to walking on level ground. For example, the change in stiffness or moment during the stance phase flexion and extension can be adjusted over time or based on sensor signals when walking downhill, e.g. to cause a greater hysteresis and thus greater dissipation. Similar adjustments can also be made for other contexts. The possibility of increasing or reducing the resistance in the stance phase is provided via the control.
Bei einem Kraftspeicher muss vor einer Energieentnahme immer erst ein Energieeintrag stattfinden, wobei für das Aufladen die gleichen oder sogar höhere Kräfte und Momente nötig sind als für das Entladen. Zudem kann für das Aufladen des Kraftspeichers eine Relativbewegung notwendig sein, wenn dieser physikalisch mit der Verschwenkbewegung gekoppelt ist. Es ist zum Beispiel nicht oder nur schlecht möglich, den Kraftspeicher durch Aufnahme der kinetische Energie in der Schwungphase mit einem geringen Moment und großem Bewegungsausmaß aufzuladen und die Energie in der Standphase, in der ein hohes Moment und geringes Bewegungsausmaß benötigt wird, abzugeben. Über den kombinierten Aktuator kann dieses Problem gelöst werden. Dafür kann zum Beispiel in der Schwungphasenflexion der Kraftspeicher durch ein dem Kraftspeicher entgegengesetztes Motormoment aufgeladen werden. Sind die erzeugten Momente entgegengesetzt und gleich im Betrag, heben sie sich auf und die Bewegung wird nicht beeinflusst, bzw. wird der Bewegung kein zusätzlicher Widerstand durch den Kraftspeicher entgegengebracht. Mit zunehmender Beugung wird das Motormoment erhöht, bis der Kraftspeicher vollständig aufgeladen ist oder keine weitere Flexion mehr erfolgt. Durch Aufrechterhaltung des Beugemoments des Motors oder Wegschalten des Kraftspeichers kann eine Abgabe der Energie des Kraftspeichers verzögert werden, bzw. erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Für das Treppensteigen kann die im Kraftspeicher gespeicherte Energie in der Standphasenstreckung abgegeben werden. Das von dem Kraftspeicher erzeugte Streckmoment kann hier durch ein Motormoment in dieselbe Richtung unterstützt werden, wodurch das Gesamtstreckmoment erhöht werden kann.With a power storage device, energy must always be introduced before energy can be withdrawn, with the same or even higher forces and moments being required for charging than for discharging. In addition, a relative movement may be necessary for charging the power storage device if it is physically coupled with the pivoting movement. For example, it is not possible or only possible with difficulty to charge the power storage device by absorbing the kinetic energy in the swing phase with a low moment and a large range of motion and to release the energy in the stance phase, in which a high moment and a small range of motion is required. This problem can be solved using the combined actuator. For example, in the swing phase flexion, the power storage device can be charged by a motor torque that is opposite to the power storage device. If the moments generated are opposite and equal in magnitude, they cancel each other out and the movement is not influenced, or the movement is not subjected to any additional resistance by the power storage device. With increasing flexion, the motor torque is increased until the power storage device is fully charged or no further flexion occurs. By maintaining the bending moment of the motor or switching off the energy storage, the release of the energy storage can be delayed or only take place at a later point in time. When climbing stairs, the energy stored in the energy storage can be released in the stance phase extension. The extension moment generated by the energy storage can be supported here by a motor moment in the same direction, which can increase the total extension moment.
Wird der Kraftspeicher aufgeladen und kann die gespeicherte Energie nicht sinnvoll genutzt werden, kann der Kraftspeicher entladen werden. Typischerweise erfolgt dies dissipativ. Die Entladung kann dabei ein Moment erzeugen, welche unerwünscht ist. Alternativ oder ergänzend kann der Motor verwendet werden, um ein dem Kraftspeicher entgegengesetztes und im Betrag im Wesentlichen gleichgroßes Moment entgegen zu bringen, sodass das resultierende Moment annähernd Null oder hinreichend gering ist. Damit kann eine Entladung des Kraftspeichers so erfolgen, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Bewegung hat. Es ist auch möglich, das Moment des Kraftspeichers über den Motor zu reduzieren. Zum Beispiel kann sich der Energiespeicher in der Standphasen-Beugung beim Treppe abwärts Gehen unerwünscht aufladen. Wird die gespeicherte Energie im Gangzyklus des Treppe abwärts Gehens nicht benötigt und der Kraftspeicher soll beim darauffolgenden Initialkontakt wieder entladen sein, muss der Kraftspeicher vor dem Initialkontakt entladen werden. Dies kann zum Beispiel in der Schwungphasen-Extension erfolgen, wobei dem Streckmoment des Kraftspeichers während der Entladung ein Beugemoment durch den Motor entgegengebracht wird, welches das resultierende Streckmoment hinreichend reduziert oder das Streckmoment des Kraftspeichers ausgleicht.If the energy storage device is charged and the stored energy cannot be used sensibly, the energy storage device can be discharged. This typically occurs dissipatively. The discharge can generate a moment, which is undesirable. Alternatively or additionally, the motor can be used to provide a moment that is opposite to the energy storage device and essentially the same in magnitude, so that the resulting moment is almost zero or sufficiently small. This means that the energy storage device can be discharged in such a way that it has no significant influence on the movement. It is also possible to reduce the moment of the energy storage device via the motor. For example, the energy storage device can charge up undesirably during the stance phase flexion when walking down stairs. If the stored energy is not needed in the gait cycle of walking down stairs and the energy storage device is to be discharged again during the subsequent initial contact, the energy storage device must be discharged before the initial contact. This can be done, for example, in the swing phase extension, whereby the extension moment of the energy storage device is counteracted by a bending moment by the motor during discharge, which sufficiently reduces the resulting extension moment or compensates for the extension moment of the energy storage device.
Durch einen kombinierten Aktuator aus Kraftspeicher und Motor kann auch die Energie-Rekuperation über den Motor und damit die Gewinnung von elektrischer Energie verbessert werden. Der Betrieb eines Motors als Generator ist bei niedrigen Drehzahlen nicht oder nur ineffizient möglich. Mit einem kombinierten Aktuator ist es jedoch möglich, Energie bei langsamen Bewegungen und damit geringen Drehzahlen im Kraftspeicher zu speichern und später bei hohen Drehzahlen den Kraftspeicher zu nutzen, um den Motor im Generatorbetrieb für die effiziente Energie-Rekuperation zu betreiben. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Wärmeerzeugung im Vergleich zur Dissipierung der Energie in der den Kraftspeicher aufladenden Phase.A combined actuator consisting of an energy storage unit and a motor can also improve energy recuperation via the motor and thus the generation of electrical energy. Operating a motor as a generator is not possible or only possible inefficiently at low speeds. However, with a combined actuator it is possible to store energy in the energy storage unit during slow movements and thus at low speeds and later use the energy storage unit at high speeds to operate the motor in generator mode for efficient energy recuperation. Another advantage is the low heat generation compared to the dissipation of energy in the phase in which the energy storage unit is charged.
Beim Abwärtsgehen auf Neigungen kann der Kraftspeicher zum Beispiel in der Standphasen-Beugung aufgeladen werden und später in der Schwungphasen-Extension, insbesondere bei schnellen Streckgeschwindigkeiten, entladen werden, wobei dem Streckmoment des Kraftspeichers über den Motor ein Beugemoment entgegengesetzt wird. Der Motor wird dabei so angesteuert, dass er als Generator betrieben wird und elektrische Energie erzeugt. Motor und Kraftspeicher werden dabei vorzugsweise so angesteuert, dass sich das Motormoment und das vom Kraftspeicher erzeugte Moment gegenseitig aufheben und die Bewegung nicht wesentlich beeinflusst.When walking downhill on slopes, the energy storage can be charged, for example, in the stance phase flexion and later in the swing phase extension, especially during fast Stretching speeds, whereby the stretching moment of the energy storage device is counteracted by a bending moment via the motor. The motor is controlled in such a way that it operates as a generator and generates electrical energy. The motor and energy storage device are preferably controlled in such a way that the motor torque and the torque generated by the energy storage device cancel each other out and do not significantly affect the movement.
Das Motormoment kann zur Gewinnung von Bewegungsinformationen, z.B. Neigung des Unterschenkels, Beinsehne, Oberkörperneigung oder von Kraftinformationen, z.B. COP (Center Of Pressure), Knöchelmoment, Kräfte und Momente im Interface zur anwendenden Person des Hilfsmittels sowie der kontralateralen Seite genutzt werden. Die Steuerung inkludiert auch aus Sensordaten abgeleitete Größen wie den Oberschenkelwinkel, der aus dem Kniewinkel und Unterschenkelwinkel errechnet werden kann, oder den Hebelarm als Quotient von Moment und Kraft. Auch Mensch-Maschine-Interfaces oder Al-Algorithmen können als zusätzliche Eingänge verwendet werden. Es ist auch möglich, dass mehrere Größen für die Steuerung des Moments herangezogen werden. Das resultierende Gesamtmoment aus Motormoment und Moment durch den Kraftspeicher ist damit insbesondere eine Funktion des Kniewinkels aufgrund der physikalischen Kopplung von Kniewinkel und Kraftspeicher und ggf. anderer Eingangsgrößen.The motor torque can be used to obtain movement information, e.g. inclination of the lower leg, leg tendon, upper body inclination or force information, e.g. COP (Center Of Pressure), ankle torque, forces and moments in the interface to the person using the aid and the contralateral side. The control also includes variables derived from sensor data such as the thigh angle, which can be calculated from the knee angle and lower leg angle, or the lever arm as a quotient of torque and force. Human-machine interfaces or AI algorithms can also be used as additional inputs. It is also possible for several variables to be used to control the torque. The resulting total torque from the motor torque and the torque from the force storage is therefore in particular a function of the knee angle due to the physical coupling of the knee angle and force storage and possibly other input variables.
Verfahren zur Steuerung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass der Antrieb zur Beeinflussung des Widerstandes parallel zu der Widerstandseinrichtung dem Kraftspeicher betrieben wird.Method for controlling an orthopaedic joint device as described above provides that the drive for influencing the resistance is operated parallel to the resistance device of the force storage device.
Der Antrieb, die Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher wird in einer Ausgestaltung auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert, wobei die Sensordaten insbesondere einer Steuerung oder Steuerungseinrichtung zugeordnet und übermittelt werden. Alternativ oder ergänzend werden die Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert, insbesondere wird die Steuerungseinrichtung ebenfalls mit den Sensordaten versorgt und ist mit der Widerstandseinrichtung und/oder dem Kraftspeicher gekoppelt, um auf der Grundlage der Sensordaten die entsprechenden Veränderungen an oder in der Widerstandseinrichtung und/oder dem Kraftspeicher vorzunehmen.In one embodiment, the drive, the resistance device and/or the energy storage device are activated, deactivated and/or modulated on the basis of sensor data, wherein the sensor data are in particular assigned to and transmitted to a controller or control device. Alternatively or additionally, the resistance device and/or the energy storage device are activated, deactivated and/or modulated on the basis of sensor data, in particular the control device is also supplied with the sensor data and is coupled to the resistance device and/or the energy storage device in order to make the corresponding changes to or in the resistance device and/or the energy storage device on the basis of the sensor data.
Die Modulation der Gesamtcharakteristik der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung erfolgt in einer Ausgestaltung ausgehend von der Charakteristik der Widerstandseinrichtung, die die Grundlage oder Basis der Beeinflussung des Bewegungsverhaltens der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung darstellt. Diese Grundcharakteristik wird durch den Antrieb moduliert. Die Grundcharakteristik kann auch durch den Kraftspeicher oder eine Kombination aus Kraftspeicher und Widerstandseinrichtung, insbesondere in Ausgestaltung als passive Komponenten erfolgen. Durch den Antrieb werden dann die entsprechenden Anpassungen der jeweiligen Grundcharakteristik vorgenommen. Insbesondere findet eine Verringerung oder Erhöhung des Widerstandes, des Widerstandsverlaufes, der Steifigkeit, des Steifigkeitsverlaufes, der Dämpfung und/oder des Dämpfungsverlaufes statt.The modulation of the overall characteristics of the orthopedic joint device is carried out in one embodiment based on the characteristics of the resistance device, which represents the basis or basis for influencing the movement behavior of the orthopedic joint device. This basic characteristic is modulated by the drive. The basic characteristic can also be carried out by the energy storage device or a combination of energy storage device and resistance device, in particular in the form of passive components. The drive then makes the appropriate adjustments to the respective basic characteristics. In particular, there is a reduction or increase in the resistance, the resistance curve, the stiffness, the stiffness curve, the damping and/or the damping curve.
In einer Weiterbildung findet die Umwandlung von im Kraftspeicher gespeicherte Energie in elektrische Energie über den Antrieb und umgekehrt statt.In a further development, the conversion of energy stored in the energy storage device into electrical energy takes place via the drive and vice versa.
Der Kraftspeicher kann von den übrigen Komponenten, also der Widerstandseinrichtung und dem Antrieb, entkoppelt und in einem geladenen Zustand gehalten werden, um zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeschaltet zu werden, damit die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie dem System gesteuert zugeführt werden kann.The energy storage device can be decoupled from the other components, i.e. the resistance device and the drive, and kept in a charged state in order to be switched on again at a later time so that the energy stored in the energy storage device can be fed into the system in a controlled manner.
In einer Ausgestaltung wird der Antrieb so betrieben, dass die Wirkung der Widerstandseinrichtung aufgehoben wird, sodass sich eine freie Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil einstellen lässt.In one embodiment, the drive is operated in such a way that the effect of the resistance device is canceled, so that the upper part can be freely pivoted relative to the lower part.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
-
1 - eine schematische Darstellung eines Prothesenbeins; -
2 - ein Ausführungsbeispiel eines Hydraulikschaltbildes; -
3 - Varianten mit Orthesen; -
4 bis 15 - Anwendungsbeispiele anhand eines Prothesenbeines; . -
16 bis 26 - verschiedene Momentenverläufe; -
27 - einen Momentenverlauf mit mehreren Eingangssignalen; sowie -
28 - einen Zusammenhang zwischen mehreren Eingangsgrößen.
-
1 - a schematic representation of a prosthetic leg; -
2 - an embodiment of a hydraulic circuit diagram; -
3 - Variants with orthoses; -
4 to 15 - Application examples using a prosthetic leg; . -
16 to 26 - different torque curves; -
27 - a torque curve with several input signals; and -
28 - a relationship between several input variables.
In der
Alternativ zu der Ausgestaltung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung als Komponente in einem Prothesenbein sind in der
In der Ausgestaltung gemäß der
In der
Innerhalb der strömungstechnischen Verbindung 40 sind zwei verstellbare Ventile 50 in Gestalt von Schaltventilen angeordnet. Jeder Kammer 341, 342 ist jeweils ein Schaltventil 50 zugeordnet. Parallel zu jedem Schaltventil 50 ist jeweils ein Rückschlagventil 55 als Bypass in der strömungstechnischen Verbindung 40 angeordnet. Bei zwei Rückschlagventilen 55, von denen jeweils eines einer Kammer 341, 342 zugeordnet ist, sind die beiden Rückschlagventile 55 einander entgegengesetzt wirkend angeordnet. Beide Rückschlagventile 55 lassen das Einströmen von Hydraulikfluid in die jeweilige Kammer 341, 342 zu, sperren aber den Durchfluss in entgegengesetzte Richtung, sodass das jeweils aus der Kammer 341, 342 austretende Hydraulikfluid durch das Schaltventil 50 geleitet werden muss.Two
Die Schaltventile 50 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als 3-Wege-Schaltventile ausgebildet, die zwischen drei diskreten Zuständen schaltbar sind. In dem dargestellten Schaltzustand ist die strömungstechnische Verbindung 40 unterbrochen, d. h., dass kein Hydraulikfluid von der einen Kammer 341 in die andere Kammer 342 strömen kann. Das Prothesenkniegelenk oder die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung ist in der Position gesperrt.In the embodiment shown, the switching
Vor dem jeweiligen Schaltventil 50 ist in Strömungsrichtung von der Kammer eine Drossel 56 vorgeschaltet angeordnet, die beispielsweise den Strömungsquerschnitt halbiert oder auf den gewünschten Wert verringert. Der Drosselquerschnitt ist vorzugsweise einstellbar. Parallel zu dieser Drossel 56 ist ein Strömungskanal mit einem maximalen oder vollständig geöffneten Strömungsquerschnitt vorhanden und führt zu dem Schaltventil 50. Wird das Schaltventil 50 aus der dargestellten unterbrochenen und damit gesperrten Stellung nach unten bewegt, was durch einen Elektromagneten oder einen anderen Aktuator oder Antrieb erfolgen kann, ist die nicht mit der Drossel 56 beaufschlagte Leitung mit Hydraulikfluid beaufschlagt und kann bei einer Extensionsbewegung, bei der der Kolben 36 nach oben bewegt wird, das Hydraulikfluid ungehindert durchleiten.A
Wird das Schaltventil 50 aus der dargestellten gesperrten Stellung nach oben bewegt, muss Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 342 zunächst durch die vorgeschaltete Drossel 56 hindurch, um dann durch das Rückschlagventil 55 in die erste Kammer 341 zu können. In dieser Stellung ist dann ein erhöhter Strömungswiderstand vorhanden, sodass die Verschwenkbewegung in Extensionsrichtung gedämpft ist. Entsprechend ist die Verschaltung für das der ersten Kammer 341 zugeordnete Schaltventil 50 für die Flexionsbewegung.If the switching
Das Verstellen oder Verschieben der Schaltventile 50 erfolgt sensorbasiert über die Steuerungseinrichtung 80. Auf der Grundlage der Sensordaten der Sensoren 95 wird der jeweilige Aktuator für das Schaltventil 50 aktiviert oder deaktiviert und die entsprechende Schaltstellung eingenommen.The adjustment or displacement of the switching
Sofern die durch die Drossel 56 einmalig bereitgestellte Verminderung des Strömungsquerschnittes nicht ausreicht oder zu viel ist, um den gewünschten oder benötigten Widerstand bereitzustellen, wird der Antrieb 60 aktiviert, sodass über den Motor und gegebenenfalls das Getriebe ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht wird, das entweder der Bewegung entgegenwirkt oder diese unterstützt, um den Widerstand zu erhöhen oder zu verringern. Auch die Aktivierung des Motors 60 erfolgt über die Steuerung 80 auf der Basis von Sensorwerten und von Steuerungsprogrammen und Software, die in der Steuerung 80 abgelegt sind.If the one-time reduction in the flow cross-section provided by the
In der
Der Antrieb 60 wirkt somit ebenfalls als Widerstandseinrichtung, wenn der Antrieb 60 von der nicht dargestellten Steuerungseinrichtung 80 dergestalt angesteuert wird, dass er einer Verschwenkbewegung entgegengewirkt. Der Antrieb 60 zur Beeinflussung des Widerstandes gegen eine Verschwenkbewegung bzw. zur Unterstützung einer Verschwenkbewegung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil wirkt parallel zu der Widerstandseinrichtung 30 und dem dazu in Serie geschalteten Kraftspeicher 90.The
In der
Der grundsätzliche gleiche Aufbau der
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Eine Variante der Anordnung von Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 ist in
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Bei der Anordnung des motorischen Antriebes 60 in Serie zu dem Kraftspeicher 90 addieren sich die Momente um die Schwenkachse 15 nicht, vielmehr sind die übertragenen Kräfte oder Momente für beide Komponenten identisch und die Längen bzw. Verschiebungen addieren sich oder werden miteinander kombiniert, dennoch kommt es zu einer Superposition, die eine Modulation der Kennlinien, beispielsweise des Kraft-Weg-Verhaltens oder des Momenten-Winkel-Verhaltens, so dass sich eine Veränderung von Vorspannung und Steifigkeiten, nicht monotone Kennlinien, transparente Modi sowie eine Übertragung von Energie von dem Antrieb 60 in den Kraftspeicher 90 und umgekehrt einstellen können. Somit wird eine Verschiebung der Kennlinie als Funktion des Momentes moduliert.When the
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Das Rekuperieren von Energie über einen Generator ist insbesondere bei hohen Drehzahlen des Generators effizient. Es ist daher vorgesehen, in Phasen möglichst hoher Drehzahl des Generators oder des Motors im Generatorbetrieb elektrische Energie zu rekuperieren, dies können Phasen mit hoher Kniewinkelgeschwindigkeit sein. Bei einer Ausführung mit einer variablen Übersetzung können auch Phasen mit einer hohen Übersetzung genutzt werden. Das Entladen des Kraftspeichers unter Nutzung der Rekuperation kann zeitverzögert erfolgen, sodass während der Rekuperation durch den Motor entsprechend hohe Drehzahlen des Motors vorliegen. Insbesondere das Aufladen des Kraftspeichers in der Standphase sowie das Entladen und Rekuperieren in der Schwungphase sind vorteilhaft. Auch für das Entladen sowie das Rekuperieren gemäß der
Insbesondere ist es möglich, einen Energieaustausch zwischen dem Antrieb 60 und dem Kraftspeicher 90 da Energiespeicher herbeizuführen, wobei insbesondere der Kraftspeicher 90 über den Antrieb 60 geladen wird oder die beim Rekuperieren erzeugte elektrische Energie in dem Energiespeicher aufbewahrt wird, bis sie benötigt wird.In particular, it is possible to bring about an energy exchange between the
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 2 535 024 A1 [0006]EP 2 535 024 A1 [0006]
-
DE 10 2018 126 324 A1 [0007]
DE 10 2018 126 324 A1 [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- A Comparison of Parallel- and Series Elastic Elements in an Actuator for Mimicking Human Ankle Joint in Walking and Running“ von Martin Grimmer, Mahdy Eslamy, Stefan Gliech und André Seyfarth, veröffentlicht auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2012 [0008]A Comparison of Parallel and Series Elastic Elements in an Actuator for Mimicking Human Ankle Joint in Walking and Running” by Martin Grimmer, Mahdy Eslamy, Stefan Gliech and André Seyfarth, published at the IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2012 [0008]
- Effects of Unidirectional Parallel Springs on Required Peak Power and Energy in Powered Prosthetic Ankles: Comparison between Different Active Actuation Concepts“ von Mahdy Eslamy, Martin Grimmer und Andre Seyfarth, S. 2406 bis 2412, Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 11. - 14. Dezember 2012, Guangzhou, China [0009]Effects of Unidirectional Parallel Springs on Required Peak Power and Energy in Powered Prosthetic Ankles: Comparison between Different Active Actuation Concepts” by Mahdy Eslamy, Martin Grimmer and Andre Seyfarth, pp. 2406 to 2412, Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, December 11th - 14th, 2012, Guangzhou, China [0009]
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008045113B4 (en) * | 2008-09-01 | 2011-08-25 | Otto Bock HealthCare GmbH, 37115 | Prosthetic knee joint and method for operating a prosthetic knee joint |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2535024A1 (en) | 2002-08-22 | 2012-12-19 | Victhom Human Bionics Inc. | Actuated prosthesis for above-knee amputees |
| DE102008045113B4 (en) * | 2008-09-01 | 2011-08-25 | Otto Bock HealthCare GmbH, 37115 | Prosthetic knee joint and method for operating a prosthetic knee joint |
| DE102018126324A1 (en) | 2018-10-23 | 2020-04-23 | Otto Bock Healthcare Products Gmbh | Orthopedic joint and orthopedic device |
| US20230025654A1 (en) * | 2021-07-21 | 2023-01-26 | The Chinese University Of Hong Kong | Smart knee joint for a human lower limb exoskeleton, a prosthesis and an orthosis |
Non-Patent Citations (2)
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| A Comparison of Parallel- and Series Elastic Elements in an Actuator for Mimicking Human Ankle Joint in Walking and Running" von Martin Grimmer, Mahdy Eslamy, Stefan Gliech und André Seyfarth, veröffentlicht auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2012 |
| Effects of Unidirectional Parallel Springs on Required Peak Power and Energy in Powered Prosthetic Ankles: Comparison between Different Active Actuation Concepts" von Mahdy Eslamy, Martin Grimmer und Andre Seyfarth, S. 2406 bis 2412, Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 11. - 14. Dezember 2012, Guangzhou, China |
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