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DE102023120962A1 - Orthopaedic joint device and method for its control - Google Patents

Orthopaedic joint device and method for its control Download PDF

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DE102023120962A1
DE102023120962A1 DE102023120962.0A DE102023120962A DE102023120962A1 DE 102023120962 A1 DE102023120962 A1 DE 102023120962A1 DE 102023120962 A DE102023120962 A DE 102023120962A DE 102023120962 A1 DE102023120962 A1 DE 102023120962A1
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DE
Germany
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drive
energy storage
energy
resistance
storage device
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Pending
Application number
DE102023120962.0A
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German (de)
Inventor
Dirk Seifert
Wolfgang Sauberer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Otto Bock Healthcare Products GmbH
Original Assignee
Otto Bock Healthcare Products GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Otto Bock Healthcare Products GmbH filed Critical Otto Bock Healthcare Products GmbH
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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 EP 2 535 024 A1 beschreibt ein Prothesenbein mit einem Knieelement, das ein Oberteil mit einem länglichen Unterschenkelteil verbindet, um eine relative Bewegung zu ermöglichen. Ein serielles elastisches Betätigungsglied ist zwischen dem Knieelement und dem Unterschenkelteil angeordnet und so konfiguriert, dass an dem Knieelement ein Drehmoment ausgeübt wird, um eine relative Bewegung zwischen dem Knieelement und dem Unterschenkelelement zu bewirken. Das serielle elastische Betätigungsglied weist einen Motor auf, der mit einer elastischen Vorrichtung gekoppelt ist.The EP 2 535 024 A1 describes a prosthetic leg with a knee element connecting an upper part to an elongated lower leg part to allow relative movement. A serial elastic actuator is connected between the knee element and the lower leg portion and configured to apply torque to the knee element to cause relative movement between the knee element and the lower leg element. The series elastic actuator includes a motor coupled to an elastic device.

Die DE 10 2018 126 324 A1 beschreibt ein orthopädietechnisches Gelenk mit einem ersten Bauteil, einem zweiten Bauteil, das um eine Schwenkachse schwenkbar an dem ersten Bauteil angeordnet ist und einem Aktuator zum Verschwenken des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil in zumindest eine Richtung. Der Aktuator ist lösbar an einer medialen oder lateralen Seite an dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil angeordnet. Das Gelenk kann wenigstens einen Dämpfer aufweisen, der eingerichtet und angeordnet ist, ein Verschwenken des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil zu dämpfen. Der Aktuator kann ein elastisches Element und/oder einen seriell elastischen Aktuator und/oder einen parallelen elastischen Aktuator aufweisen.The DE 10 2018 126 324 A1 describes an orthopedic joint with a first component, a second component that is arranged on the first component so as to be pivotable about a pivot axis, and an actuator for pivoting the first component relative to the second component in at least one direction. The actuator is detachably arranged on a medial or lateral side on the first component or the second component. The joint can have at least one damper that is designed and arranged to dampen pivoting of the first component relative to the second component. The actuator can have an elastic element and/or a serial elastic actuator and/or a parallel elastic actuator.

In dem Artikel „ 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 , wird die Verringerung der Spitzenleistung und des Energieverbrauches von Aktuatoren durch den Einsatz von elastischen Elementen in Prothesen diskutiert. Mit den gegenwärtigen kommerziell erhältlichen Motortechnologien sei es nicht möglich, das Verhalten eines menschlichen Knöchels für höhere Geschwindigkeiten und beim Laufen mit einer einzelnen Motorlösung unter Verwendung eines seriell-elastischen Aktuators nachzuahmen. Mit einem parallelen elastischen Aktuator kann die benötigte Spitzenleistung des Antriebes weiter verringert werden. Die Kombination beider elastischen Aktuatoren führt zu einer weiteren Verringerung.In the article “ 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 , the reduction of the peak power and energy consumption of actuators through the use of elastic elements in prostheses is discussed. With the current commercially available motor technologies, it is not possible to imitate the behavior of a human ankle for higher speeds and when walking with a single motor solution using a series elastic actuator. With a parallel elastic actuator, the required peak power of the drive can be further reduced. The combination of both elastic actuators leads to a further reduction.

In dem Artikel „ 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 , wird das gleiche Problem erörtert und ein Konzept eines Motors mit zwei Kraftspeichern, einem seriellen und einem parallelen Kraftspeicher, vorgestellt.In the article “ 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 , the same problem is discussed and a concept of a motor with two energy storage devices, one serial and one parallel, is presented.

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.
In the following, embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the attached figures. They show:
  • 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 1 ist in einer schematischen Darstellung eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung als Teil eines Prothesenbeins mit einem Oberschenkelschaft als Oberteil 10 und einem Unterschenkelteil als Unterteil 20 dargestellt. Das Oberteil 10 und das Unterteil 20 sind schwenkbar relativ zueinander um eine Schwenkachse 15 aneinander befestigt. An dem Unterschenkelteil ist ein Prothesenfuß angeordnet. Zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ist eine Widerstandseinrichtung 30 in Gestalt eines schematisch dargestellten Hydraulikdämpfers 30 angeordnet, der einen Widerstand gegen eine Verschwenkung sowohl in Extensionsrichtung als auch in Flexionsrichtung bereitstellt bzw. bereitstellen kann. Der Hydraulikdämpfer 30 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Lineardämpfer ausgebildet und weist eine Gehäuse 32 auf, in dem ein Zylinder 34 ausgebildet ist. Innerhalb des Zylinders 34 ist ein Kolben 36 an einer Kolbenstange 33 angeordnet und teilt den Zylinder 34 in zwei Kammern. Zwischen den Kammern ist eine strömungstechnische Verbindung ausgebildet, die später näher erläutert wird. Der Hydraulikdämpfer 30 ist an seinem proximalen Ende an der Kolbenstange 33 über eine erste Befestigungsstelle 31 mit dem Oberteil 10 mechanisch gekoppelt. Das Gehäuse 32 ist an dem distalen Ende des Hydraulikdämpfers 34 über eine zweite Befestigungsstelle 37 mit dem Unterteil 20 mechanisch gekoppelt. Der Strömungswiderstand innerhalb der hydraulischen Verbindung zwischen den beiden Kammern ist bei einer Bewegung des Kolbens 36 innerhalb des Zylinders 34 verstellbar, um eine an die jeweilige Situation angepasste Dämpfung der Bewegung vornehmen zu können. Zusätzlich ist zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ein Antrieb 60 angeordnet, der dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Verschwenkung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20, zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass der Antrieb 60 in Gestalt eines Elektromotors über ein Getriebe 70 ein Moment auf die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung aufbringt, um das Unterteil 20 beispielsweise während der Schwungphase in Extensionsrichtung zu bewegen. Alle anderen Unterstützungen oder Beeinflussungen von Zuständen oder Bewegungssituationen zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 können ebenfalls über den Antrieb 60 mit dem Motor und dem Getriebe 70 beeinflusst werden. Beide die Bewegung beeinflussenden Komponenten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, also der Hydraulikdämpfer 30 und der Antrieb 60, wirken gleichzeitig oder können gleichzeitig und parallel zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 wirken, um ein Moment um die Schwenkachse 15 aufzubringen. Statt eines Lineardämpfers kann der Hydraulikdämpfer auch als eine Rotationshydraulik ausgebildet sein.In the 1 is a schematic representation of an orthopaedic joint device as part of a prosthetic leg with a femoral shaft as upper part 10 and a lower leg part as lower part 20. The The upper part 10 and the lower part 20 are pivotally attached to one another about a pivot axis 15. A prosthetic foot is arranged on the lower leg part. Between the upper part 10 and the lower part 20 there is a resistance device 30 in the form of a schematically illustrated hydraulic damper 30, which provides or can provide resistance to pivoting in both the extension direction and the flexion direction. In the exemplary embodiment shown, the hydraulic damper 30 is designed as a linear damper and has a housing 32 in which a cylinder 34 is formed. A piston 36 is arranged on a piston rod 33 within the cylinder 34 and divides the cylinder 34 into two chambers. A fluid connection is formed between the chambers, which will be explained in more detail later. The hydraulic damper 30 is mechanically coupled to the upper part 10 at its proximal end on the piston rod 33 via a first fastening point 31. The housing 32 is mechanically coupled to the lower part 20 at the distal end of the hydraulic damper 34 via a second fastening point 37. The flow resistance within the hydraulic connection between the two chambers is adjustable when the piston 36 moves within the cylinder 34 in order to be able to dampen the movement in a way that is adapted to the respective situation. In addition, a drive 60 is arranged between the upper part 10 and the lower part 20, which is designed and configured to cause, support or hinder a pivoting of the upper part 10 relative to the lower part 20. This is done, for example, by the drive 60 in the form of an electric motor applying a torque to the orthopedic joint device via a gear 70 in order to move the lower part 20 in the extension direction, for example during the swing phase. All other supports or influences on states or movement situations between the upper part 10 and the lower part 20 can also be influenced via the drive 60 with the motor and the gear 70. Both components of the orthopedic joint device that influence the movement, i.e. the hydraulic damper 30 and the drive 60, act simultaneously or can act simultaneously and in parallel between the upper part 10 and the lower part 20 in order to apply a moment about the pivot axis 15. Instead of a linear damper, the hydraulic damper can also be designed as a rotary hydraulic system.

Alternativ zu der Ausgestaltung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung als Komponente in einem Prothesenbein sind in der 3 zwei alternative Anwendungen dargestellt, bei der die orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung als Teil einer Orthese ausgebildet ist. Die Ausführungsbeispiele in der 3 zeigen eine erste Orthese der oberen Extremität in Gestalt einer Ellenbogenorthese sowie eine zweite Orthese für die untere Extremität in Gestalt einer Knieorthese. An der Ellenbogenorthese sind nicht alle Komponenten dargestellt, alle Komponenten sind jedoch auch dort vorhanden. Jede Orthese weist ein Oberteil 10 und ein Unterteil 20 auf, die über Befestigungseinrichtungen 19, 29, beispielsweise in Gestalt von Manschetten, Schalen, Gurten oder ähnlichen Befestigungseinrichtungen oder Kombinationen davon an dem jeweiligen Körperteil festgelegt werden. Für die Ellenbogenorthese erfolgt die Festlegung an dem Oberarm und dem Unterarm, für die Knieorthese erfolgt die Festlegung über Oberschenkelmanschetten 19 und Unterschenkelmanschetten 29. Anhand der Knieorthese ist dargestellt, dass der Hydraulikdämpfer 30 ebenso wie der Antrieb 60 um die Schwenkachse 15 wirken. Der Hydraulikdämpfer 30 ist wieder mit einem Ende der Kolbenstange an dem Oberteil 10 und mit dem Gehäuseteil an dem Unterteil 20 befestigt. Weiterhin sind an dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 Sensoren 95 angeordnet oder diesen zugeordnet, die mit einer Steuerungseinrichtung 80 verbunden sind. Die Verbindung kann entweder per Draht oder per Funk oder über eine andere Art und Weise der Signalübermittlung erfolgen. Die Steuerungseinrichtung 80 ist mit dem Antrieb 60 und dem Hydraulikdämpfer 30 gekoppelt und ermöglicht eine Aktivierung, Deaktivierung oder Modulierung des Antriebes 60 sowie eine Verstellung von Ventilen innerhalb des Hydraulikdämpfers 30. Die Steuerungseinrichtung 80 weist alle notwendigen Datenverarbeitungseinrichtungen, Speicher, Software, Hardware, Schnittstellen sowie eine Energieversorgung auf, um die Steuerung oder Regelung sowohl des Antriebes 60 als auch des Hydraulikdämpfers 30 zu bewirken. Der Antrieb 60 kann über einen zusätzlichen Energiespeicher in Gestalt einer Batterie oder eines Akkumulators mit der notwendigen elektrischen Energie versorgt werden. Der Antrieb 60 kann sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden, um so beispielsweise bei einer benötigten zusätzlichen Bremsleistung oder einer Erhöhung des Widerstandes gegen eine Verschwenkung die Bewegungsenergie in elektrische Energie wieder zurück zu wandeln. Die Sensoren 95 können Kraftsensoren, Momentensensor, Lagesensoren, Drucksensoren, Temperatursensoren sowie IMUs sein. Mehrere Sensoren können sowohl an dem Oberteil 10 als auch an dem Unterteil 20 angeordnet sein. Auf der Basis der übermittelten Sensorwerte werden dann die entsprechenden Schaltbefehle durch die Steuerungseinrichtung 80 ausgegeben.As an alternative to the design of the orthopaedic joint device as a component in a prosthetic leg, 3 Two alternative applications are shown in which the orthopaedic joint device is designed as part of an orthosis. The embodiments in the 3 show a first orthosis for the upper extremity in the form of an elbow orthosis and a second orthosis for the lower extremity in the form of a knee orthosis. Not all components are shown on the elbow orthosis, but all components are also present there. Each orthosis has an upper part 10 and a lower part 20, which are attached to the respective body part via fastening devices 19, 29, for example in the form of cuffs, shells, straps or similar fastening devices or combinations thereof. For the elbow orthosis, the attachment takes place on the upper arm and the forearm, for the knee orthosis, the attachment takes place via thigh cuffs 19 and lower leg cuffs 29. The knee orthosis shows that the hydraulic damper 30 and the drive 60 act around the pivot axis 15. The hydraulic damper 30 is again attached to the upper part 10 with one end of the piston rod and to the lower part 20 with the housing part. Furthermore, sensors 95 are arranged on the upper part 10 and the lower part 20 or are associated with them and are connected to a control device 80. The connection can be made either by wire or radio or by another type of signal transmission. The control device 80 is coupled to the drive 60 and the hydraulic damper 30 and enables activation, deactivation or modulation of the drive 60 and adjustment of valves within the hydraulic damper 30. The control device 80 has all the necessary data processing devices, memory, software, hardware, interfaces and a power supply in order to control or regulate both the drive 60 and the hydraulic damper 30. The drive 60 can be supplied with the necessary electrical energy via an additional energy storage device in the form of a battery or an accumulator. The drive 60 can be operated both as a motor and as a generator, for example to convert the kinetic energy back into electrical energy when additional braking power is required or the resistance to swiveling is increased. The sensors 95 can be force sensors, torque sensors, position sensors, pressure sensors, temperature sensors and IMUs. Several sensors can be arranged on both the upper part 10 and the lower part 20. The corresponding switching commands are then issued by the control device 80 on the basis of the transmitted sensor values.

In der Ausgestaltung gemäß der 1 als auch in der Ausgestaltung gemäß 3 sind zusätzlich zu der Widerstandseinrichtung 30 und dem motorischen Antrieb 60 ein Kraftspeicher 90 zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 angeordnet, um eine Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 zu unterstützen, zu behindern oder zu bewirken. Der Kraftspeicher 90 in der 1 ist beispielsweise distal an der Widerstandseinrichtung 30 angeordnet und in Reihe zu der Widerstandseinrichtung 30 wirksam geschaltet. Das gleiche gilt für die Ausführung vom gemäß der 3, bei der unterhalb des Gehäuses der Widerstandseinrichtung 30 der Kraftspeicher, beispielsweise in Gestalt einer einstellbaren und sperrbaren mechanischen oder pneumatischen Feder oder eines Elastomerelementes angeordnet ist.In the design according to the 1 as well as in the design according to 3 In addition to the resistance device 30 and the motor drive 60, a force accumulator 90 is installed between the upper part 10 and the lower part 20. arranged to support, hinder or effect a pivoting or pivotability of the upper part 10 relative to the lower part 20. The energy storage device 90 in the 1 is arranged distally on the resistance device 30 and is connected in series with the resistance device 30. The same applies to the design of the 3 , in which the energy accumulator, for example in the form of an adjustable and lockable mechanical or pneumatic spring or an elastomer element, is arranged below the housing of the resistance device 30.

In der 2 ist ein hydraulisches Schaltbild des Hydraulikdämpfers 30 dargestellt, mit einem Gehäuse 32, das einen Zylinder 34 in sich ausbildet oder aufnimmt. Der Zylinder 34 wird durch den Kolben 36 in eine erste Kammer 341 und eine zweite Kammer 342 unterteilt. Zwischen den beiden Kammern 341, 342 ist eine hydraulische Verbindung 40 in Gestalt von Strömungskanälen angeordnet, sodass Hydraulikfluid von der ersten Kammer 341 in die zweite Kammer 342 fließt, wenn der Kolben 36 nach unten gedrückt wird, beispielsweise bei einer Flexion. Umgekehrt wird Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 342 durch die strömungstechnische Verbindung 40 in die erste Kammer 341 geleitet, wenn eine Extensionsbewegung stattfindet. Aufgrund der Volumendifferenz zwischen der Verdrängung in der ersten Kammer 341 im Verhältnis zu der zweiten Kammer 342 aufgrund der in der zweiten Kammer 342 befindlichen Kolbenstange 33 ist ein Ausgleichsvolumen 38 in dem Hydraulikdämpfer 30 angeordnet oder mit diesem gekoppelt.In the 2 a hydraulic circuit diagram of the hydraulic damper 30 is shown, with a housing 32 that forms or accommodates a cylinder 34. The cylinder 34 is divided by the piston 36 into a first chamber 341 and a second chamber 342. A hydraulic connection 40 in the form of flow channels is arranged between the two chambers 341, 342, so that hydraulic fluid flows from the first chamber 341 into the second chamber 342 when the piston 36 is pressed downwards, for example during flexion. Conversely, hydraulic fluid from the second chamber 342 is guided through the fluid connection 40 into the first chamber 341 when an extension movement takes place. Due to the volume difference between the displacement in the first chamber 341 in relation to the second chamber 342 due to the piston rod 33 located in the second chamber 342, a compensating volume 38 is arranged in the hydraulic damper 30 or coupled thereto.

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 adjustable valves 50 in the form of switching valves are arranged within the fluid connection 40. Each chamber 341, 342 is assigned a switching valve 50. A check valve 55 is arranged parallel to each switching valve 50 as a bypass in the fluid connection 40. With two check valves 55, one of which is assigned to a chamber 341, 342, the two check valves 55 are arranged to act in opposite directions. Both check valves 55 allow hydraulic fluid to flow into the respective chamber 341, 342, but block the flow in the opposite direction, so that the hydraulic fluid emerging from the chamber 341, 342 must be guided through the switching valve 50.

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 valves 50 are designed as 3-way switching valves that can be switched between three discrete states. In the switching state shown, the fluid connection 40 is interrupted, i.e. no hydraulic fluid can flow from one chamber 341 into the other chamber 342. The prosthetic knee joint or the orthopedic joint device is locked in the position.

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 throttle 56 is arranged upstream of the respective switching valve 50 in the flow direction from the chamber, which, for example, halves the flow cross-section or reduces it to the desired value. The throttle cross-section is preferably adjustable. Parallel to this throttle 56, a flow channel with a maximum or fully open flow cross-section is present and leads to the switching valve 50. If the switching valve 50 is moved downwards from the interrupted and thus blocked position shown, which can be done by an electromagnet or another actuator or drive, the line not acted upon by the throttle 56 is acted upon by hydraulic fluid and can pass the hydraulic fluid through unhindered during an extension movement in which the piston 36 is moved upwards.

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 valve 50 is moved upwards from the shown locked position, hydraulic fluid from the second chamber 342 must first pass through the upstream throttle 56 in order to then pass through the check valve 55 into the first chamber 341. In this position, there is then an increased flow resistance, so that the pivoting movement in the extension direction is dampened. The switching for the switching valve 50 assigned to the first chamber 341 is correspondingly for the flexion movement.

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 valves 50 is carried out sensor-based via the control device 80. Based on the sensor data of the sensors 95, the respective actuator for the switching valve 50 is activated or deactivated and the corresponding switching position is assumed.

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 throttle 56 is not sufficient or is too much to provide the desired or required resistance, the drive 60 is activated so that an additional torque is applied via the motor and, if applicable, the gear box, which either counteracts the movement or supports it in order to increase or reduce the resistance. The activation of the motor 60 also takes place via the controller 80 on the basis of sensor values and control programs and software that are stored in the controller 80.

In der 4a ist eine schematische Darstellung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung anhand eines Prothesenbeines dargestellt. Das Oberteil 10 ist beispielsweise der Oberschenkelschaft oder das Oberteil eines Prothesenkniegelenkes, das Unterteil 20 ist das Unterschenkelrohr, das verschwenkbar um die Schwenkachse 15 an dem Oberteil 10 gelagert ist. Die Widerstandseinrichtung 30 ist in Gestalt eines hydraulischen Lineardämpfers mit der Kolbenstange an dem Oberteil 10 befestigt, das Gehäuse, in dem der Kolben bei einer Flexion nach unten und einer Extension nach oben bewegt wird, ist an dem Unterteil 20 unter Zwischenschaltung des Kraftspeichers 90 befestigt. Der Kraftspeicher 90 ist als Feder oder Druckspeicher ausgebildet und kann eine Einstelleinrichtung aufweisen, mit der die Federvorspannung und/oder Federsteifigkeit verstellt werden kann. In der Ausgestaltung des Kraftspeichers 90 als Druckspeicher sind eine Pumpe und ein Ventil dem Druckspeicher zugeordnet, um den Druck zu erhöhen oder zu verringern und dadurch die Federvorspannung bzw. die Federsteifigkeit einzustellen. Die Widerstandseinrichtung 30 und der Kraftspeicher 90 können als ein Modul ausgebildet und zu einer Baueinheit zusammengefasst sein. Der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung ebenfalls zugeordnet ist ein motorischer Antrieb 60, der eingerichtet und ausgebildet ist, eine Verschwenkbewegung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 zu bewirken, einer solchen Verschwenkbewegung entgegenzuwirken oder sie zu unterstützen. In the 4a is a schematic representation of an orthopedic joint device illustrated using a prosthetic leg. The upper part 10 is, for example, the femoral shaft or the upper part of a prosthetic knee joint, the lower part 20 is the lower leg tube, which is mounted on the upper part 10 so that it can pivot about the pivot axis 15. The resistance device 30 is in the form of a hydraulic linear damper with the piston rod attached to the upper part 10, the housing in which the piston is moved downwards during flexion and upwards during extension is attached to the lower part 20 with the energy accumulator 90 interposed. The energy accumulator 90 is designed as a spring or pressure accumulator and can have an adjustment device with which the spring preload and/or spring stiffness can be adjusted. In the design of the energy accumulator 90 as a pressure accumulator, a pump and a valve are assigned to the pressure accumulator in order to increase or decrease the pressure and thereby adjust the spring preload or the spring stiffness. The resistance device 30 and the energy storage device 90 can be designed as a module and combined to form a structural unit. Also associated with the orthopedic joint device is a motor drive 60 which is set up and designed to cause a pivoting movement of the upper part 10 relative to the lower part 20, to counteract such a pivoting movement or to support it.

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 drive 60 thus also acts as a resistance device when the drive 60 is controlled by the control device 80 (not shown) in such a way that it counteracts a pivoting movement. The drive 60 for influencing the resistance against a pivoting movement or for supporting a pivoting movement of the upper part 10 relative to the lower part acts parallel to the resistance device 30 and the energy accumulator 90 connected in series therewith.

In der 4b ist eine der 4a gezeigt, bei der der Kraftspeicher 90 einstellbar ausgebildet ist, eine Dämpfungseinrichtung oder Widerstandseinrichtung 30, die bei der 4a in Serie oder Reihe zu dem Kraftspeicher 90 angeordnet ist, ist in der 4b nicht vorhanden.In the 4b is one of the 4a shown, in which the energy storage device 90 is adjustable, a damping device or resistance device 30, which in the 4a arranged in series or in series with the energy accumulator 90, is in the 4b unavailable.

Der grundsätzliche gleiche Aufbau der 4a ist in der 5 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die Widerstandseinrichtung 30 verstellbar ausgebildet ist, um den Widerstand gegen eine Verschwenkbewegung einstellen zu können. Die Einstellung erfolgt bei einer Ausgestaltung als Hydraulikdämpfer durch Veränderungen des Strömungsquerschnittes innerhalb der hydraulischen Leitungen in der Widerstandseinrichtung 30, beispielsweise durch Veränderungen von Durchlassquerschnitten in Ventilen oder Drosseln. Die Verstellung erfolgt auf Grundlage beispielsweise von Sensordaten adaptiv während der Bewegung oder einmalig durch einen Orthopädietechniker zur Anpassung der Widerstandseinrichtung 30 an den Patienten und die einzelnen Komponenten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung. Die Verstellbarkeit ermöglicht auch eine Anpassung an sich verändernde Eigenschaften der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, an Verschleiß, Veränderungen hinsichtlich der unterschiedlichen Nutzungsarten oder aufgrund sich verändernder Fähigkeiten oder Vorlieben des jeweiligen Nutzers.The fundamentally same structure of the 4a is in the 5 shown, with the difference that the resistance device 30 is adjustable in order to be able to set the resistance against a pivoting movement. In a design as a hydraulic damper, the adjustment is made by changes in the flow cross-section within the hydraulic lines in the resistance device 30, for example by changes in passage cross-sections in valves or throttles. The adjustment is made on the basis of sensor data, for example, adaptively during the movement or once by an orthopedic technician to adapt the resistance device 30 to the patient and the individual components of the orthopedic joint device. The adjustability also enables adaptation to changing properties of the orthopedic joint device, to wear, changes with regard to the different types of use or due to changing abilities or preferences of the respective user.

In der 6 ist statt der Widerstandseinrichtung 30 der Kraftspeicher 90 verstellbar, insbesondere einstellbar und auch sperrbar ausgebildet. Die Einstellbarkeit des Kraftspeichers 90 ermöglicht eine Anpassung der Energiemenge, die in dem Kraftspeicher 90 gespeichert werden kann und damit auch die Menge an Energie, die zur Unterstützung der Verschwenkbewegung oder zur entgegengesetzt gerichteten Wirkung, also zur Behinderung oder Verhinderung einer Verschwenkbewegung eingesetzt werden kann. Die Verstellung sowohl des Kraftspeichers 90 als auch gegebenenfalls der Widerstandseinrichtung 30 erfolgt beispielsweise sensorgesteuert über die oben beschriebenen Sensoren und die Steuerung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet ist.In the 6 instead of the resistance device 30, the energy storage device 90 is adjustable, in particular adjustable and also lockable. The adjustability of the energy storage device 90 enables an adjustment of the amount of energy that can be stored in the energy storage device 90 and thus also the amount of energy that can be used to support the pivoting movement or to act in the opposite direction, i.e. to hinder or prevent a pivoting movement. The adjustment of both the energy storage device 90 and, if applicable, the resistance device 30 is carried out, for example, sensor-controlled via the sensors described above and the control system, which is not shown for reasons of clarity.

In der 7 sind sowohl die Widerstandseinrichtung 30 als auch der Kraftspeicher 90 verstellbar, insbesondere einstellbar und sperrbar ausgebildet.In the 7 Both the resistance device 30 and the energy accumulator 90 are adjustable, in particular adjustable and lockable.

In der 8 ist eine Variante der Anordnung von Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 dargestellt, die alle an der frontalen Seite der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Widerstandseinrichtung 30 und der Kraftspeicher 90 nicht einstellbar oder verstellbar, können jedoch nach Wunsch mit dem Antrieb 60 kombiniert werden, um den gewünschten Widerstand gegen eine Verschwenkbewegung bereitzustellen bzw. eine Verschwenkbewegung entsprechend zu unterstützen. In den 9 und 10 sind die Widerstandseinrichtung 30 bzw. der Kraftspeicher 90 verstellbar und wie bei der Anordnung gemäß der 8 eingesetzt. In der 11 sind sowohl der Kraftspeicher 90 als auch die Widerstandseinrichtung 30 verstellbar und einstellbar ausgebildet.In the 8 A variant of the arrangement of resistance device 30, drive 60 and energy storage 90 is shown, all of which are arranged on the front side of the orthopaedic joint device. In the embodiment shown, the resistance device 30 and the energy storage 90 are not adjustable or adjustable, but can be combined with the drive 60 as desired in order to provide the desired resistance against a pivoting movement or to support a pivoting movement accordingly. In the 9 and 10 The resistance device 30 or the energy storage device 90 are adjustable and as in the arrangement according to 8 used. In the 11 Both the energy accumulator 90 and the resistance device 30 are designed to be adjustable.

Eine Variante der Anordnung von Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 ist in 12 dargestellt. Der Antrieb 60 ist parallel zu dem Kraftspeicher 90 wirksam angeordnet und in Serie zu der Widerstandseinrichtung 30 geschaltet. Sowohl die Widerstandeinrichtung 30 als auch der Kraftspeicher 90 sind einstellbar bzw. verstellbar ausgebildet. In dieser Konfiguration ist es möglich, den Kraftspeicher 90 über den Antrieb 60 aufzuladen. Der Antrieb 60 ist dann die Einstellvorrichtung zur Verstellung der Federvorspannung oder der Federsteifigkeit beziehungsweise der Einstellung des Druckes innerhalb des Druckspeichers, wenn ein solcher als Kraftspeicher 90 ausgebildet ist. Kraftspeicher 90 und Antrieb 60 sind somit parallel wirksam zueinander angeordnet. Soll der Antrieb 60 beispielsweise im Generatorbetrieb betrieben werden, ist es sinnvoll und möglich, dass der Kraftspeicher 90 gesperrt wird, um die Bewegungsenergie aus der Relativbewegung zwischen Oberteil 10 und Unterteil 20 ohne Verluste zum Bewegen des Antriebes 60 zu verwenden. Dazu ist auch die Widerstandseinrichtung 30 sperrbar ausgebildet und wird im Generatorbetrieb vorteilhafterweise gesperrt. Dadurch ist es möglich, die gesamte Bewegungsenergie aus der Relativbewegung von Oberteils 10 zu Unterteil 20 über den Antrieb 60 in Generatorbetrieb als elektrische Energie umzuwandeln und einem entsprechenden Energiespeicher oder Akkumulator zuzuführen. Die Bewegung von Oberteil 10 und Unterteil 20 relativ zueinander wird durch alle drei Komponenten, nämlich Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 beeinflusst, indem eine Verschwenkung unterstützt, behindert oder verhindert wird.A variant of the arrangement of resistance device 30, drive 60 and energy storage 90 is shown in 12 The drive 60 is arranged in parallel to the energy storage device 90 and connected in series to the resistance device 30. Both the resistance device 30 and the energy storage device 90 are adjustable or adjustable. In this configuration it is possible to to charge the energy accumulator 90 via the drive 60. The drive 60 is then the adjustment device for adjusting the spring preload or the spring stiffness or for setting the pressure within the pressure accumulator if such is designed as an energy accumulator 90. The energy accumulator 90 and the drive 60 are thus arranged in parallel to one another. If the drive 60 is to be operated in generator mode, for example, it is sensible and possible for the energy accumulator 90 to be locked in order to use the kinetic energy from the relative movement between the upper part 10 and the lower part 20 to move the drive 60 without losses. For this purpose, the resistance device 30 is also designed to be lockable and is advantageously locked in generator mode. This makes it possible to convert all of the kinetic energy from the relative movement of the upper part 10 to the lower part 20 into electrical energy via the drive 60 in generator mode and to feed it to a corresponding energy store or accumulator. The movement of upper part 10 and lower part 20 relative to each other is influenced by all three components, namely resistance device 30, drive 60 and energy storage 90, by supporting, hindering or preventing pivoting.

In der 13 ist eine weitere Variante der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil 10, einem Unterteil 20 und einem dazwischen angeordneten Gelenk zur Verschwenkung relativ zueinander um eine Schwenkachse 15 dargestellt, exemplarisch entweder für ein Prothesenbein oder eine Beinorthese. Eine Widerstandseinrichtung 30, beispielsweise in Gestalt eines hydraulischen oder pneumatischen Dämpfers, einer magnetorheologischen Widerstandseinrichtung oder einer Reibungsbremse ist parallel zu einem Kraftspeicher 90 angeordnet, der beispielsweise als ein Druckluftspeicher, ein Elastomerelement oder eine mechanische Feder ausgebildet ist. Der Kraftspeicher 90 ist einstellbar und zudem schaltbar. Ebenfalls parallel dazu ist ein motorischer Antrieb 60 im Oberteil 10 und dem Unterteil 20 zugeordnet, um eine Verschwenkbewegung in Extensionsrichtung und/oder Flexionsrichtung zu beeinflussen. Der motorische Antrieb 60 unterstützt oder wirkt einer Verschwenkbewegung des Unterteils 20 relativ zu dem Oberteil 10 entgegen. Der Kraftspeicher 90 ist schaltbar mit der Widerstandseinrichtung 30 gekoppelt , sodass die Widerstandseinrichtung 30 in Kombination mit dem Antrieb 60, in Kombination mit dem Kraftspeicher 90 oder in Kombination mit dem Antrieb 60 und dem Kraftspeicher 90 betrieben werden kann, zusätzlich zu der Option, dass die Widerstandseinrichtung 30 ohne eine weitere Komponente zur Beeinflussung der Verschwenkbewegung eingesetzt werden kann. In der Ausführungsform gemäß der 13 ist der Antrieb als ein rotatorisch wirkender, motorischer Antrieb parallel zu dem Kraftspeicher 90 ausgebildet.In the 13 is a further variant of the orthopedic joint device with an upper part 10, a lower part 20 and a joint arranged between them for pivoting relative to one another about a pivot axis 15, as an example for either a prosthetic leg or a leg orthosis. A resistance device 30, for example in the form of a hydraulic or pneumatic damper, a magnetorheological resistance device or a friction brake, is arranged parallel to a force accumulator 90, which is designed for example as a compressed air reservoir, an elastomer element or a mechanical spring. The force accumulator 90 is adjustable and also switchable. Also parallel to this is a motor drive 60 in the upper part 10 and the lower part 20 in order to influence a pivoting movement in the extension direction and/or flexion direction. The motor drive 60 supports or counteracts a pivoting movement of the lower part 20 relative to the upper part 10. The energy storage device 90 is switchably coupled to the resistance device 30, so that the resistance device 30 can be operated in combination with the drive 60, in combination with the energy storage device 90 or in combination with the drive 60 and the energy storage device 90, in addition to the option that the resistance device 30 can be used without a further component to influence the pivoting movement. In the embodiment according to the 13 The drive is designed as a rotary motor drive parallel to the energy accumulator 90.

In der 14 sind die Widerstandseinrichtung 30, der Kraftspeicher 90 und der motorische Antrieb 60 parallel zueinander angeordnet, der motorische Antrieb 60 ist als ein linearer Antrieb ausgebildet. In der 15 ist der motorische Antrieb 60 als linearer Antrieb ausgebildet, der in Serie zu den parallel geschalteten weiteren Komponenten, nämlich Kraftspeicher 90 und Widerstandseinrichtung 30, angeordnet ist.In the 14 The resistance device 30, the energy storage device 90 and the motor drive 60 are arranged parallel to each other, the motor drive 60 is designed as a linear drive. In the 15 the motor drive 60 is designed as a linear drive which is arranged in series with the other components connected in parallel, namely the energy accumulator 90 and the resistance device 30.

In allen Ausführungsformen der 13 bis 15 kann in dem dargestellten Kraftspeicher 90 die an ihm verrichtete mechanische Arbeit als innere Energie speichern und im Zuge einer Energieabgabe Arbeit an seiner Umgebung verrichten. Die Kraftspeicher 90 sind insbesondere als mechanische, hydraulische oder pneumatische Federn ausgestaltet. Der jeweilige Kraftspeicher 90 kann aus der Wirkkette aus gekoppelt und in dieser ein gekoppelt werden, beispielsweise über ein Ventil eines Hydraulikschaltkreises oder über eine mechanische Kupplung. Dadurch ist es möglich, den Kraftspeicher 90 mit dem Oberteil 10 und/oder mit dem Unterteil 20 zu koppeln, bzw. aus Herr Eingriff zu bringen, wobei dies bei einem beliebigen Kniewinkel oder Gelenkswinkel zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 erfolgen kann.In all embodiments of the 13 to 15 can store the mechanical work performed on it as internal energy in the energy storage device 90 shown and perform work on its surroundings in the course of releasing energy. The energy storage devices 90 are designed in particular as mechanical, hydraulic or pneumatic springs. The respective energy storage device 90 can be coupled out of the chain of action and coupled into it, for example via a valve of a hydraulic circuit or via a mechanical coupling. This makes it possible to couple the energy storage device 90 with the upper part 10 and/or with the lower part 20, or to disengage it, whereby this can take place at any knee angle or joint angle between the upper part 10 and the lower part 20.

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 motor drive 60 is arranged in series with the energy storage device 90, the moments around the pivot axis 15 do not add up, but rather the transmitted forces or moments are identical for both components and the lengths or displacements add up or are combined with each other, but a superposition occurs which modulates the characteristic curves, for example the force-displacement behavior or the moment-angle behavior, so that a change in preload and stiffness, non-monotonic characteristics, transparent modes and a transfer of energy from the drive 60 to the energy storage device 90 and vice versa can occur. A shift in the characteristic curve is thus modulated as a function of the moment.

In der 14 ist eine positive Überlagerung MΣ der Kennlinie MA des Antriebes 60 und der Kennlinie MS des Kraftspeichers 90 über den Verschwenkwinkel φ dargestellt. Die Darstellung der positiven Überlagerung MΣ bezieht sich auf das generierte Kniemoment als Funktion des Kniewinkels φ, bei der der Kraftspeicher 90 in zumindest eine Bewegungsphase klimatisch dem Kniewinkel 4 gekoppelt ist. Allgemein ist der Kniewinkel φ der aktuierte Freiheitsgrad und M das zugehörige Moment oder die dazugehörige Kraft. In dem Ausführungsbeispiel der 14 ist der Kraftspeicher 90 eine progressive Feder mit einer Vorspannung. Der Antrieb 60 ist ein Motor, der entsprechend einer linearen Feder angesteuert wird, wobei das erzeugte Moment des Motors mit dem Moment des Kraftspeichers 90 gleichgerichtet ist. Die von dem Kraftspeicher 90 und dem Antrieb 60 erzeugten Momente addieren sich daher auf, sodass sich eine Kennlinie der positiven Überlagerung MΣ mit einer erhöhten Steifigkeit gegenüber der alleinigen Kennlinie MS des Kraftspeichers 90 ergibt. Die Vorspannung in der Kennlinie MS bei einem Ausgangswinkel φ0 bleibt durch das Moment des Motors oder Antriebs 60 unverändert. Durch den Antrieb 60 wird die Gesamtkennlinie in Gestalt der positiven Überlagerung MΣ ausgehend von der Kennlinie MS des Kraftspeichers moduliert.In the 14 a positive superposition M Σ of the characteristic curve M A of the drive 60 and the characteristic curve M S of the energy storage device 90 over the pivot angle φ is shown. The representation of the positive superposition M Σ refers to the generated knee moment as a function of the knee angle φ, in which the energy storage device 90 is climatically coupled to the knee angle 4 in at least one movement phase. In general, the knee angle φ is the actuated degree of freedom and M is the associated moment or the associated force. In the embodiment of the 14 The energy storage 90 is a progressive Spring with a preload. The drive 60 is a motor that is controlled like a linear spring, whereby the torque generated by the motor is aligned with the torque of the energy storage device 90. The torques generated by the energy storage device 90 and the drive 60 therefore add up, resulting in a characteristic curve of the positive superposition M Σ with increased rigidity compared to the characteristic curve M S of the energy storage device 90 alone. The preload in the characteristic curve M S at an initial angle φ 0 remains unchanged by the torque of the motor or drive 60. The drive 60 modulates the overall characteristic curve in the form of the positive superposition M Σ starting from the characteristic curve M S of the energy storage device.

In der 17 ist eine Darstellung der Linien bei einer abschwächenden Modulation durch den Antrieb 60 dargestellt. Die Kennlinie MS des Kraftspeichers ist entsprechend der der 16 ausgebildet, während die Kennlinie MA des Antriebs linear ausgebildet ist, wie in der 16, allerdings eine entgegengesetzte Wirkrichtung aufweist. Der Antrieb 60 wirkt entsprechend einer linearen Kennlinie, die bei dem Ausgangswinkel φ0 betragsmäßig der Steifigkeit des Kraftspeichers 90 entspricht und damit einen der Vorspannung des Kraftspeichers 90 entgegengesetzten Offset hat. In dem Bereich von dem Ausgangswinkel φ0 bis zu dem Grenzwinkel φ1 heben sich die Momente um die Schwenkachse 15 im Wesentlichen auf. Mit zunehmendem Gelenkwinkel nimmt das Moment des Kraftspeichers 90 durch die Progression stärker zu als jene des Antriebs 60, sodass sich eine progressive Momentzunahme bzw. Steifigkeitszunahme ergibt, was durch die Überlagerung MΣ deutlich wird, die ab dem Grenzwinkel zunimmt. Die resultierende Kennlinie der Überlagerung MΣ wird durch den Antrieb 60 im Vergleich zu der Überlagerung MΣ der 16 wesentlich verändert, und zwar sowohl hinsichtlich der wirksamen Vorspannung als auch hinsichtlich des Gesamtmomentes und der Charakteristik. Durch ein dem Moment des Kraftspeichers 60 entgegengesetztes Antriebsmoment kann das resultierende Moment um die Schwenkachse beliebig verringert werden.In the 17 is a representation of the lines with a weakening modulation by the drive 60. The characteristic curve MS of the energy storage device is corresponding to that of the 16 while the MA characteristic curve of the drive is linear, as shown in the 16 , but has an opposite direction of action. The drive 60 acts according to a linear characteristic curve, which at the starting angle φ 0 corresponds in magnitude to the stiffness of the energy storage device 90 and thus has an offset opposite to the preload of the energy storage device 90. In the range from the starting angle φ 0 to the limit angle φ 1 , the moments about the pivot axis 15 essentially cancel each other out. As the joint angle increases, the moment of the energy storage device 90 increases more strongly due to the progression than that of the drive 60, so that a progressive increase in moment or stiffness results, which is clear from the superposition M Σ , which increases from the limit angle. The resulting characteristic curve of the superposition M Σ is determined by the drive 60 in comparison to the superposition M Σ of the 16 changed significantly, both in terms of the effective preload and in terms of the total torque and characteristics. By applying a drive torque that is opposite to the torque of the energy accumulator 60, the resulting torque about the swivel axis can be reduced as desired.

In der 18 findet eine vollständige Kompensation des Momentes des Kraftspeichers 90 durch den Antrieb 60 statt, der Antrieb 60 bringt ein betragsmäßig gleiches, jedoch entgegengesetzt gerichtetes Moment zu dem Moment durch den Kraftspeicher 90 auf, sodass sich beide Momente im Wesentlichen aufheben. Das überlagerte Moment oder die Überlagerung MΣ ist über den gesamten Winkelbereich 0 oder im Wesentlichen 0. Eine solche Steuerung ermöglicht es den Kraftspeicher 90 aufzuladen oder zu entladen, ohne dass die Bewegung der orthopädietechnischen Einrichtung beeinflusst wird. Eine solche vollständige Kompensation des Momentes des Kraftspeichers durch den Antrieb wird auch Transparentmodus genannt.In the 18 a complete compensation of the moment of the energy storage device 90 by the drive 60 takes place, the drive 60 applies a moment of the same magnitude but in the opposite direction to the moment of the energy storage device 90, so that both moments essentially cancel each other out. The superimposed moment or the superposition M Σ is 0 or essentially 0 over the entire angular range. Such a control makes it possible to charge or discharge the energy storage device 90 without affecting the movement of the orthopedic device. Such a complete compensation of the moment of the energy storage device by the drive is also called transparent mode.

In der 19 ist die Modulation des resultierenden Momentes oder der Überlagerung MΣ eines Momentes MS des Kraftspeichers 90 durch ein Moment MA des Antriebes 60 in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung dargestellt. Das durch den Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA wird in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung verändert, um eine richtungsabhängige Kennlinie der Überlagerung MΣ oder des resultierenden Momentes zu erzielen. In der 19 erfolgt eine Verstärkung des Momentes MS des Kraftspeichers 90 durch das Antriebsmoment MA bei einer Flexion und eine Abschwächung bei einer Extension, wobei der Ausgangswinkel φ0 die vollständig gestreckte Position des Gelenkes darstellt. Insgesamt führt dies zu einer Hysterese der Überlagerung MΣ.In the 19 the modulation of the resulting moment or the superposition M Σ of a moment M S of the energy storage device 90 by a moment M A of the drive 60 is shown as a function of the direction of movement. The moment M A applied by the drive 60 is changed as a function of the direction of movement in order to achieve a direction-dependent characteristic of the superposition M Σ or the resulting moment. In the 19 the moment M S of the energy storage device 90 is amplified by the drive torque M A during flexion and weakened during extension, whereby the initial angle φ 0 represents the fully extended position of the joint. Overall, this leads to a hysteresis of the superposition M Σ .

In der 20 ist dargestellt, dass das durch den Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA in Abhängigkeit von der Wirkrichtung des Kraftspeichers 90 verändert wird. Eine Verstärkung erfolgt in Flexionsrichtung, ausgehend von einem Nullpunkt an dem Kreuzungspunkt der Koordinatenachsen; in Extensionsrichtung erfolgt eine Abschwächung durch das Moment MA des Antriebes 60. Die oben beschriebenen Veränderungen oder Modulationen können miteinander kombiniert werden, statt eines Nulldurchganges der Geschwindigkeit oder einem Nullpunkt können auch ein Überschreiten oder ein Unterschreiten eines Schwellwertes für die Veränderung der Kennlinie des Momentes MA durch den Antrieb 60 herangezogen werden.In the 20 it is shown that the moment M A applied by the drive 60 is changed depending on the direction of action of the energy storage device 90. An amplification takes place in the flexion direction, starting from a zero point at the intersection point of the coordinate axes; in the extension direction, a weakening takes place due to the moment M A of the drive 60. The changes or modulations described above can be combined with one another; instead of a zero crossing of the speed or a zero point, an exceedance or undershoot of a threshold value can also be used for the change in the characteristic curve of the moment M A by the drive 60.

In der 21 ist eine nicht monotone Kombination einer Verstärkung bzw. Abschwächung eines durch den Kraftspeicher 90 aufgebrachten Momentes MS durch ein Moment MA des Antriebes 60 dargestellt. Bei dem Ausgangswinkel bringt der Antrieb 60 ein Moment entgegengesetzt dem Moment durch die Vorspannung des Kraftspeichers 90 auf, so dass sich das Gesamtmoment zu Null ergibt. Zwischen dem Ausgangswinkel und dem Grenzwinkel wird der Antrieb 60 gemäß einer linearen Federsteifigkeit betrieben, wobei sich im Verlauf der Zunahme des Gelenkwinkels φ das Vorzeichen des Momentes MA von dem Antrieb 60 ändert, von einem entgegenwirkenden zu einem unterstützenden Moment. Dies geschieht ungefähr in der Mitte zwischen dem Ausgangswinkel φ0 und dem Grenzwinkel φ1. Ab dem Grenzwinkel φ1 wird das von dem Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA verringert und wirkt kurz nach dem Grenzwinkel φ1 dem Moment MA des Kraftspeichers 90 entgegen, wobei ab dem Grenzwinkel φ1 fließend zu einer negativen Federsteifigkeit für die Ansteuerung des Antriebs 60 gewechselt wird. Bei einem weiter zunehmenden Gelenkwinkel φ wirkt das Moment MA des Antriebes 60 dem Moment MS des Kraftspeichers 90 entgegen. Die resultierende Momentenkennlinie MΣ als Überlagerung von Motormoment MA und Kraftspeichermoment MA startet zunächst momentenfrei bei dem Ausgangswinkel φ0, nimmt zwischen dem Ausgangswinkel φ0 und dem Grenzwinkel φ1 zu und wird ab dem Grenzwinkel φ1 bei zunehmendem Gelenkwinkel φ wieder abgeschwächt.In the 21 is a non-monotonic combination of an amplification or weakening of a moment M S applied by the energy accumulator 90 by a moment M A of the drive 60. At the initial angle, the drive 60 applies a moment opposite to the moment due to the preload of the energy accumulator 90, so that the total moment is zero. Between the initial angle and the limit angle, the drive 60 is operated according to a linear spring stiffness, wherein as the joint angle φ increases, the sign of the moment M A from the drive 60 changes from an opposing to a supporting moment. This occurs approximately halfway between the initial angle φ 0 and the limit angle φ 1 . From the limit angle φ 1, the moment M A applied by the drive 60 is reduced and shortly after the limit angle φ 1 counteracts the moment M A of the energy accumulator 90, whereby from the limit angle φ 1 there is a smooth change to a negative spring stiffness for the control of the drive 60. With a further increasing joint angle φ, the moment M A of the drive 60 counteracts the moment M S of the energy storage device 90. The resulting torque characteristic M Σ as a superposition of motor torque M A and energy storage torque M A initially starts torque-free at the starting angle φ 0 , increases between the starting angle φ 0 and the limit angle φ 1 and is weakened again from the limit angle φ 1 with increasing joint angle φ.

In der 22 ist eine Kombination von Momenten des Antriebes 60 und des Kraftspeichers 90 dergestalt verwirklicht, dass von einem Ausgangswinkel φ0 bis zu einem Grenzwinkel φ1 einem Moment MS von dem Kraftspeicher 90 zunächst ein dem Kraftspeichermoment Ms entgegenwirkendes Moment MA des Antriebes 60 aufgebracht wird, sodass sich die Überlagerung MΣ zu im Wesentlichen 0 ergibt, sodass keine Beeinflussung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung hinsichtlich der Verschwenkbarkeit ergibt. Ab dem Grenzwinkel φ1 wird der Antrieb 60 so angesteuert, dass das durch den Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA betragsmäßig reduziert wird und im weiteren Verlauf von einem sich entgegenwirkenden Moment zu einem unterstützenden Moment wird, sodass das Moment MA des Antriebes und das Moment MS des Kraftspeichers 90 in die gleiche Richtung wirken. Durch die Modulation der Kennlinie des Momentes MS des Kraftspeichers 90 durch den Antrieb 60 ergibt sich die Kennlinie der Überlagerung MΣ einer einseitigen, progressiven Feder. Erst bei Überschreiten des Grenzwinkels φ1 ergibt sich ein Gesamtmoment oder eine Überlagerung MΣ, die die Verschwenkbewegung beeinflusst.In the 22 a combination of moments of the drive 60 and the energy storage device 90 is implemented in such a way that from an initial angle φ 0 up to a limit angle φ 1 a moment M S from the energy storage device 90 initially applies a moment M A of the drive 60 that counteracts the energy storage moment Ms, so that the superposition M Σ results in essentially 0, so that the orthopaedic joint device is not influenced in terms of pivotability. From the limit angle φ 1, the drive 60 is controlled in such a way that the moment M A applied by the drive 60 is reduced in magnitude and subsequently changes from a counteracting moment to a supporting moment, so that the moment M A of the drive and the moment M S of the energy storage device 90 act in the same direction. The modulation of the characteristic curve of the moment M S of the energy accumulator 90 by the drive 60 results in the characteristic curve of the superposition M Σ of a one-sided, progressive spring. Only when the limit angle φ 1 is exceeded does a total moment or a superposition M Σ result, which influences the pivoting movement.

In den 23 und 24 sind verschiedene Kennlinien und Winkelverläufe über die Zeit dargestellt, die zur Aufladung des Kraftspeichers 90 oder eines Energiespeichers bei einer Flexion des Gelenkes, beispielsweise bei einer Kniebeugung, auftreten. Die Bezeichnungen der Momente entsprechen den Bezeichnungen der vorgenannten Figuren, der Winkel φK ist der Kniewinkel. Die Momente, die auf den Antrieb in Gestalt eines elektrischen Motors und den Kraftspeicher wirken, werden mit MA und MS bezeichnet. Die Momente an den jeweiligen Befestigungsstellen der Komponenten dem Oberteil bzw. Unterteil wirken entsprechend entgegengesetzt. Wird der mit dem Kniewinkel φK gekoppelte Kraftspeicher geladen, wird normalerweise der Bewegung oder der Kniebeugung ein Moment entgegengesetzt, da an dem Kraftspeicher Arbeit verrichtet werden muss. In Kombination mit einem Motor kann die zu verrichtende Arbeit von dem Motor geleistet werden, sodass die Verschwenkbewegung des Oberteils relativ zu dem Unterteil nicht beeinflusst wird. Die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben werden. Wirken der Kraftspeicher und der Motor bei der Energieabgabe in dieselbe Richtung, kann das Gesamtmoment MΣ signifikant erhöht werden. In der 23 wird zunächst der Kraftspeicher durch den Motor geladen. Zu Beginn der Flexionsbewegung ist der Kraftspeicher von dem Kniewinkel φK entkoppelt, sodass durch den Kraftspeicher kein Moment generiert wird. In der Flexionsphase wird zunächst ein unterstützendes, in diesem Fall ein mit dem Kniewinkel zunehmendes Moment durch den Motor aufgebracht, um die Beugebewegung zu erleichtern. Ab dem Zeitpunkt t1 wird der Kraftspeicher zugeschaltet. Eine weitere Kniebeugung mit einer Zunahme des Kniewinkels φK resultiert in einem Kraftanstieg in dem Kraftspeicher entsprechend seiner Kennlinie. Das Motormoment wird entsprechend so angepasst, dass das Moment des Kraftspeichers kompensiert wird. Das resultierende Moment als Überlagerung von dem Motormoment und dem Kraftspeichermoment entspricht dann dem gewünschten Verlauf für die Unterstützung der Beugebewegung. Die von dem Motor verrichtete Arbeit ist dabei größer als die an dem Kraftspeicher verrichtete Arbeit, wodurch der Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil kein Bewegungswiderstand entgegengebracht wird, sondern positive Arbeit verrichtet wird. Alternativ kann die Bewegung in der Beugung nicht unterstützt werden, beispielsweise würde das Motormoment so gewählt, dass sich die Momente von dem Motor und Kraftspeicher gegenseitig aufheben oder dass das Moment des Kraftspeichers hinreichend abgeschwächt wird. Nach dem Aufladen des Kraftspeichers wird der Kraftspeicher von der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung entkoppelt und ist unabhängig von dem Gelenkwinkel φK, so dass die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie erhalten bleibt.In the 23 and 24 various characteristic curves and angle profiles over time are shown which occur for charging the energy storage device 90 or an energy storage device when the joint is flexed, for example when the knee is bent. The names of the moments correspond to the names of the aforementioned figures, the angle φ K is the knee angle. The moments which act on the drive in the form of an electric motor and the energy storage device are designated M A and M S. The moments at the respective fastening points of the components on the upper part and lower part act in opposite directions. If the energy storage device coupled with the knee angle φ K is charged, a moment is normally opposed to the movement or the knee flexion, since work must be done on the energy storage device. In combination with a motor, the work to be done can be done by the motor, so that the pivoting movement of the upper part relative to the lower part is not affected. The energy stored in the energy storage device can then be released again at a later time. If the energy storage and the motor act in the same direction when releasing energy, the total torque M Σ can be increased significantly. In the 23 the energy storage device is first charged by the motor. At the start of the flexion movement, the energy storage device is decoupled from the knee angle φ K , so that no moment is generated by the energy storage device. In the flexion phase, a supporting moment, in this case a moment that increases with the knee angle, is initially applied by the motor to facilitate the flexion movement. From time t 1 , the energy storage device is switched on. Further knee flexion with an increase in the knee angle φ K results in an increase in force in the energy storage device according to its characteristic curve. The motor torque is adjusted accordingly so that the moment of the energy storage device is compensated. The resulting moment as a superposition of the motor torque and the energy storage moment then corresponds to the desired curve for supporting the flexion movement. The work performed by the motor is greater than the work performed on the energy storage device, which means that no resistance to movement is encountered when the upper part pivots relative to the lower part, but rather positive work is performed. Alternatively, the movement in flexion can not be supported, for example the motor torque would be selected so that the torques from the motor and the energy storage cancel each other out or so that the torque of the energy storage is sufficiently weakened. After charging the energy storage, the energy storage is decoupled from the orthopedic joint device and is independent of the joint angle φ K , so that the energy stored in the energy storage is retained.

In der 24 ist eine Entladung des Kraftspeichers dargestellt. Beim Entladen erzeugt der Kraftspeicher ein Extensionsmoment zwischen dem Oberteil und dem Unterteil und verrichtet Arbeit. Um das Extensionsmoment zu erhöhen, kann der Motor ein zusätzliches Extensionsmoment oder Streckmoment aufbringen, sodass das Gesamtmoment MΣ über dem des Kraftspeichers liegt. Mit der Streckung, also einem sich verringernden Kniewinkel φK, wird in der hier dargestellten Variante das Motormoment reduziert. Auch das Moment MS durch den Kraftspeicher reduziert sich entsprechend der Kennlinie des Kraftspeichers, wodurch der dargestellte, abnehmende Momentenverlauf entsteht. Der Kraftspeicher ist vollständig entladen, bevor eine vollständige Streckung des Kniegelenkes erfolgt ist. Das Entkoppeln und das Einkoppeln des Kraftspeichers ermöglicht es dem Kraftspeicher, in jeweils unterschiedlichen Kniewinkelbereichen zu laden und zu entladen.In the 24 a discharge of the energy storage device is shown. When discharging, the energy storage device generates an extension moment between the upper and lower parts and does work. To increase the extension moment, the motor can apply an additional extension moment or stretching moment so that the total moment M Σ is higher than that of the energy storage device. With the extension, i.e. a decreasing knee angle φ K , the motor torque is reduced in the variant shown here. The moment M S through the energy storage device is also reduced in accordance with the characteristic curve of the energy storage device, which creates the decreasing torque curve shown. The energy storage device is completely discharged before the knee joint has been fully extended. Decoupling and coupling the energy storage device enables the energy storage device to charge and discharge in different knee angle ranges.

Die in den 23 und 24 dargestellten Phasen können auch unabhängig voneinander eingesetzt werden, wobei für ein Laden ein nicht vollständig geladener Kraftspeicher und für das Entladen ein nicht vollständig entladener Kraftspeicher Voraussetzung sind.The 23 and 24 The phases shown can also be used independently of each other, whereby a not fully charged energy storage device is required for charging and a not completely discharged energy storage is a prerequisite.

In der 25 ist das Laden des Kraftspeichers im Verlauf einer Flexionsbewegung an einem künstlichen Kniegelenk dargestellt. Zunächst wirkt nur das Moment MS des Kraftspeichers und das Kniemoment erhöht sich mit zunehmender Kniebeugung. Ab dem Zeitpunkt t1 wird durch ein entgegengerichtetes Moment MA des Motors das Gesamtmoment MS begrenzt, wobei der Kraftspeicher weiter geladen wird. Alternativ kann der Kraftspeicher ohne Einsatz des Motors geladen werden, wobei in diesem Fall ein weiterer Momentenanstieg auftreten würde. Ein vollständig oder teilweise geladener Kraftspeicher kann von dem Gelenk entkoppelt werden, sodass unabhängig von dem Kniewinkel keine Veränderung in dem Kraftspeicher auftritt. Zu einem beliebigen Zeitpunkt kann der Kraftspeicher wieder eingekoppelt werden, um entweder den Kraftspeicher zu laden oder zur Unterstützung einer Bewegung zu entladen.In the 25 The charging of the energy storage device is shown during a flexion movement on an artificial knee joint. Initially, only the moment M S of the energy storage device acts and the knee moment increases with increasing knee flexion. From time t 1, the total moment MS is limited by an opposing moment M A of the motor, whereby the energy storage device continues to be charged. Alternatively, the energy storage device can be charged without using the motor, although in this case a further increase in moment would occur. A fully or partially charged energy storage device can be decoupled from the joint so that no change occurs in the energy storage device regardless of the knee angle. The energy storage device can be coupled back in at any time to either charge the energy storage device or discharge it to support a movement.

In der 26 ist das Entladen des Kraftspeichers bei einer Streckbewegung dargestellt. Während der Kraftspeicher Arbeit verrichtet, wird gleichzeitig an dem Motor Arbeit verrichtet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Motor in dem Generatorbetrieb betrieben wird. In dem Generatorbetrieb kann die von dem Kraftspeicher geleistete Arbeit in elektrische Energie umgewandelt und in einem Akkumulator gespeichert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie nicht für die Unterstützung der Bewegung benötigt wird. In der dargestellten Ausführungsform der 26 wird der Motor so betrieben, dass das von dem Motor erzeugte Moment betragsmäßig im Wesentlichen so groß wie das Moment des Kraftspeichers ist, jedoch entgegengesetzt wirkt, wodurch sich die beiden Momente aufheben. Dadurch wird während des Entladens des Kraftspeichers die Bewegung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung nicht beeinflusst. Statt einer vollständigen Kompensation kann das Moment des Kraftspeichers auch abgeschwächt oder überkompensiert werden. Grundsätzlich ist es nicht notwendig, dass die von dem Motor im Bremsbetrieb erzeugte elektrische Energie gespeichert und zum Laden eines Akkumulators verwendet wird. Die Energie kann auch über Widerstände in Wärme umgewandelt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass für den Bremsbetrieb des Motors elektrische Energie aufgewendet wird. In diesem Fall dient das Moment des Motors vor allem dazu, das Streckmoment beim Entladen des Kraftspeichers hinreichend abzuschwächen, um ein kontrolliertes Entladen des Kraftspeichers zu erreichen. Ein Entladen des Kraftspeichers auf diese Art und Weise kann notwendig sein, wenn die gespeicherte Energie nicht benötigt wird und der Kraftspeicher für eine darauf folgende Bewegungsphase teilweise oder vollständig entladen sein muss.In the 26 The discharging of the energy storage device during a stretching movement is shown. While the energy storage device is doing work, work is being done on the motor at the same time. This is achieved by operating the motor in generator mode. In generator mode, the work done by the energy storage device can be converted into electrical energy and stored in an accumulator. This is particularly advantageous when the energy stored in the energy storage device is not needed to support the movement. In the illustrated embodiment of the 26 the motor is operated in such a way that the moment generated by the motor is essentially as large as the moment of the energy storage device, but acts in the opposite direction, whereby the two moments cancel each other out. This means that the movement of the orthopaedic joint device is not affected when the energy storage device is discharging. Instead of full compensation, the moment of the energy storage device can also be weakened or overcompensated. In principle, it is not necessary for the electrical energy generated by the motor during braking to be stored and used to charge an accumulator. The energy can also be converted into heat via resistors. It is also possible for electrical energy to be used for the braking operation of the motor. In this case, the moment of the motor serves primarily to sufficiently weaken the stretching moment when the energy storage device is discharging in order to achieve a controlled discharge of the energy storage device. Discharging the energy storage device in this way may be necessary if the stored energy is not needed and the energy storage device must be partially or completely discharged for a subsequent movement phase.

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 25 und 26 können die dargestellten Ansteuerungen unabhängig voneinander oder in Kombination angewendet werden.The recuperation of energy via a generator is particularly efficient when the generator is running at high speeds. It is therefore intended to recuperate electrical energy in phases when the generator or motor is running at the highest possible speed in generator mode. These can be phases with a high knee angle speed. In a design with a variable gear ratio, phases with a high gear ratio can also be used. The discharging of the energy storage device using recuperation can be delayed so that the motor is running at correspondingly high speeds during recuperation by the motor. In particular, charging the energy storage device in the standing phase and discharging and recuperating in the swing phase are advantageous. Discharging and recuperating in accordance with the 25 and 26 The controls shown can be used independently or in combination.

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 drive 60 and the energy storage device 90 in the energy storage device, wherein in particular the energy storage device 90 is charged via the drive 60 or the electrical energy generated during recuperation is stored in the energy storage device until it is needed.

In der 27 ist die Veränderung des Momentenverlaufes auf der Basis weiterer Eingangsvariablen dargestellt. Die Erzeugung eines Momentes über einen motorischen Antrieb ermöglicht es, das Moment nicht nur mit den gekoppelten Freiheitsgraden des Gelenkes zu variieren, sondern alternativ oder ergänzend ein anderes oder weiteres Eingangssignal oder mehrere andere oder weitere Eingangssignale für die Modulation zu benutzen. Insbesondere können Sensorwerte verwendet werden, um eine Modulation des Momentes vorzunehmen. Beispielsweise können der Absolutwinkel des Oberteils und/oder Unterteils und/oder Belastungsgrößen wie Kräfte, Momente und Hebelarme als weitere Eingangsvariable oder Eingangsvariablen verwendet werden. Es können auch Signale eines Mensch-Maschine-Interfaces oder einer künstlichen Intelligenz herangezogen werden. In der 27 ist die Momentenkennlinie MΣ als Superposition von parallel angeordnetem Kraftspeicher mit dem Moment MS und dem motorischen Antrieb mit dem Moment MA in einer Bewegungsphase dargestellt. Die Kennlinie MΣ hängt dabei sowohl von dem aktuierten Freiheitsgrad, in dem dargestellten Beispiel dem Kniewinkel φ, als auch von einem zusätzlichen Signal X ab, zum Beispiel dem Absolutwinkel des Unterteils. Während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das von dem Kraftspeicher generierte Moment MS nur von dem Gelenkwinkel φ abhängt, kann das Motormoment MA sowohl mit dem Gelenkwinkel φ als auch mit dem Absolutwinkel X variiert werden. Dargestellt in der 27 ist eine Veränderung der Steifigkeit in der M- φ -Ebene mit dem zusätzlichen Eingangssignal X, also dem Absolutwinkel. Bei X0 wird das Moment Ms des Kraftspeichers durch den Motor mit dem Motormoment MA verstärkt (MA, X0) sodass sich in der Summe die Kennlinie MΣ, X0 ergibt, während bei einem Absolutwinkel X1 eine Abschwächung des Gesamtmomentes (MΣ, X1) durch das Motormoment MA bei der Winkelstellung X1 erfolgt. Zwischen den beiden Werten von X kann die Kennlinie kontinuierlich angepasst werden, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anpassung linear ausgeführt. Die Abhängigkeit des Motormomentes MA mit der Eingangsvariable X kann jede beliebige stetige oder unstetige Form annehmen, auch ist es möglich, dass das Motormoment MA nur von der Eingangsvariable X abhängt.In the 27 the change in the torque curve is shown on the basis of further input variables. The generation of a torque via a motor drive makes it possible to vary the torque not only with the coupled degrees of freedom of the joint, but alternatively or additionally to use another or further input signal or several other or further input signals for the modulation. In particular, sensor values can be used to modulate the torque. For example, the absolute angle of the upper part and/or lower part and/or load variables such as forces, moments and lever arms can be used as further input variables. Signals from a human-machine interface or artificial intelligence can also be used. In the 27 the moment characteristic M Σ is shown as a superposition of a parallel arranged force storage device with the moment MS and the motor drive with the moment MA in a movement phase. The characteristic M Σ depends both on the actuated degree of freedom, in the example shown the knee angle φ, and on an additional signal X, for example the absolute angle of the lower part. While in the embodiment shown the moment M S generated by the force storage device only depends on the joint angle φ, the motor torque M A can be varied both with the joint angle φ and with the absolute angle X. Shown in the 27 is a change in the stiffness in the M- φ plane with the additional input signal X, i.e. the absolute angle. At X 0 the torque Ms of the energy accumulator is amplified by the motor with the motor torque M A (M A , X 0 ) so that the sum results in the characteristic curve M Σ , X 0 , whereas at an absolute angle X 1 the total torque (M Σ , X 1 ) is weakened by the motor torque M A at the angular position X 1. The characteristic curve can be continuously adjusted between the two values of X; in the embodiment shown the adjustment is linear. The dependence of the motor torque M A on the input variable X can take on any continuous or discontinuous form; it is also possible for the motor torque M A to only depend on the input variable X.

In der 28 ist der Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen Absolutwinkel X, Gelenkwinkel cp, den Momenten MA von dem Antrieb und MS von dem Kraftspeicher sowie dem Gesamtmoment für die in der 27 dargestellte Kennfläche aufgezeigt.In the 28 is the relationship between the input variables absolute angle X, joint angle cp, the moments MA from the drive and MS from the energy storage as well as the total moment for the 27 shown characteristic surface.

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  • DE 10 2018 126 324 A1 [0007]DE 10 2018 126 324 A1 [0007]

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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 [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]

Claims (18)

Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20) die um eine Schwenkachse (15) verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind und zumindest einer Widerstandseinrichtung (30), die zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet ist, die Widerstandseinrichtung (30) ist zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils (10) relativ zu dem Unterteil (20) eingerichtet, dadurch gekennzeichnet, dass ein motorischer Antrieb (60) und zumindest ein Kraftspeicher (90) zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet sind, die ausgebildet und eingerichtet sind, eine Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils (10) relativ zu dem Unterteil (20) zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern.Orthopaedic joint device with an upper part (10) and a lower part (20) which are mounted on one another so as to be pivotable relative to one another about a pivot axis (15), and at least one resistance device (30) which is arranged between the upper part (10) and the lower part (20), the resistance device (30) is designed to influence a pivoting or pivotability of the upper part (10) relative to the lower part (20), characterized in that a motor drive (60) and at least one energy accumulator (90) are arranged between the upper part (10) and the lower part (20), which are designed and arranged to bring about, support or hinder a pivoting or pivotability of the upper part (10) relative to the lower part (20). Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (30) und/oder der Kraftspeicher (90) einstellbar und/oder entkoppelbar ausgebildet sind.Orthopaedic joint device according to claim 1 , characterized in that the resistance device (30) and/or the energy accumulator (90) are adjustable and/or decoupleable. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (30) ein Gehäuse (32) mit einem Zylinder (34) aufweist, in dem ein Kolben (36) verlagerbar gelagert ist und den Zylinder (34) in zwei Kammern (341, 342) unterteilt, zwischen denen zumindest eine strömungstechnische Verbindung (40) ausgebildet ist, in der zumindest ein verstellbares Ventil (50) angeordnet ist, insbesondere ein Mehrwege-Ventil mit einer geschlossenen Schaltstellung, einer geöffneten Schaltstellung und zumindest einer teilweise geöffneten Schaltstellung.Orthopaedic joint device according to claim 1 or 2 , characterized in that the resistance device (30) has a housing (32) with a cylinder (34) in which a piston (36) is displaceably mounted and divides the cylinder (34) into two chambers (341, 342), between which at least one fluid connection (40) is formed, in which at least one adjustable valve (50) is arranged, in particular a multi-way valve with a closed switching position, an open switching position and at least one partially open switching position. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (30) als Lineardämpfer oder Rotationsdämpfer ausgebildet ist.Orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance device (30) is designed as a linear damper or rotational damper. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) als Elektromotor ausgebildet und über ein Getriebe (70) mit dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) gekoppelt ist.Orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive (60) is designed as an electric motor and is coupled to the upper part (10) and the lower part (20) via a gear (70). Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem der Widerstandseinrichtung (30) und/oder dem Kraftspeicher (90) und/oder dem Antrieb (60) eine Steuerung (80) zugeordnet ist, die mit zumindest einem Sensor (95) gekoppelt und eingerichtet ist, die Widerstandseinrichtung (30) und/oder den Kraftspeicher (90) und/oder den Antrieb (60) auf Grundlage der Sensorwerte zu aktivieren, zu deaktivieren und/oder zu modulieren.Orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance device (30) and/or the energy accumulator (90) and/or the drive (60) is assigned a controller (80) which is coupled to at least one sensor (95) and is set up to activate, deactivate and/or modulate the resistance device (30) and/or the energy accumulator (90) and/or the drive (60) on the basis of the sensor values. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) als Feder oder Druckspeicher ausgebildet ist.Orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the force accumulator (90) is designed as a spring or pressure accumulator. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder eine Einstellvorrichtung zur Verstellung der Federvorspannung und/oder Federsteifigkeit zugeordnet ist.Orthopaedic joint device according to claim 7 , characterized in that the spring is associated with an adjusting device for adjusting the spring preload and/or spring stiffness. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckspeicher als Einstellvorrichtung eine Pumpe und/oder ein Ventil zugeordnet sind.Orthopaedic joint device according to claim 7 , characterized in that a pump and/or a valve are assigned to the pressure accumulator as an adjusting device. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung der Antrieb (60) ist.Orthopaedic joint device according to claim 8 or 9 , characterized in that the adjusting device is the drive (60). Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) und der Antrieb (60) parallel wirksam zueinander angeordnet sind.Orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy accumulator (90) and the drive (60) are arranged to operate parallel to one another. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) und die Widerstandseinrichtung (30) in Serie geschaltet sind.Orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the force accumulator (90) and the resistance device (30) are connected in series. Verfahren zur Steuerung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) zur Beeinflussung des Widerstandes parallel zu der Widerstandseinrichtung (60) und dem Kraftspeicher (90) betrieben wird.Method for controlling an orthopaedic joint device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive (60) for influencing the resistance is operated parallel to the resistance device (60) and the energy accumulator (90). Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) und/oder der Kraftspeicher (90) und/oder die Widerstandseinrichtung (30) auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert wird.procedure according to claim 13 , characterized in that the drive (60) and/or the energy accumulator (90) and/or the resistance device (30) is activated, deactivated and/or modulated on the basis of sensor data. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Gesamtcharakteristik ausgehend von der Charakteristik der Widerstandseinrichtung (30) und/oder Kraftspeichers (90) durch den Antrieb (60) erfolgt.procedure according to claim 13 or 14 , characterized in that the modulation of the overall characteristic is carried out by the drive (60) based on the characteristic of the resistance device (30) and/or energy accumulator (90). Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwandlung von im Kraftspeicher (90) gespeicherter Energie in elektrische Energie über den Antrieb (60) und umgekehrt erfolgt.Method according to one of the Claims 13 until 15 , characterized in that a conversion of energy stored in the energy storage device (90) energy into electrical energy via the drive (60) and vice versa. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) entkoppelt und in einem geladenen Zustand gehalten wird.Method according to one of the Claims 13 until 15 , characterized in that the energy accumulator (90) is decoupled and kept in a charged state. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) so betrieben wird, dass die Wirkung der Widerstandseinrichtung (30) aufgehoben wird.Method according to one of the Claims 13 until 17 , characterized in that the drive (60) is operated such that the effect of the resistance device (30) is canceled.
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