DE19521464A1 - Procedure for controlling the knee brake of a prosthetic knee joint and thigh prosthesis - Google Patents
Procedure for controlling the knee brake of a prosthetic knee joint and thigh prosthesisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Knie bremse eines ein Stumpfbett mit einem Prothesenunterteil mit angeschlossenem Prothesenfuß verbindenden Kniegelenkes wobei das computergesteuerte Bremsmoment in Abhängigkeit von der Gehbewegung des Prothesenträgers kontinuierlich zwischen "frei" und blockiert veränderbar ist, und die Gehbewegung durch im Stumpfbett gemessene EMG-Werte, im Fußbereich gemes sene Druckwerte, durch den jeweiligen Kniewinkel sowie die jeweilige, zwischen Prothesenober- und -unterschenkel gemes sene Winkelgeschwindigkeit in Form elektrischer Signale (nachfolgend "Meßdaten") charakterisiert wird.The invention relates to a method for controlling the knees brake a stump bed with a prosthesis base connected prosthetic foot connecting knee joint the computer controlled braking torque depending on the Walking movement of the prosthesis wearer between continuously "free" and blocked is changeable, and the walking movement by EMG values measured in the stump bed, measured in the foot area pressure values, through the respective knee angle and the respective, measured between the upper and lower leg of the prosthesis its angular velocity in the form of electrical signals (hereinafter "measurement data") is characterized.
Die Erfindung betrifft ferner eine Oberschenkelprothese, mitThe invention further relates to a thigh prosthesis with
- - einem Stumpfbett, das zur Verbindung mit einem Oberschen kelstumpf des Prothesenträgers ausgebildet ist;- a stump bed that connects to a thigh the stump of the prosthesis wearer is formed;
- - einem Prothesenunterschenkel, an den ein Prothesenfuß angeschlossen ist;- a lower leg of the prosthesis, to which a prosthetic foot connected;
- - einem Kniegelenk, das über eine Knieachse einen oberen Kniegelenkanschluß für das Stumpfbett gelenkig verbindet mit einem unteren Kniegelenkanschluß für den Prothesen unterschenkel;- a knee joint that has an upper knee axis Connects knee joint for the stump bed with a lower knee joint connection for the prosthesis lower leg;
- - einer computergesteuerten Bremse, die auf eine Bremswelle ein zwischen "frei" und "blockiert" kontinuierlich ver änderbares Bremsmoment aufbringt;- a computer-controlled brake on a brake shaft a continuously between "free" and "blocked" changeable braking torque applies;
- - einem Kniegelenkgetriebe zur Übertragung des Bremsmomen tes von der Bremswelle auf die Knieachse;- A knee joint transmission for transmitting the braking torque tes from the brake shaft to the knee axis;
- - einer Steuereinheit, die über einen Steueralgorithmus die Bremse in Abhängigkeit von der Gehbewegung des Prothesen trägers beaufschlagt;- A control unit that uses a control algorithm Brake depending on the walking movement of the prosthesis carrier charged;
- - EMG-Sensoren, die im Stumpfbett zur Anlage an bestimmten Oberschenkelmuskeln angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit abgeben;- EMG sensors used in the stump bed for contact with certain Thigh muscles are arranged and signals to the Deliver control unit;
- - Fußdrucksensoren, die in der Lauffläche des Prothesenfu ßes angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit ab geben;- Foot pressure sensors in the tread of the prosthetic foot ßes are arranged and signals to the control unit give;
- - einem Kodiergerät, das den jeweiligen Kniewinkel sowie die jeweilige Winkelgeschwindigkeit zwischen Prothesen ober- und -unterschenkel mißt und in Form elektrischer Signale an die Steuereinheit abgibt.- A coding device that the respective knee angle as well the respective angular velocity between prostheses upper and lower leg measures and in the form of electrical Outputs signals to the control unit.
Die EP 0 549 855 A2 offenbart eine Kniebremssteuerung, bei der ein hydraulischer Dämpfer die Winkelgeschwindigkeit im Kniegelenk steuert. Ein Mikroprozessor ermittelt aus einer Belastungsmessung und einer Kniewinkelmessung das übliche Gangmuster und beaufschlagt an verschiedenen Gang-Übergangs punkten einen Motor, der seinerseits eine im Hydraulikdämpfer vorgesehene Ventileinrichtung verstellt. Diese Ausführungs form ermöglicht dem Prothesenträger die Verwendung der Pro these in verschiedenen Gangarten einschließlich Treppenstei gen und sich hinsetzen.EP 0 549 855 A2 discloses a knee brake control in which a hydraulic damper the angular velocity in Controls knee joint. A microprocessor determines from one Load measurement and a knee angle measurement the usual Gait pattern and applied at different gear transition score one engine, which in turn is one in the hydraulic damper provided valve device adjusted. This execution form enables the prosthesis wearer to use the Pro thesis in different gaits including stair and sit down.
Die DE 39 09 672 C2 offenbart eine schwungphasengeregelte Oberschenkelprothese mit einem Oberschaft, der mit einem Un terschaft gelenkig über eine Kniegelenkwelle verbunden und von einem Druckzylinder beaufschlagt ist. Der Druckzylinder wird über ein Ventil angesteuert, dessen Öffnungsgrad durch eine Reguliereinrichtung in Abhängigkeit von mehreren während Gehversuchen ausgewählten Gehgeschwindigkeiten eingestellt wird. Vorgesehen ist eine Betriebsart-Wähleinrichtung zur Wahl verschiedener Öffnungsgrade für mehrere unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten in einem Lehrprogrammeingabebetrieb so wie für einen Playbackbetrieb. Vorgesehen sind ferner eine die Öffnungsgrade ermittelnde Erfassungseinrichtung, eine die Öffnungsgrade der Betriebsart-Wähleinrichtung speichernde Einrichtung, eine Schwung- und Standphasen erfassende Phasen ermittlungseinrichtung, eine Gehgeschwindigkeits-Ermittlungs einrichtung, die die tatsächliche Gehgeschwindigkeit aufgrund der jeweiligen Zeitspannen der durch die Phasenermittlungs einrichtung erfaßten Schwung- und Standphasen ermittelt, so wie eine Steuereinrichtung, die die tatsächlich von der Geh geschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung ermittelte Gehge schwindigkeit mit den entsprechenden gespeicherten Öffnungs graden der Betriebsart-Wähleinrichtung vergleicht und den Öffnungsgrad des Ventils einstellt. Gesteuert wird somit nur die Schwingphase. Als Sensoren werden verwendet ein Kniewin kelsensor und Streck-Endschalter. Die Zeitdauer der Standpha se wird als Parameter benutzt zur Steuerung des Dämpfungsko effizienten in der Schwingphase.DE 39 09 672 C2 discloses a swing phase controlled Thigh prosthesis with an upper shaft, which with an Un articulated joint via a knee joint shaft and is acted upon by a pressure cylinder. The impression cylinder is controlled by a valve, the degree of opening by a regulator depending on several during Trying selected walking speeds set becomes. An operating mode selector is provided for Choice of different degrees of opening for several different ones Walking speeds in a tutorial entry mode like this as for a playback operation. There are also one the detection device determining the degrees of opening, a Opening degrees of the operating mode selector storing Establishment, phases that capture swing and stance phases determination device, a walking speed determination facility based on the actual walking speed the respective periods of time determined by the phase determination establishment detected swing and stance phases, so like a control device that actually goes from the go speed determining device determined walking speed with the corresponding stored opening degrees of the operating mode selector and the Valve opening degree. It is only controlled the swing phase. A knee winch is used as sensors sensor and stretch limit switch. The duration of the stand phase se is used as a parameter to control the damping coefficient efficient in the swing phase.
Auch die französische Patentanmeldung 89 194 844 offenbart eine pneumatische Kniebetätigungseinrichtung. Als Sensoren werden verwendet entweder Fußkontaktsensoren oder Belastungs messungen in Kombination mit einem Streck-Endschalter. Die Steuerung löst während der Standphase eine automatische Knie blockierung aus und paßt während der Schwingphase den Dämp fungskoeffizienten der Gangzyklusdauer an.French patent application 89 194 844 also discloses a pneumatic knee actuator. As sensors are used either foot contact sensors or load measurements in combination with a stretch limit switch. The The control releases an automatic knee during the stance phase blocking and fits the damper during the swing phase ging cycle duration.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den verschie denen natürlichen Gangarten besser angepaßte Kniebremssteue rung sowie eine hierfür besser geeignete Oberschenkelprothese zu entwickeln. The invention has for its object one the different knee brake control better adapted to natural gaits tion and a more suitable thigh prosthesis to develop.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:Based on the method described at the beginning, this is Object achieved according to the invention by the following features:
- a) Ermittlung der jeweiligen Gangart aus einer Anzahl vor gegebener, zuvor für diesen Prothesenträger ermittelten Gangarten durch Auswerten von zumindest einigen der je weils übermittelten Meßdaten;a) Determine the respective gait from a number before given, previously determined for this prosthesis wearer Gait by evaluating at least some of each Weil transmitted measurement data;
- b) Auswahl des dieser ermittelten Gangart zugeordneten Steu erprogramms;b) Selection of the tax assigned to this determined gait program;
- c) für jedes Steuerprogramm wird eine als Zeitspanne defi nierte Schrittperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fersen/Boden-Kontakten unterteilt in mehrere Phasen, de ren jeweiliger Endpunkt durch für diese Phase vorgegebe ne, jeweils übermittelte Meßdaten bestimmt wird;c) for each control program one is defined as a time span nated step period between two consecutive Heel / floor contacts divided into several phases, de their respective end point by default for this phase ne, respectively transmitted measurement data is determined;
- d) jeder Phase werden bestimmte, sich während dieser Phase gegebenenfalls ändernde Bremswerte zugeordnet, mit denen die Kniebremse beaufschlagt wird.d) each phase will be determined during this phase if necessary, assigning changing braking values with which the knee brake is applied.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Beaufschlagung der Knie bremse mit einer konstanten Frequenz erfolgt.It is advantageous if the knees are acted upon brake with a constant frequency.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn zusätzliche Meßdaten ermittelt werden aus den am Knie sowie an der Hüfte angrei fenden Momenten.It may also be useful if additional measurement data are determined from the pain on the knee and hip moments.
Es können zuvor verschiedene Gangarten festgelegt bzw. defi niert werden (z. B. Gehen auf einem ebenen Untergrund; Trep pensteigen; Treppenabstieg; das Gehen auf einer ansteigenden oder abschüssigen Fläche; Bewegungen im Stillstand usw.).Different gaits can be defined or defined beforehand be kidneyed (e.g. walking on a level surface; Trep pen climbing; Descent of stairs; walking on an upward slope or sloping surface; Movements at a standstill etc.).
Erfindungsgemäß geht man aus von einer Schrittperiode, die definiert ist als zeitlicher Abstand zwischen zwei Fersen/- Boden-Kontakten. Diese Schrittperiode wird auf einer Zeitach se aufgetragen und dann in eine bestimmte Anzahl von Schrittphasen unterteilt, wobei jeweils zwischen zwei Phasen ein Übergang, also ein Wechsel von der einen zur anderen Pha se vorgesehen ist. Jede Phase stellt somit einen zeitlichen Teilabschnitt einer Schrittperiode dar, wobei während der Phase eine gesteuerte Kniebewegung stattfindet. Jeder Phasen übergang basiert auf Meßdaten.According to the invention one starts from a step period, the is defined as the time interval between two heels / - Ground contacts. This step period is on a time axis se and then into a certain number of Step phases divided, each between two phases a transition, i.e. a change from one to the other Pha se is provided. Each phase thus represents a time Section of a step period, wherein during the Phase a controlled knee movement takes place. Everyone phases transition is based on measurement data.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht grundsätzlich die Möglichkeit, jederzeit von einer Gangart auf eine andere Gangart überzuwechseln, wobei jeder Gangart ein spezielles Steuerprogramm zugeordnet ist. Es kann aber festgelegt wer den, daß ein Wechsel von dem Steuerprogramm der gerade be nutzten Gangart zu dem Steuerprogramm einer anderen Gangart nur bei einer zuvor ausgewählten speziellen Phase der Schrittperiode der gerade benutzten oder aber der neuen Gang art vorgenommen wird.In the method according to the invention there is basically Possibility of changing from one gait to another at any time Change gait, each gait a special one Control program is assigned. But it can be determined who that a change of the control program of the just be used gait to control another gait only in a previously selected special phase of Step period of the currently used or the new gear art is made.
Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung der jeweils ausgeübten Gangart durch Vergleich der übermittelten lst-Meßdaten mit den für jede Gangart vorgegebenen Referenz-Meßdaten. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Referenz-Meßdaten aus den für jede einzelne Gangart gemessenen EMG-Daten ermittelt werden.According to the invention, the exercise carried out is determined Gait by comparing the transmitted actual measurement data with the reference measurement data specified for each gait. Here it is useful if the reference measurement data from the for Every single gait measured EMG data can be determined.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn für jede der vorge
gebenen Gangarten für jeden abgetasteten Hüftgelenkmuskel
über eine Schrittperiode eine die Muskelaktivität wiederge
bende Kurve erstellt wird. Diese Kurve kann in der Praxis
z. B. durch dreißig Meßwerte erstellt werden. Beim Vergleich
der Ist-Meßdaten mit den Referenzwerten ist jedoch nicht ohne
weiteres feststellbar, mit welchem der beispielsweise genann
ten dreißig Meßwerten einer Muskelaktivitätskurve der gerade
ermittelte Istwert verglichen werden muß. Es muß also eine
Zuordnung innerhalb der Schrittperiode erfolgen. Diese
Schrittperiode ist jedoch für verschiedene Gangarten unter
schiedlich und kann selbst innerhalb derselben Gangart vari
ieren. Da aber die lst-Meßdaten in realer Zeit, also über
einen bestimmten Zeitablauf übermittelt werden, die Referenz
daten aber für einen vorgegebenen Zeitablauf und damit übli
cherweise in Prozentangaben bezogen auf die Schrittperiode
vorliegen, ein Vergleich der Realzeit mit Prozentangaben aber
nicht möglich ist, muß die tatsächliche Schrittperiode in
ihrer "Zeitlänge" der Referenz-Schrittperiode angepaßt wer
den. Dies wird wie folgt vorgenommen:
Nachdem man für jede der vorgegebenen Gangarten für jeden
abgetasteten Hüftgelenkmuskel über eine Schrittperiode eine
die Muskelaktivität wiedergebende Kurve erstellt hat, werden
dann die diese Kurve definierenden EMG-Meßdaten durch equidi
stante lineare Interpolation auf eine bestimmte Anzahl EMG-
Referenzwerte reduziert, die dann die EMG-Referenzkurve defi
nieren. Der erste sowie der letzte EMG-Referenzwert ent
spricht dann den EMG-Meßdaten bei Fersen/Boden-Kontakt. Zum
Vergleich einer bestimmten Anzahl Ist-EMG-Meßdaten mit über
einstimmenden Referenz-EMG-Meßdaten wird der jeweilige Zeit
punkt innerhalb der Schrittperiode ermittelt und zwar durch
Vorausberechnung der Zeit des Endpunktes der jeweiligen Pha
se. Es werden dann zu den lst-Meßdaten die ihnen in Gangzeit
am nächsten kommenden EMG-Referenzwerte der EMG-Referenzkurve
herausgesucht. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
nicht alle EMG-Daten der kompletten Schrittperiode zu benut
zen, sondern nur EMG-Daten aus einem bestimmten Abschnitt der
Schrittperiode, abhängig von der Gangart.According to the invention, it is advantageous if a curve showing the muscle activity is generated for each of the specified gaits for each scanned hip joint muscle over a step period. In practice, this curve can e.g. B. created by thirty measurements. When comparing the actual measurement data with the reference values, however, it is not readily ascertainable with which of the thirty measurement values, for example, of a muscle activity curve, the actual value just determined must be compared. It must therefore be assigned within the step period. However, this step period is different for different gaits and can vary even within the same gait. However, since the actual measurement data are transmitted in real time, i.e. over a certain time period, the reference data are available for a predetermined time period and therefore usually in percentages related to the step period, but a comparison of the real time with percentages is not possible the actual step period in its "time length" of the reference step period who adapted. This is done as follows:
After a curve representing the muscle activity has been created for each of the specified gaits for each scanned hip joint muscle over a step period, the EMG measurement data defining this curve is then reduced by equidistant linear interpolation to a specific number of EMG reference values, which then Define reference curve. The first and the last EMG reference value then corresponds to the EMG measurement data for heel / ground contact. To compare a certain number of actual EMG measurement data with matching reference EMG measurement data, the respective point in time within the step period is determined, namely by pre-calculating the time of the end point of the respective phase the next closest EMG reference values of the EMG reference curve are found. It has proven to be useful not to use all EMG data for the entire step period, but only EMG data from a specific section of the step period, depending on the gait.
Die Ermittlung der Gangzeit sucht eine Antwort auf die Frage:
An welcher Stelle befinden wir uns in der Schrittperiode?.
Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, innerhalb einer
Schrittperiode bestimmte Gang-Fixpunkte zu definieren. Zum
Beispiel in folgender Reihenfolge:The determination of the gait time looks for an answer to the question:
Where are we in the stride period ?. It has proven to be useful to define certain fixed gait points within a step period. For example in the following order:
- 1. Fersen/Boden-Kontakt: steigende Flanke des Fersendrucks, festgestellt mittels eines Schwellwertes;1. Heel / ground contact: rising edge of the heel pressure, determined by means of a threshold value;
- 2. Beginn Beugung Standphase: steigende Flanke des Kniewinkels, festgestellt mittels eines Schwellwertes;2. Begin stance phase: rising flank of the knee angle, determined by means of a threshold value;
- 3. Fuß flach: Metatarsalkopf I - Druck wird größer als der Fersendruck;3rd foot flat: metatarsal head I - pressure becomes greater than the heel pressure;
- 4. Maximum am Metatarsalkopf I: Metatarsalkopf I - Druck wird maximal;4. Maximum at metatarsal head I: metatarsal head I - pressure becomes maximum;
- 5. Beugungsschwungphase: steigende Flanke des Kniewinkels, festgestellt mittels eines Schwellwertes;5. Diffraction swing phase: rising flank of the knee angle, determined by means of a threshold value;
- 6. maximale Beugungsschwungphase: Kniewinkel wird maximal;6. maximum flexion swing phase: knee angle becomes maximum;
- 7. Streckung Schwungphase: fallende Flanke des Kniewinkels, festgestellt mittels eines Schwellwertes;7. Extension swing phase: falling flank of the knee angle, determined by means of a threshold value;
- 8. volle Streckung: Kniewinkel wird minimal oder negativ (Hyperextension).8. full extension: knee angle becomes minimal or negative (hyperextension).
Diese Gang-Fixpunkte sind über eine Schrittperiode verteilt und unterteilen die Schrittperiode in die vorstehend erläu terten Phasen.These fixed gait points are spread over a stride period and divide the stride period into the above phases.
Die "on-line" Gang-Zeitbasis bestimmt die Gangzeit des momen tanen Zeitpunktes, bevor die derzeitige Schrittperiode been det ist. Und dies erfolgt erfindungsgemäß durch Vorausberech nen der Zeit des Eintreffens eines zukünftigen Ereignisses mit einer bekannten Gangzeit.The "on-line" gait time base determines the gomen's gait time tan time before the current stride period has ended det. And this is done according to the invention by advance calculation the time of the arrival of a future event with a known gear time.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darin gesehen werden, daß bei einem Wechsel der Gangart auch die Steuerung der Kniebremse geändert wird und zwar jeweils unter Adaptierung eines gespeicherten Referenzmusters.The main advantage of the method according to the invention can can be seen in that when changing gait too the control of the knee brake is changed in each case adapting a stored reference pattern.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ausgehend von der eingangs beschriebenen Oberschenkelprothese durch folgen de Merkmale gelöst:The object underlying the invention is based on follow the thigh prosthesis described at the beginning Features solved:
- a) zumindest zwei Fußdrucksensoren sind in nach unten offenen Ausnehmungen in der Fußsohle angeordnet und zwar im Fer senbereich sowie im Kopfbereich eines OS metatarsale;a) at least two foot pressure sensors are open at the bottom Recesses arranged in the sole of the foot and that in the Fer metatarsal area and in the head area of an OS;
- b) die Bremse ist eine Magnetpulverbremse, die über gepulste Steuersignale einer Pulsweiten-Modulationsschaltung (PWM- Schaltung) angesteuert wird, wobei die Pulsweite den durch die Bremse fließenden Strom und somit das Bremsmo ment bestimmt;b) the brake is a magnetic powder brake that is pulsed Control signals of a pulse width modulation circuit (PWM Circuit) is controlled, the pulse width current flowing through the brake and thus the brake mo ment determined;
- c) ein Einstell- und Kalibriersystem zur Anpassung des die Bremse beaufschlagenden Steueralgorithmus an den Gang des Prothesenträgers.c) an adjustment and calibration system to adapt the Brake actuating control algorithm to the gear of the Prosthesis wearer.
Erfindungsgemäß werden vorzugsweise zumindest zwei EMG-Senso ren verwendet. Außerdem können Sensoren zur Messung des Knie momentes und/oder des Hüftmomentes vorgesehen werden.According to the invention, at least two EMG sensors are preferably used ren used. It can also use sensors to measure the knee moment and / or the hip moment are provided.
Die Kniebremse wird vorzugsweise mit einer konstanten Fre quenz, z. B. 100 Hz beaufschlagt. Grundsätzlich lassen sich alle Meßdaten jederzeit vollständig verarbeiten; in der Pra xis werden aber nur jeweils ausgewählte Meßdaten für die ein zelnen Berechnungen herangezogen. In jedem Fall werden alle Meßdaten von einem Computer über eine bestimmte Zeit gespei chert (z. B. über 2,5 sek.), also nicht sofort vernichtet.The knee brake is preferably with a constant Fre quenz, e.g. B. 100 Hz. Basically, fully process all measurement data at any time; in the Pra xis, however, are only selected measurement data for the one individual calculations. In any case, everyone Measurement data saved by a computer over a certain period of time chert (e.g. over 2.5 sec.), i.e. not immediately destroyed.
Für das Kniegelenkgetriebe werden erfindungsgemäß drei Alter nativen vorgeschlagen.According to the invention, three ages for the knee joint transmission native suggested.
Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich möglich, die genannten EMG-Elektroden zur Identifizierung der Gangart, der Gangphase innerhalb einer Schrittperiode und der Übergänge zwischen Gangart und -phasen heranzuziehen und sei es auch nur zur Kontrolle der im Fußbereich gemessenen Druckwerte und/oder der Kniewinkel-Messungen.According to the invention, it is fundamentally possible to use the aforementioned EMG electrodes to identify the gait, the gait phase within one step period and the transitions between To use gait and phases, even if only for Check the pressure values measured in the foot area and / or the knee angle measurements.
Erfindungsgemäß wird ein Steuerungsverfahren bevorzugt, bei dem die im Stumpfbett gemessenen EMG-Werte in Verbindung mit den im Fußbereich gemessenen Druckwerten und den jeweiligen Kniewinkeln als Information in den Mikroprozessor eingespeist werden zur Identifizierung der Gangart und -phasen und der Übergänge zwischen ihnen. In jeder der Gangphasen wird die Kombination der im Fußbereich gemessenen Druckwerte mit dem gemessenen Kniewinkel als Steuerparameter für den Feedback- Steueralgorithmus benutzt. Eine geschlossen ausgebildete Kniebeaufschlageinrichtung umfaßt ein Getriebe sowie eine Magnetpulverbremse, die eine direkte, kontinuierliche Steue rung des Kniebremsmomentes sowohl in der Standphase als auch in der Schwungphase ermöglichen. Die Kombination dieser drei Merkmalskomplexe führt zu einem zweischichtigen Steuersystem: die erste Schicht beinhaltet die Identifizierung der Gangart und -phase sowie die Auswahl des gangartspezifischen Steuer algorithmus, während die zweite Schicht definiert ist durch die direkte Steuerung des Kniebremsmomentes unter Verwendung des geeigneten Algorithmus.According to the invention, a control method is preferred for which the EMG values measured in the stump bed in connection with the pressure values measured in the foot area and the respective Knee angles fed into the microprocessor as information are used to identify the gait and phases and the Transitions between them. In each of the gait phases, the Combination of the pressure values measured in the foot area with the measured knee angle as control parameter for the feedback Control algorithm used. A closed trained Knee impact device includes a gear and a Magnetic particle brake, which is a direct, continuous control knee braking torque both in the stance phase and enable in the swing phase. The combination of these three Feature complexes leads to a two-tier control system: the first layer involves the identification of the gait and phase as well as the selection of the gang specific tax algorithm, while the second layer is defined by using the direct control of the knee braking torque the appropriate algorithm.
Als Ergebnis hiervon paßt sich die Prothese automatisch an die Gangart und -phase des Prothesenträgers an. Ein wesentli cher Vorteil der erfindungsgemäß gestalteten Oberschenkelprothese ist darin zu sehen, daß eine Anpassung an den jeweiligen Prothesenträger ausschließlich in der Soft ware, nicht aber in der Hardware erfolgen muß. Dies verein facht eine Anpassung beträchtlich.As a result, the prosthesis adapts automatically the gait and phase of the prosthesis wearer. An essential cher advantage of the designed according to the invention Thigh prosthesis can be seen in the fact that an adjustment on the respective prosthesis wearer only in the soft goods, but not in the hardware. This unite increases the adjustment considerably.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert.Further features of the invention are the subject of the Unteran sayings and are combined with other advantages of Invention explained using several exemplary embodiments.
In der Zeichnung sind einige als Beispiele dienende Ausfüh rungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing are some examples which serve as examples tion forms of the invention. Show it:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Oberschenkel prothese; Figure 1 is a schematic representation of a thigh prosthesis.
Fig. 2 in vergrößertem Maßstab das Stumpfbett gemäß Fig. 1 in Vorderansicht; Fig. 2 in an enlarged scale, the stump bed of Figure 1 in front view.
Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2; Fig. 3 is a cross-section according to the line III-III in Fig. 2;
Fig. 4 einen Prothesenfuß in Seitenansicht; Fig. 4 is a prosthetic foot in a side view;
Fig. 5 in vergrößertem Maßstab einen Fußdrucksensor im lotrechten Längsschnitt; FIG. 5 shows in enlarged scale a Fußdrucksensor in vertical longitudinal section;
Fig. 6 den Fußdrucksensor gemäß Fig. 5 in Unteran sicht; Fig. 6, the foot pressure sensor of Figure 5 in Unteran view.
Fig. 7 in seitlicher Rückansicht ein Kniegelenk in einer ersten Ausführungsform; Fig. 7 in the lateral rear view of a knee joint in a first embodiment;
Fig. 8 das Kniegelenk gemäß Fig. 7 in seitlicher Vor deransicht;Deransicht Figure 8, the knee joint according to Fig 7 in a lateral ago..;
Fig. 9 einen lotrechten Schnitt in der Frontebene durch das Kniegelenk gemäß Fig. 7; Fig. 9 is a vertical section in the front plane through the knee joint of FIG. 7;
Fig. 10 einen lotrechten Schnitt in der Sagittalebene durch das Gelenk gemäß Fig. 7; FIG. 10 is a vertical section in the sagittal plane through the hinge of FIG. 7;
Fig. 11 in Draufsicht einen Horizontal schnitt durch das Kniegelenk gemäß Fig. 8; FIG. 11 is a plan view of a horizontal section through the knee joint of FIG. 8;
Fig. 12 eine zweite Ausführungsform eines Kniegelenk in einer Darstellung gemäß Fig. 9; FIG. 12 shows a second embodiment of a knee joint in a representation according to FIG. 9;
Fig. 13 das Kniegelenk gemäß Fig. 12 in einer Darstel lung gemäß Fig. 10; FIG. 13 shows the knee joint according to FIG. 12 in a representation according to FIG. 10;
Fig. 14 das Kniegelenk gemäß Fig. 12 in einer Darstel lung gemäß Fig. 11; FIG. 14 shows the knee joint according to FIG. 12 in a representation according to FIG. 11;
Fig. 15 in schaubildlicher Darstellung eine dritte Aus führungsform für ein Kniegelenk; Figure 15 guide die in a perspective view a third off for a knee joint.
Fig. 16 das Kniegelenk gemäß Fig. 15 im Längsschnitt; Fig. 16, the knee joint of FIG 15 in longitudinal section.
Fig. 17 eine schematische Darstellung für die Defini tion des Kniewinkels; Fig. 17 is a schematic representation for the definition of the knee angle;
Fig. 18 in schematischer Darstellung eine Oberschenkel prothese, deren Prothesenunterschenkel mit Deh nungsmeßstreifenpaaren bestückt ist; Fig. 18 is a schematic representation of a thigh prosthesis, the prosthesis lower leg is equipped with pairs of strain gauges;
Fig. 19 ein Diagramm, in dem Fußdruck und Kniewinkel über eine Schrittperiode aufgetragen sind und ein diese Kurven verdeutlichendes Phasendia gramm; FIG. 19 is a diagram are plotted in the foot print and knee angle a step period and these curves verdeutlichendes Phasendia program;
Fig. 20 ein etwas abgewandeltes Phasendiagramm in einer Darstellung gemäß Fig. 19; FIG. 20 is a somewhat modified phase diagram in a representation according to FIG. 19;
Fig. 21 elektronische Hardware in einem Blockschalt bild; Fig. 21 electronic hardware in a block diagram;
Fig. 22 ein Blockschaltbild für eine digitale Steuer einheit und Fig. 22 is a block diagram for a digital control unit and
Fig. 23 in einem Blockschaltbild eine Steuereinheit mit zwei Controllern. Fig. 23 is a block diagram of a control unit comprising two controllers.
Die in Fig. 1 dargestellte Oberschenkelprothese besteht im wesentlichen aus einem Stumpfbett 1, das zur Verbindung mit einem Oberschenkelstumpf des Prothesenträgers ausgebildet ist, aus einem Prothesenunterschenkel 2, an den ein Prothe senfuß 3 angeschlossen ist und aus einem Kniegelenk 4, das über eine Knieachse 5 einen oberen Kniegelenkanschluß 6 für das Stumpfbett 1 gelenkig verbindet mit einem unteren Kniege lenkanschluß 7 für den Prothesenunterschenkel 2. Im Stumpf bett 1 sind EMG-Sensoren 8 und in der Unterseite des Prothe senfußes 3 sind Fußdrucksensoren 9 angedeutet. Am Kniegelenk 4 sind ein Kniewinkelsensor 10 sowie eine Bremse 11 schema tisch eingezeichnet. Zur Steuerung dieser Bremse 11 dienen ein ebenfalls nur schematisch dargestellter Mikrocomputer 12 und Batterien 13, die der Prothesenträger an einem Gürtel tragen kann, die aber auch unmittelbar in den Prothesenunter schenkel 2 integriert sein können. In einer Alternativlösung ist die Steuerung der Kniebremse 11 durch einen externen Com puter möglich.The thigh prosthesis shown in Fig. 1 consists essentially of a stump bed 1 , which is designed for connection to a thigh stump of the prosthesis wearer, from a lower leg prosthesis 2 , to which a prosthetic foot 3 is connected and from a knee joint 4 , which has a knee axis 5 connects an upper knee joint connection 6 for the stump bed 1 with a lower knee joint connection 7 for the lower leg of the prosthesis 2 . In the stump bed 1 are EMG sensors 8 and in the bottom of the Prothe senfußes 3 foot pressure sensors 9 are indicated. On the knee joint 4 , a knee angle sensor 10 and a brake 11 are shown schematically. To control this brake 11 also serve a schematically shown microcomputer 12 and batteries 13 , which the prosthesis wearer can wear on a belt, but which can also be integrated directly into the lower leg 2 of the prosthesis. In an alternative solution, the knee brake 11 can be controlled by an external computer.
Die Fig. 2 und 3 lassen erkennen, daß drei EMG-Sensoren 8 vorgesehen sind, die jeweils einem das Hüftgelenk beaufschla genden Muskel zugeordnet sind nämlich den Muskeln rectus fe moris, adductor longus und hamstrings. Die EMG-Sensoren 8 sind in der Innenwandung des Stumpfbettes 1 federelastisch festgelegt, um so eine permanente zuverlässige Anlage an dem zugeordneten Muskel zu gewährleisten. Die elektrischen An schlüsse der EMG-Sensoren 8 sind außen am Stumpfbett 1 ver legt. Der Abstand der EMG-Sensoren 8 vom Rand 1a des Stumpfbettes 1 beträgt etwa 10 cm.See Fig. 2 and 3 can be that three EMG-sensors 8 are provided, which are each associated with one of the hip joint beaufschla constricting muscle namely rectus muscles fe Moris, adductor longus and hamstrings. The EMG sensors 8 are resiliently fixed in the inner wall of the stump bed 1 in order to ensure permanent, reliable contact with the associated muscle. The electrical connections to the EMG sensors 8 are on the outside of the stump bed 1 . The distance of the EMG sensors 8 from the edge 1 a of the stump bed 1 is approximately 10 cm.
Fig. 1 läßt erkennen, daß vier Fußdrucksensoren 9 vorgesehen sind von denen Fig. 4 nur zwei zeigt. Der erste Fußdrucksen sor liegt im Fersenbereich, der zweite im Bereich eines OS metatarsale, der dritte im Kopfbereich eines OS metatarsale und der vierte im Zehenbereich. Jeder Fußdrucksensor 9 stützt sich gegen eine Metalleinlage 14 ab, die in eine Ausnehmung 15 eingelegt ist, die um den Fußdrucksensor 9 herum mit dem Material der Prothesenfuß-Lauffläche ausgefüllt ist. Fig. 1 shows that four foot pressure sensors 9 are provided, of which Fig. 4 shows only two. The first foot pressure sensor is in the heel area, the second in the area of an OS metatarsal, the third in the head area of an OS metatarsal and the fourth in the toe area. Each foot pressure sensor 9 is supported against a metal insert 14 which is inserted into a recess 15 which is filled around the foot pressure sensor 9 with the material of the prosthetic foot tread.
Zur Verstärkung der das Kniegelenk beaufschlagenden Brems kraft ist ein Kniegelenkgetriebe vorgesehen. Die Fig. 7 bis 11 zeigen eine erste Ausführungsform für ein Kniegelenk getriebe 16. Die Knieachse 5 sitzt zusammen mit einem ersten Getriebezahnrad 17 fest am oberen Kniegelenkanschluß 6, wäh rend der untere Kniegelenkanschluß 7 als Getriebegehäuse 18 ausgebildet ist, das die Lagerung für die Knieachse 5 bildet und das eigentliche Getriebe, die Bremse 11 und ein Codierge rät umfaßt, das über den Kniewinkelsensor 10 den jeweiligen Kniewinkel und außerdem die jeweilige Winkelgeschwindigkeit zwischen Prothesenober- und -unterschenkel mißt und in Form elektrischer Signale an eine Steuereinheit 19 abgibt (siehe Fig. 21).A knee joint transmission is provided to reinforce the braking force acting on the knee joint. FIGS. 7 to 11 show a first embodiment for a knee joint transmission 16. The knee axis 5 sits together with a first gear wheel 17 firmly on the upper knee joint connection 6 , while the lower knee joint connection 7 is designed as a gear housing 18 , which forms the bearing for the knee axis 5 and includes the actual transmission, the brake 11 and a coding device, which measures the respective knee angle and also the respective angular velocity between the upper and lower leg of the prosthesis via the knee angle sensor 10 and outputs it in the form of electrical signals to a control unit 19 (see FIG. 21).
Die in der Zeichnung im Detail nicht näher dargestellte Brem se 11 ist eine Magnetpulverbremse, die über gepulste Steuer signale einer Pulsweiten-Modulartionsschaltung (PWM-Schal tung) angesteuert wird, wobei die Pulsweite den durch die Bremse fließenden Strom und somit das Bremsmoment bestimmt. Das erste Kniegelenkgetriebe 16 ist ein zweistufiges Unter setzungsgetriebe mit parallel zueinander angeordneter Knie achse 5, Zwischenwelle 20 und Bremswelle 21, die drehbar im Getriebegehäuse 18 gelagert und jeweils mit einem Zahnrad 17, 22, 23 bestückt sind, wobei die Zwischenwelle 20 noch ein mit dem Zahnrad 23 der Bremswelle 21 kämmendes Zwischenrad 24 trägt.The brake se 11, which is not shown in detail in the drawing, is a magnetic powder brake which is controlled via pulsed control signals of a pulse width modularization circuit (PWM circuit), the pulse width determining the current flowing through the brake and thus the braking torque. The first knee joint transmission 16 is a two-stage reduction gear with a parallel arranged knee axis 5 , intermediate shaft 20 and brake shaft 21 which are rotatably mounted in the transmission housing 18 and are each equipped with a gear 17 , 22 , 23 , the intermediate shaft 20 being one with the Gear 23 of the brake shaft 21 carries intermeshing intermediate gear 24 .
Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Anschlag 25 für die Streck lage des Prothesenunterschenkels 2. Fig. 8 zeigt außerdem einen federelastischen Vorbringer 26, während in Fig. 9 eine auf der Bremswelle 21 sitzende Kniewinkel-Codierscheibe 27 angedeutet ist, der das vorstehend erwähnte, in Fig. 11 an gedeutete Codiergerät 28 zugeordnet ist. FIGS. 7 and 8 show a stop 25 for the extended position of the prosthesis lower leg 2. FIG. 8 also shows a spring-elastic feeder 26 , while in FIG. 9 a knee angle coding disk 27 is indicated on the brake shaft 21 , to which the above-mentioned coding device 28, which is indicated in FIG. 11, is assigned.
Die Fig. 12 bis 14 zeigen eine zweite Ausführungsform für ein Kniegelenkgetriebe 29. Hier ist die Knieachse 5 zugleich als Bremswelle ausgebildet und sowohl im oberen als auch im unteren Kniegelenkanschluß 6, 7 drehbar gelagert. Auf dieser die Bremswelle bildenden Knieachse 5 sitzt drehfest ein Zahn rad 30, das mit einem Zahnrad 31 einer Zwischenwelle 32 kämmt, die über ein zweites Zahnrad 33 im Eingriff steht mit einem fest mit dem oberen Kniegelenkanschluß 6 verbundenen Zahnrad 34. Figs. 12 to 14 show a second embodiment for a knee joint mechanism 29. Here, the knee axis 5 is also designed as a brake shaft and rotatably mounted in both the upper and lower knee joint connections 6 , 7 . On this, the brake shaft forming knee axis 5 sits a toothed wheel 30 , which meshes with a gear 31 of an intermediate shaft 32 , which engages via a second gear 33 with a gear 34 fixedly connected to the upper knee joint 6th
Im übrigen wurden die mit dem ersten Kniegelenkgetriebe 16 übereinstimmenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen ver sehen.Otherwise, the components matching the first knee-joint transmission 16 were seen with the same reference numerals.
Die Fig. 15 und 16 zeigen eine dritte Ausführungsform für ein Kniegelenkgetriebe 35. Dieses weist einen an seinem einen Ende fest mit dem oberen Kniegelenkanschluß 6 verbundenen Hebel 36, der sich mit seinem freien Ende auf einer Spindel 37 geführten und deren Drehantrieb darstellenden Drehmutter 38 abstützt. Letztere ist gegen die Wirkung einer Feder 39 auf der Spindel 37 verschiebbar, die die Bremswelle bildet und mit ihrem unteren Ende am unteren Kniegelenkanschluß 7 drehbar gelagert ist. FIGS. 15 and 16 show a third embodiment for a knee joint gear 35. This has a lever 36 at one end which is fixedly connected to the upper knee joint connection 6 and which is supported with its free end on a spindle 37 and the rotary nut 38 representing its rotary drive. The latter is displaceable against the action of a spring 39 on the spindle 37 , which forms the brake shaft and is rotatably supported with its lower end on the lower knee joint connection 7 .
Fig. 17 zeigt eine Relativverschwenkung zwischen dem Stumpf bett 1 und dem Prothesenunterschenkel 2 und den sich hieraus ergebenden Kniewinkel α. Fig. 17 shows a relative pivoting between the stump bed 1 and the lower leg prosthesis 2 and the resulting knee angle α.
Fig. 18 zeigt in schematischer Darstellung, daß der Prothe senunterschenkel 2 mit zwei Dehnungsmeßstreifenpaaren 40 be stückt ist, wobei - in der Sagittalebene gesehen - von jedem Dehnungsmeßstreifenpaar 40 jeweils ein Dehnungsmeßstreifen vorn und der jeweils andere hinten am Prothesenunterschenkel 2 angeordnet sind. Es handelt sich um einen Sensor zur Mes sung des Kniemomentes. Die gleichen Dehnungsmeßstreifenpaare 40 oder aber zwei zusätzliche Dehnungsmeßstreifenpaare dienen zudem als Sensor zur Messung des Hüftgelenkes. Der untere Pfeil A symbolisiert die Bodenreaktionskraft; über die Achse B ist das Biegemoment aufgetragen. Die Punkte B1 und B2 geben die von den beiden Dehnungsmeßstreifenpaaren 40 ermittelten Biegemomente an. Durch lineare Extrapolation dieser beiden Meßpunkte B1, B2 erhält man in der "Höhe" der Knieachse 5 den Wert für das Kniemoment BK und bei weiterer linearer Extrapo lation bis zur "Höhe" des Hüftgelenkes 41 den Wert für das Hüftmoment BH. Bei dieser Art der Messung des Hüftmomentes muß das Kniegelenk 4 in gestreckter Lage des Prothesenunter schenkels 2 blockiert sein. Fig. 18 shows in a schematic representation that the Prothe sen lower leg 2 is equipped with two strain gauges 40 be, wherein - seen in the sagittal plane - each strain gauge pair 40 each have a strain gauge at the front and the other at the rear of the prosthesis lower leg 2 . It is a sensor for measuring the knee moment. The same strain gauge pairs 40 or two additional strain gauge pairs also serve as a sensor for measuring the hip joint. The lower arrow A symbolizes the ground reaction force; The bending moment is plotted on axis B. Points B1 and B2 indicate the bending moments determined by the two pairs of strain gauges 40 . By linear extrapolation of these two measuring points B1, B2, the value for the knee moment B K is obtained in the “height” of the knee axis 5 and, with further linear extrapolation up to the “height” of the hip joint 41, the value for the hip moment B H. In this type of measurement of the hip torque, the knee joint 4 must be blocked in the extended position of the lower leg 2 .
In dem in Fig. 19 gezeigten Diagramm sind auf der lotrechten Achse der jeweils gemessene Fußdruck in Prozent bzw. der je weils gemessene Kniewinkel α in Winkelgrad aufgetragen, wäh rend die horizontale Achse die Zeitspanne einer kompletten Schrittperiode angibt. Von den vier in Fig. 1 dargestellten Fußdrucksensoren 9 sind lediglich eine Druckkurve D1 für den Fersendrucksensor und eine Druckkurve D2 für einen Drucksen sor im Kopfbereich des OS metatarsale I eingezeichnet. Einge tragen ist ferner die Kurve Kα für den jeweiligen Kniewinkel.In the diagram shown in FIG. 19, the foot pressure measured in percent or the knee angle α measured in each case is plotted in angular degrees on the vertical axis, while the horizontal axis indicates the time span of a complete step period. Of the four foot pressure sensors 9 shown in FIG. 1, only a pressure curve D1 for the heel pressure sensor and a pressure curve D2 for a pressure sensor in the head region of the OS metatarsal I are shown. The curve K α for the respective knee angle is also an input.
Die im Diagramm dargestellte Schrittperiode ist die Zeitspan ne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fersen/Boden-Kontakten des Prothesenfußes 3. Diese Schrittperiode ist erfindungsge mäß unterteilt in mehrere Phasen (in dem dargestellten Bei spiel in acht Phasen), deren jeweiliger Endpunkt durch für diese Phase vorgegebene Meßdaten bestimmt ist. Dabei werden jeder Phase bestimmte, sich während dieser Phase gegebenen falls ändernde Bremswerte zugeordnet, mit denen die Kniebrem se 11 beaufschlagt wird.The step period shown in the diagram is the time span ne between two successive heel / floor contacts of the prosthetic foot 3 . This step period is according to the invention divided into several phases (in the example shown in eight phases), the respective end point of which is determined by measurement data predetermined for this phase. Each phase is assigned certain braking values, which may change during this phase, with which the knee brakes 11 are applied.
In der unteren Darstellung der Fig. 19 zeigen die drei rechts von der gestrichelten Linie liegenden Phasen 1 bis 3 die Körperhaltungsphase, die links von der gestrichelten Li nie eingezeichneten Phasen 4 bis 8 die Schwungphase. Dabei sind beispielsweise die Möglichkeiten vorgesehen, aus der Phase 1 unmittelbar in die Phase 4 und/oder aus der Phase 4 unmittelbar in die Phase 6 überzugehen.In the lower representation of FIG. 19, the three phases 1 to 3 to the right of the dashed line show the posture phase, the phases 4 to 8 to the left of the dashed line never show the swing phase. In this case, for example, the possibilities are provided for moving directly from phase 1 to phase 4 and / or from phase 4 directly to phase 6 .
Fig. 20 zeigt für das in der Fig. 19 dargestellte Phasen diagramm ein etwas vereinfachtes Beispiel für das Gehen auf ebenem Untergrund. Auch hier bedeuten die durch einen Kreis symbolisierten Phasen jeweils einen kurzen Zeitabschnitt von einer Schrittperiode, wobei während jeder Phase eine gesteu erte Kniebewegung stattfindet. Die Pfeile zwischen den Phasen geben den jeweiligen Phasenübergang an. Es handelt sich hier um vorgegebene Schwellwerte bzw. Fixpunkte, die den Endpunkt einer Phase definieren und jeweils von durch Sensoren über mittelte Meßdaten bestimmt werden. Fig. 20 shows for the phase diagram shown in Fig. 19 a somewhat simplified example of walking on level ground. Here, too, the phases symbolized by a circle each mean a short period of one step period, with a controlled knee movement taking place during each phase. The arrows between the phases indicate the respective phase transition. These are predefined threshold values or fixed points which define the end point of a phase and are determined in each case by measurement data averaged by sensors.
Fig. 21 zeigt ein Beispiel für die zur Steuerung der Knie bremse 11 vorgesehene elektronische Hardware. Diese umfaßt die bereits vorstehend erwähnte Steuereinheit 19, die Schnittstellen für die drei EMG-Sensoren 8, für zwei Fuß drucksensoren 9 sowie für das Codiergerät 28 aufweist. Die Stromversorgung für die Steuereinheit 19 ist mit 42 bezeich net. Die Steuereinheit 19 steht mit einem externen Computer 43 in Verbindung und weist eine Steuerleitung 44 zur Steue rung der Bremse 11 auf. Fig. 21 shows an example of the electronic hardware provided to control the knee brake 11 . This includes the control unit 19 already mentioned, which has interfaces for the three EMG sensors 8 , for two foot pressure sensors 9 and for the coding device 28 . The power supply for the control unit 19 is designated 42 with net. The control unit 19 is connected to an external computer 43 and has a control line 44 for the control of the brake 11 .
Gemäß Fig. 22 weist die Steuereinheit 19 einen Mikrocontrol leraufbau auf, der einen Mikrocontroller 45, zumindest einen RAM sowie eine serielle Schnittstelle zum bidirektionalen Datenaustausch mit dem externen Computer 43 umfaßt. Der Mi krocontroller 45 umfaßt zur Speicherung der Betriebs- und Steuerungssoftware sowie der festen baten einen internen 2 kB EEPROM und ist zur Aufnahme der flüchtigen Daten während des Betriebs mit einem externen 8 kB RAM verbunden.Referring to FIG. 22, the control unit 19 comprises a micro control leraufbau on which at least one comprises a microcontroller 45, RAM and a serial interface for bidirectional data exchange with the external computer 43. The microcontroller 45 includes an internal 2 kB EEPROM for storing the operating and control software and the fixed data and is connected to an external 8 kB RAM for recording the volatile data during operation.
Fig. 23 zeigt eine alternative Ausführungsform mit zwei Con trollern. Hier weist die Steuereinheit 19 einen Mikrocontrol leraufbau in einer Master-Slave-Konfiguration auf, wobei der Mastercontroller 46 mit dem Codiergerät 28 und den Fußdruck sensoren 9 und der mit dem Mastercontroller 46 im direkten Datenaustausch verbundenen Slavecontroller 47 mit den EMG- Sensoren 8 verbunden ist. Beide Controller 46, 47 weisen je weils eine eigene Peripherieschaltung, RAM und eine serielle Verbindung zu dem externen Computer 43 auf. Fig. 23 shows an alternative embodiment with two con trollers. Here, the control unit 19 has a microcontroller structure in a master-slave configuration, the master controller 46 being connected to the coding device 28 and the foot pressure sensors 9 and the slave controller 47 connected to the master controller 46 in direct data exchange being connected to the EMG sensors 8 . Both controllers 46 , 47 each have their own peripheral circuit, RAM and a serial connection to the external computer 43 .
Claims (30)
- a) Ermittlung der jeweiligen Gangart aus einer Anzahl vorgegebener, zuvor für diesen Prothesenträger ermittelten Gangarten durch Auswerten von zumin dest einigen der jeweils übermittelten Meßdaten;
- b) Auswahl des dieser ermittelten Gangart zugeordne ten Steuerprogramms;
- c) für jedes Steuerprogramm wird eine als Zeitspanne definierte Schrittperiode zwischen zwei aufeinand erfolgenden Fersen/Boden-Kontakten unterteilt in mehrere Phasen, deren jeweiliger Endpunkt durch für diese Phase vorgegebene, jeweils übermittelte Meßdaten bestimmt wird;
- d) jeder Phase werden bestimmte, sich während dieser Phase gegebenenfalls ändernde Bremswerte zugeord net, mit denen die Kniebremse beaufschlagt wird.
- a) determining the respective gait from a number of predetermined gaits previously determined for this prosthesis wearer by evaluating at least some of the measurement data transmitted in each case;
- b) selection of the control program assigned to this determined gait;
- c) for each control program, a step period defined as a time period between two successive heel / floor contacts is divided into several phases, the respective end point of which is determined by measurement data which are predetermined for this phase and transmitted;
- d) each phase is assigned certain braking values, which may change during this phase and with which the knee brake is applied.
- - einem Stumpfbett (1), das zur Verbindung mit einem Oberschenkelstumpf des Prothesenträgers ausgebil det ist;
- - einem Prothesenunterschenkel (2), an den ein Pro thesenfuß (3) angeschlossen ist;
- - einem Kniegelenk (4), das über eine Knieachse (5) einen oberen Kniegelenkanschluß (6) für das Stumpfbett (1) gelenkig verbindet mit einem unte ren Kniegelenkanschluß (7) für den Prothesenunter schenkel (2);
- - einer computergesteuerten Bremse (11), die auf eine Bremswelle (21; 5; 37) ein zwischen "frei" und "blockiert" kontinuierlich veränderbares Bremsmo ment aufbringt;
- -einem Kniegelenkgetriebe (16; 29; 35) zur Übertra gung des Bremsmomentes von der Bremswelle (21; 5; 37) auf die Knieachse (5);
- - einer Steuereinheit (19), die über einen Steueral gorithmus die Bremse (11) in Abhängigkeit von der Gehbewegung des Prothesenträgers beaufschlagt;
- - EMG-Sensoren (8), die im Stumpfbett (1) zur Anlage an bestimmten Oberschenkelmuskeln angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit (19) abgeben;
- - Fußdrucksensoren (9), die in der Lauffläche des Prothesenfußes (3) angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit (19) abgeben;
- - einem Kodiergerät (28), das den jeweiligen Knie
winkel sowie die jeweilige Winkelgeschwindigkeit
zwischen Prothesenober- und -unterschenkel (2)
mißt und in Form elektrischer Signale an die Steu
ereinheit (19) abgibt;
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- a) zumindest zwei Fußdrucksensoren (9) sind in nach unten offenen Ausnehmungen (15) in der Fußsohle angeordnet und zwar im Fersenbereich sowie im Kopfbereich eines OS metatarsale;
- b) die Bremse (11) ist eine Magnetpulverbremse, die über gepulste Steuersignale einer Puls weiten-Modulationsschaltung (PWM-Schaltung) angesteuert wird, wobei die Pulsweite den durch die Bremse fließenden Strom und somit das Bremsmoment bestimmt;
- c) ein Einstell- und Kalibriersystem zur Anpas sung des die Bremse (11) beaufschlagenden Steueralgorithmus an den Gang des Prothesen trägers.
- - A stump bed ( 1 ) which is ausgebil det for connection to a thigh stump of the prosthesis wearer;
- - A prosthesis lower leg ( 2 ) to which a prosthetic foot ( 3 ) is connected;
- - A knee joint ( 4 ), which via an knee axis ( 5 ) connects an upper knee joint connection ( 6 ) for the stump bed ( 1 ) in an articulated manner with a lower knee joint connection ( 7 ) for the lower leg prosthesis ( 2 );
- - A computer-controlled brake ( 11 ), the on a brake shaft ( 21 ; 5 ; 37 ) applies between "free" and "blocked" continuously changeable Bremsmo element;
- - A knee joint transmission ( 16 ; 29 ; 35 ) for transmission of the braking torque from the brake shaft ( 21 ; 5 ; 37 ) to the knee axis ( 5 );
- - A control unit ( 19 ) which applies the brake ( 11 ) as a function of the walking movement of the prosthesis wearer via a control algorithm;
- - EMG sensors ( 8 ), which are arranged in the stump bed ( 1 ) for contacting certain thigh muscles and emit signals to the control unit ( 19 );
- - Foot pressure sensors ( 9 ) which are arranged in the tread of the prosthetic foot ( 3 ) and emit signals to the control unit ( 19 );
- - A coding device ( 28 ) which measures the respective knee angle and the respective angular velocity between the upper and lower leg of the prosthesis ( 2 ) and emits it in the form of electrical signals to the control unit ( 19 );
in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized by the following features:- a) at least two foot pressure sensors ( 9 ) are arranged in downwardly open recesses ( 15 ) in the sole of the foot, namely in the heel area and in the head area of an OS metatarsal;
- b) the brake ( 11 ) is a magnetic powder brake which is controlled via pulsed control signals of a pulse width modulation circuit (PWM circuit), the pulse width determining the current flowing through the brake and thus the braking torque;
- c) a setting and calibration system for adapting the brake algorithm ( 11 ) acting control algorithm to the gear of the prosthesis wearer.
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