DE3923056A1 - Knee-joint with free-wheel - is fitted with brake which is controlled by sensor inside prosthesis - Google Patents

Knee-joint with free-wheel - is fitted with brake which is controlled by sensor inside prosthesis

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Abstract

The knee-joint prosthesis has the lower leg (2) attached to the upper leg (5) by a free-wheel. This has a housing (3) which can be held stationary relative to the upper leg (5) by a brake (6). When the brake is applied the lower leg can be swung from the bent position to the straight position but it cannot be swung in the reverse direction. The magnitude of the braking force can be varied by a signal generated by a sensor fitted inside the prostesis. The variation in the braking force controls the swing of the lower leg from the straight position to the bent position. USE - Knee-joint prosthesis.

Description

Die Erfindung betrifft ein künstliches Kniegelenk für eine Prothese für Personen, die einen oder beide Unterschenkel einschließlich der Kniegelenke verloren haben.The invention relates to an artificial knee joint for a Prosthesis for people with one or both lower legs including knee joints.

Bereits bekannt sind künstliche Kniegelenke, die lediglich eine Lagerfunktion aufweisen. Bei derartigen Gelenken ist jedoch nur eine Belastung im gestreckten Zustand möglich, während bei Belastung im gebeugten Zustand das Kniegelenk mehr oder weniger schnell einknickt, was zu schweren Stür­ zen führen kann. Aus diesem Grunde werden bereits derartige Gelenke mit zusätzlichen Feststellmechanismen versehen, die jedoch manuell und bei gestrecktem Gelenk betätigt werden müssen. Hierdurch wird zwar die Sicherheit beim Stehen er­ höht, beim Gehen sind derartige Sperren jedoch nicht betä­ tigt und daher unwirksam.Artificial knee joints are only known have a storage function. With such joints however, only a load when stretched is possible, while the knee joint is under load when bent collapses more or less quickly, leading to heavy door zen can lead. For this reason, such Joints with additional locking mechanisms that however, be operated manually and with the joint extended have to. As a result, he will be safe when standing high, but such locks are not activated when walking and therefore ineffective.

Ebenfalls bereits bekannt sind künstliche Kniegelenke mit belastungsabhängiger Sperrung in Beugerichtung. Diese Ge­ lenke bieten eine relativ hohe Sicherheit gegen Einknicken und können trotzdem noch unter Belastung gestreckt werden. Dies ist beispielsweise beim Treppaufgehen erforderlich. Ein Treppabgehen oder Hinsetzen des Prothesenträgers ist dagegen in der Regel nur möglich, wenn die Bremsvorrichtung zuvor durch Eingriff von außen außer Betrieb gesetzt wurde. Dann ist aber auch keine Sicherheit gegen Einknicken mehr vorhanden.Artificial knee joints are also already known load-dependent blocking in the flexion direction. This Ge Steers offer a relatively high level of security against buckling and can still be stretched under load. This is necessary, for example, when going up stairs. Going up or down the prosthesis wearer is in contrast, usually only possible if the braking device has previously been shut down by outside intervention. Then there is no longer any security against buckling available.

Wesentliche Vorteile bietet hier das künstliche Kniegelenk gemäß der Erfindung. Hierbei wird ein Signalgeber innerhalb der Prothese eingesetzt, der die Bremswirkung einer Brems­ vorrichtung so steuert, daß ohne Eingriff von außen das Kniegelenk stets in Beugerichtung möglichst günstig ge­ bremst wird.The artificial knee joint offers significant advantages here according to the invention. Here, a signal generator within the prosthesis used, the braking effect of a brake device controls so that without outside intervention Knee joint always in the bending direction as cheap as possible is braked.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Bremsmoment abhängig vom Beugewinkel, von der Beugegeschwindigkeit oder von der Beugebeschleunigung gesteuert wird. It is particularly advantageous if the braking torque is dependent the angle of the bend, the speed of the bend or the Diffraction acceleration is controlled.  

Durch die beugewinkelabhängige Steuerung ergibt sich bei­ spielsweise die Möglichkeit, bei kleinen Beugewinkeln klei­ nere Bremsmomente aufzubringen als bei großen Beugewinkeln. Dadurch wird die Bremswirkung an den Belastungsfall ange­ paßt.The control that depends on the angle of deflection results in for example, the possibility of small at small flexion angles Apply more braking torque than with large flexion angles. This applies the braking effect to the load case fits.

Eine sehr gute Variante stellt die geschwindigkeitsabhän­ gige Steuerung des Bremsmoments dar. Wird die Bremswirkung mit zunehmender Beugegeschwindigkeit größer, läßt sich bei­ spielsweise die Beugegeschwindigkeit in gewissen Grenzen steuern bzw. sogar konstant halten. Hierdurch ist es mög­ lich, das künstliche Kniegelenk so auszulegen, daß beim Beugen eine Maximalgeschwindigkeit nicht überschritten wird. Dieser Grenzwert kann so gewählt werden, daß beim Hinsetzen oder beim Treppabgehen ein langsames Beugen pro­ blemlos möglich ist. Hierdurch wird das Trennabsteigen ähn­ lich dem Bewegungsablauf eines gesunden Beines ermöglicht. Wird dagegen eine ungewollte Beugung des Kniegelenks durch einen Bedienungsfehler des Prothesenträgers hervorgerufen, so erfolgt dieses Einknicken relativ langsam. Hierdurch verbleibt dem Prothesenträger relativ viel Reaktionszeit, um einen Sturz zu verhindern oder um zumindest die Folgen eines Sturzes gering zu halten. Die prinzipielle Funktions­ weise der geschwindigkeitsabhängigen Steuerung ist der ei­ nes Automatik-Sicherheitsgurtes ähnlich, bei dem ebenfalls langsame Bewegungen möglich sind, wogegen schnelle Bewegun­ gen gesperrt werden.The speed dependency represents a very good variant current control of the braking torque. The braking effect larger with increasing bending speed, can be at for example the bending speed within certain limits control or even keep constant. This makes it possible Lich to design the artificial knee joint so that the Bending does not exceed a maximum speed becomes. This limit can be selected so that the Sit down or bend slowly when walking down stairs is easily possible. This makes the separation descent similar Lich allows the movement of a healthy leg. If, on the other hand, an unwanted knee flexion occurs caused an operating error of the prosthesis wearer, this buckling takes place relatively slowly. Hereby the prosthesis wearer has a relatively long reaction time, to prevent a fall or at least the consequences to keep a fall down. The basic function The way of speed-dependent control is the egg Similar to the automatic seat belt, which also slow movements are possible, whereas fast movements be blocked.

Zur Realisierung eines geschwindigkeitsabhängig gesteuerten Kniegelenks kann beispielsweise ein rotierendes Element mit beweglich aufgehängten Massen als Signalgeber verwendet werden. Die auf die Massen wirkende Fliehkraft kann dabei als Steuergröße dienen.To implement a speed-controlled For example, a rotating element can be used with the knee joint movably suspended masses used as signaling devices will. The centrifugal force acting on the masses can serve as a tax figure.

Eine andere Möglichkeit der geschwindigkeitsabhängigen Steuerung ergibt sich durch den Einsatz einer Viskositäts­ bremse, bei der ein Medium zwischen zwei relativ zueinander bewegten Flächen geschert wird.Another way of speed-dependent Control results from the use of a viscosity  brake, in which a medium between two relative to each other moving surfaces is sheared.

Soll die Steuerung der verwendeten Bremseinrichtung abhän­ gig von der Beugebeschleunigung erfolgen, so ist die Funktionsweise ähnlich der geschwindigkeitsabhängigen Steuerung. Eine technische Realisierung dieser Variante kann beispielsweise auf elektronischem Wege erfolgen. Hier­ bei findet ein Beschleunigungsaufnehmer als Signalgeber Verwendung, der ein Signal liefert, das der Größe der Win­ kelbeschleunigung proportional ist, mit der das Kniegelenk gebeugt wird. Das elektrische Ausgangssignal des Gebers kann über geeignete Verstärkungs- und Umformelemente an eine elektrisch betätigte Bremseinrichtung weitergeleitet werden, die dann das Bremsmoment abhängig von der Winkelbe­ schleunigung aufbringt.Should the control of the braking device used depend gig of the acceleration due to bending, that is Functioning similar to the speed-dependent Control. A technical realization of this variant can be done electronically, for example. Here at finds an accelerometer as a signal generator Use that provides a signal that matches the size of the win acceleration is proportional to the knee joint is bowed. The electrical output signal of the encoder can be made using suitable reinforcement and forming elements forwarded an electrically operated braking device be the braking torque depending on the Winkelbe brings acceleration.

Alle beschriebenen Varianten weisen erheblich Vorteile ge­ genüber herkömmlichen künstlichen Kniegelenken auf. Durch die belastungsabhängige Bremsung in Beugerichtung wird eine erhöhte Sicherheit im Stand und beim Gehen gewährleistet. Außerdem ist ein Treppaufgehen ohne weiteres möglich. Die wesentlichen Vorteile liegen im Verhalten des künstlichen Kniegelenks beim Hinsetzen oder beim Treppabgehen. Dabei ist - im Gegensatz zu den bereits bekannten Prothesen - ein Bewegungsablauf möglich, der dem eines nicht behinderten Menschen sehr ähnlich ist.All variants described have considerable advantages compared to conventional artificial knee joints. By the load-dependent braking in the bending direction becomes one increased safety when standing and walking guaranteed. In addition, climbing stairs is easily possible. The significant advantages lie in the behavior of the artificial Knee joint when sitting down or going down stairs. Here is - in contrast to the already known prostheses - a Movement possible, that of a non-disabled Is very similar to people.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Kniegelenks ge­ mäß der Erfindung gezeigt. Hierbei findet eine Klemmrollen- Freilaufkupplung Verwendung, deren Innenteil (1) mit dem Unterschenkel (2) der Prothese fest verbunden ist. Das Außenteil (3) der Freilaufkupplung ist im Hebel (4) so ge­ lagert, daß bei Belastung des Unterschenkels (2) das Außen­ teil (3) gegen ein im Oberschenkelteil (5) der Prothese ge­ führtes Bremselement (6) gedrückt wird. Dieses Bremselement (6) wird mittels eines Hebelgestänges (7), einer Buchse (8) und einer Feder (9) vorgespannt. In Fig. 1 an embodiment of the knee joint ge according to the invention is shown. Here, a clamping roller overrunning clutch is used, the inner part ( 1 ) of which is firmly connected to the lower leg ( 2 ) of the prosthesis. The outer part ( 3 ) of the one-way clutch is mounted in the lever ( 4 ) so that when the lower leg ( 2 ) is loaded, the outer part ( 3 ) is pressed against a brake element ( 6 ) guided in the thigh part ( 5 ) of the prosthesis. This brake element ( 6 ) is pretensioned by means of a lever linkage ( 7 ), a bushing ( 8 ) and a spring ( 9 ).

Ist das Bein entlastet, so liegt das Außenteil (3) nicht an der Bremsvorrichtung (6) an. Daher ist das Kniegelenk unge­ bremst und damit in beiden Richtungen frei beweglich. Bei Belastung dagegen bewegt sich der Unterschenkel mit der Freilaufkupplung nach oben, bis der Hebel (4) an einen An­ schlag stößt. Gleichzeitig liegt das Außenteil (3) an der Bremsvorrichtung (6) an. Diese Bremsvorrichtung (6) wird durch die Feder (9) gegen das Außenteil (3) gedrückt. Die Vorspannkraft der Feder (9) wird mittels des Hebelgestänges (7) und der Buchse (8) abhängig vom Beugungswinkel des Kniegelenks gesteuert, so daß die Größe der Bremswirkung vom Beugewinkel des Kniegelenks abhängig ist.If the leg is relieved, the outer part ( 3 ) is not in contact with the braking device ( 6 ). Therefore, the knee joint is not braked and can therefore move freely in both directions. On the other hand, under load, the lower leg with the one-way clutch moves upwards until the lever ( 4 ) hits a stop. At the same time, the outer part ( 3 ) rests on the braking device ( 6 ). This braking device ( 6 ) is pressed by the spring ( 9 ) against the outer part ( 3 ). The biasing force of the spring ( 9 ) is controlled by means of the lever linkage ( 7 ) and the bushing ( 8 ) depending on the angle of the knee joint, so that the magnitude of the braking effect is dependent on the angle of the knee joint.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit von der Beugungs­ geschwindigkeit abhängiger Bremswirkung. Diese Anordnung ist durch hydraulische Elemente realisiert. Hierbei dient der Drehpunkt (1) lediglich zur drehbaren Verbindung von Ober- und Unterschenkelteil der Prothese. Zwischen beiden Teilen ist ein Zylinder (2) angeordnet, dessen Kolben beim Beugen des Kniegelenks einfahren und beim Strecken ausfah­ ren muß. Ist das Bein entlastet, so befindet sich das 2/2- Wege-Ventil (5) in Durchgangsstellung. Wird nun das Kniege­ lenk in einer der beiden Richtungen bewegt, so strömt das Hydrauliköl aus dem Kolbenraum (3) in den Stangenraum (4) bzw. umgekehrt, wobei das Differenzvolumen mit Hilfe des Speichers (8) ausgeglichen wird. Wird dagegen der Unter­ schenkel belastet, so wird das Ventil (5) betätigt und in Sperrstellung gebracht. In dieser Stellung kann das Kniege­ lenk nur noch weitgehend ungehindert gestreckt werden, wo­ bei das Hydrauliköl über das Rückschlagventil (6) strömt. In Beugerichtung wird der Ölstrom jedoch durch das Rück­ schlagventil (6) blockiert, so daß lediglich Öl durch das Steuerventil (7) abfließen kann. Dieses ist so aufgebaut, daß der Druckunterschied zwischen beiden Seiten des Ventils durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird. Somit ist die Bremswirkung von der Beugeschwindigkeit des Kniegelenks abhängig. Fig. 2 shows an embodiment with the diffraction-dependent braking effect. This arrangement is realized by hydraulic elements. The pivot point ( 1 ) serves only for the rotatable connection of the upper and lower leg part of the prosthesis. Between the two parts there is a cylinder ( 2 ), the piston of which must be retracted when the knee is flexed and extended when stretching. If the leg is relieved, the 2/2-way valve ( 5 ) is in the open position. If the knee is now steered in one of the two directions, the hydraulic oil flows from the piston chamber ( 3 ) into the rod chamber ( 4 ) or vice versa, the differential volume being compensated for with the aid of the accumulator ( 8 ). If, however, the lower leg is loaded, the valve ( 5 ) is actuated and brought into the locked position. In this position, the knee can be steered only largely unimpeded, where the hydraulic oil flows through the check valve ( 6 ). In the bending direction, however, the oil flow is blocked by the return check valve ( 6 ), so that only oil can flow out through the control valve ( 7 ). This is designed so that the pressure difference between both sides of the valve is determined by the flow rate. The braking effect is therefore dependent on the bending speed of the knee joint.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Feder (10) in Fig. 1 bzw. (9) in Fig. 2, die der Belastungskraft entgegenwirkt. Mit Hilfe dieser Feder kann bewirkt werden, daß eine gewisse Mindestaufstandskraft erforderlich ist, bis die Bremsvorrichtung wirksam wird.The use of a spring ( 10 ) in FIG. 1 or ( 9 ) in FIG. 2, which counteracts the loading force, is particularly advantageous. With the help of this spring can be effected that a certain minimum contact force is required until the braking device is effective.

Neben den beschriebenen Möglichkeiten ist prinzipiell ein künstliches Kniegelenk gemäß der Erfindung auch über elek­ trische, elektronische oder pneumatische Hilfselemente bzw. durch Kombinationen davon realisierbar.In addition to the options described, there is a artificial knee joint according to the invention also via elec trical, electronic or pneumatic auxiliary elements or realizable by combinations thereof.

Claims (7)

1. Kniegelenk für eine Prothese als Ersatz für das natürli­ che Kniegelenk, mit freier Beweglichkeit in Streckrich­ tung des Beines und belastungsabhängiger Bremsung in Beu­ gerichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Bremswirkung durch einen Signalgeber innerhalb der Pro­ these gesteuert wird.1. Knee joint for a prosthesis as a replacement for the natural knee joint, with free mobility in the direction of extension of the leg and load-dependent braking in the Beu direction, characterized in that the size of the braking effect is controlled by a signal generator within the prosthesis. 2. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung abhängig vom Beugewinkel erfolgt.2. Knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect depending on the bending angle he follows. 3. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung abhängig von der Geschwin­ digkeit der Beugebewegung erfolgt.3. Knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect depending on the speed the flexion movement. 4. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung abhängig von der Beschleu­ nigung der Beugebewegung erfolgt.4. Knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect depending on the acceleration The flexion movement is adjusted. 5. Kniegelenk nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß als Steuersignal die Fliehkraft eines rotieren­ den Elements genutzt wird.5. Knee joint according to claim 1 and 3, characterized net that the centrifugal force of a rotate as a control signal the elements is used. 6. Kniegelenk nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Steuerung die Viskosität eines Mediums ge­ nutzt wird, und zwar derart, daß entweder das Medium durch eine enge Öffnung (z. B. Drossel) gepreßt wird oder dadurch, daß das Medium zwischen zwei relativ zueinander bewegten Flächen geschert wird.6. Knee joint according to claim 1 and 3, characterized net that to control the viscosity of a medium ge is used, in such a way that either the medium is pressed through a narrow opening (e.g. choke) or in that the medium between two relative to each other moving surfaces is sheared. 7. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Bremswirkung über elektrische, elektro­ nische, hydraulische bzw. pneumatische Hilfselemente re­ alisiert wird.7. Knee joint according to claim 1, characterized in that the control of the braking effect via electrical, electro African, hydraulic or pneumatic auxiliary elements right is alized.
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