DE19521464C2 - 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 Kniebrem se eines ein Stumpfbett mit einem Prothesenunterteil mit ange schlossenem Prothesenfuß verbindenden Kniegelenkes, wobei das computergesteuerte Bremsmoment in Abhängigkeit von der Gehbewe gung des Prothesenträgers kontinuierlich zwischen "frei" und "blockiert" veränderbar ist, und die Gehbewegung durch im Stumpfbett gemessene EMG-Werte, im Fußbereich gemessene Druck werte, durch den jeweiligen Kniewinkel sowie die jeweilige, zwi schen Stumpfbett und Prothesenunterschenkel gemessene Winkelge schwindigkeit in Form elektrischer Signale (nachfolgend "Meßda ten") charakterisiert wird.The invention relates to a method for controlling the knee brake se one a stump bed with a prosthesis lower part with attached closed prosthetic foot connecting knee joint, the computer-controlled braking torque depending on the walking movement the prosthesis wearer continuously between "free" and "blocked" is changeable, and the walking movement by im Butt bed measured EMG values, pressure measured in the foot area values, through the respective knee angle as well as the respective, two between the stump bed and the lower leg of the prosthesis speed in the form of electrical signals (hereinafter "Meßda ten ") 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 ange schlossen ist;- A prosthetic lower leg, to which a prosthetic foot is attached is closed;
- - 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 verän derbares Bremsmoment aufbringt;- a computer-controlled brake on a brake shaft a continuously changing between "free" and "blocked" applicable braking torque applies;
- - einem Kniegelenkgetriebe zur Übertragung des Bremsmomentes von der Bremswelle auf die Knieachse;- A knee joint transmission to transfer the braking torque 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 Prothesenfußes angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit abgeben;- Foot pressure sensors in the tread of the prosthetic foot are arranged and emit signals to the control unit;
- - einem Meßgerät, das den jeweiligen Kniewinkel sowie die jeweilige Winkelgeschwindigkeit zwischen Prothesenober- und -unterschenkel mißt und in Form elektrischer Signale an die Steuereinheit abgibt.- A measuring device that the respective knee angle and the respective angular velocity between the upper and lower dentures - Measures lower leg and in the form of electrical signals to the Control unit delivers.
Die EP 0 549 855 A2 offenbart eine Kniebremssteuerung, bei der ein hydraulischer Dämpfer die Winkelgeschwindigkeit im Kniege lenk steuert. Ein Mikroprozessor ermittelt aus einer Belastungs messung und einer Kniewinkelmessung das übliche Gangmuster und beaufschlagt an verschiedenen Gang-Übergangspunkten einen Motor, der seinerseits eine im Hydraulikdämpfer vorgesehene Ventilein richtung verstellt. Diese Ausführungsform ermöglicht dem Prothe senträger die Verwendung der Prothese in verschiedenen Gangarten einschließlich Treppensteigen und sich hinsetzen.EP 0 549 855 A2 discloses a knee brake control in which a hydraulic damper reduces the angular velocity in the knee steering controls. A microprocessor determines from a load measurement and a knee angle measurement the usual gait pattern and applies a motor to different gear transition points, which in turn is a valve provided in the hydraulic damper direction adjusted. This embodiment enables the prothe wearer the use of the prosthesis in different gaits including climbing stairs and sitting down.
Die DE 39 09 672 C2 offenbart eine schwungphasengeregelte Ober schenkelprothese mit einem Oberschaft, der mit einem Unterschaft gelenkig über eine Kniegelenkwelle verbunden und von einem Druckzylinder beaufschlagt ist. Der Druckzylinder wird über ein Ventil angesteuert, dessen Öffnungsgrad durch eine Regulierein richtung in Abhängigkeit von mehreren während Gehversuchen aus gewählten Gehgeschwindigkeiten eingestellt wird. Vorgesehen ist eine Betriebsart-Wähleinrichtung zur Wahl verschiedener Öff nungsgrade für mehrere unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten in einem Lehrprogrammeingabebetrieb sowie für einen Playbackbe trieb. Vorgesehen sind ferner eine die Öffnungsgrade ermittelnde Erfassungseinrichtung, eine die Öffnungsgrade der Betriebsart- Wähleinrichtung speichernde Einrichtung, eine Schwung- und Standphasen erfassende Phasenermittlungseinrichtung, eine Geh geschwindigkeits-Ermittlungseinrichtung, die die tatsächliche Gehgeschwindigkeit aufgrund der jeweiligen Zeitspannen der durch die Phasenermittlungseinrichtung erfaßten Schwung- und Standpha sen ermittelt, sowie eine Steuereinrichtung, die die tatsächlich von der Gehgeschwindigkeit-Ermittlungseinrichtung ermittelte Gehgeschwindigkeit mit den entsprechenden gespeicherten Öff nungsgraden der Betriebsart-Wähleinrichtung vergleicht und den Öffnungsgrad des Ventils einstellt. Gesteuert wird somit nur die Schwingphase. Als Sensoren werden verwendet ein Kniewinkelsensor und Streck-Endschalter. Die Zeitdauer der Standphase wird als Parameter benutzt zur Steuerung des Dämpfungskoeffizienten in der Schwingphase.DE 39 09 672 C2 discloses a swing phase controlled upper prosthetic thigh with a shaft, with a shaft articulated via a knee joint shaft and by one Printing cylinder is acted on. The impression cylinder is over a Valve controlled, its degree of opening by a regulation direction depending on several during walking attempts selected walking speeds. Is provided an operating mode selector for selecting various public degrees for several different walking speeds in a teaching program input company as well as for a playbackbe drifted. A degree of opening is also provided Detection device, one of the degrees of opening of the operating mode Dialer storing device, a swing and Steady-state detecting device, a go speed determining device which is the actual Walking speed due to the respective periods of time the phase determination device detected swing and stance phase sen determined, as well as a control device that actually determined by the walking speed determining device Walking speed with the corresponding stored opening degrees of the operating mode selector and the Valve opening degree. Only that is controlled Swing phase. A knee angle sensor is used as sensors and stretch limit switches. The duration of the stance phase is as Parameter used to control the damping coefficient in the swing phase.
Auch die französische Patentanmeldung 26 23 086 A1 offenbart eine pneumatische Kniebetätigungseinrichtung. Als Sensoren wer den verwendet entweder Fußkontaktsensoren oder Belastungsmessun gen in Kombination mit einem Streck-Endschalter. Die Steuerung löst während der Standphase eine automatische Knieblockierung aus und paßt während der Schwingphase den Dämpfungskoeffizienten der Gangzyklusdauer an.French patent application 26 23 086 A1 also discloses a pneumatic knee actuator. As sensors who uses either foot contact sensors or load measurement in combination with a stretch limit switch. The control releases an automatic knee lock during the stance phase and adjusts the damping coefficient during the oscillation phase the gait cycle duration.
Die US-A-5,062,857 offenbart ein Verfahren zur automatischen Blockierung einer hydraulischen Kniebremse in Abhängigkeit myo elektrischer Meßsignale. Dieses vorbekannte Verfahren verarbei tet ausschließlich EMG-Signale und gibt nur die Wahl zwischen zwei Werten: völlige Blockierung oder aber Freigabe der Knie bremse. Die Steuerung reagiert nur in gefährlichen Situationen (der Prothesenträger verliert das Gleichgewicht oder er stol pert); eine Steuerung der Kniebremse während normaler Gehbewe gungen ist weder vorgesehen noch möglich.US-A-5,062,857 discloses a method for automatic Blocking of a hydraulic knee brake depending on myo electrical measurement signals. Process this known method only EMG signals and only give the choice between two values: complete blockage or release of the knees brake. The control only reacts in dangerous situations (the prosthesis wearer loses balance or he stoles pert); a control of the knee brake during normal walking is neither intended nor possible.
Der Aufsatz HORN, G. W.: Electro-Control: am EMG-Controlled A/K Prosthesis (Med. & biol. Engn, Vol. 10, 1972, Seiten 61 bis 73) offenbart auch nur eine Kniebremssteuerung zwischen den Stellun gen "blockiert" und "frei" und zwar in Abhängigkeit von nur ei nem EMG-Signal. Vorgesehen ist lediglich eine Gelenkblockierung in Beugestellung, nicht aber in Streckstellung. Offenbart ist überdies lediglich eine mechanische Blockierung, die kein kon tinuierliches, gesteuertes Bremsen zuläßt.The essay HORN, G. W .: Electro-Control: on EMG-Controlled A / K Prosthesis (Med. & Biol. Engn, Vol. 10, 1972, pages 61 to 73) also discloses only a knee brake control between the positions gene "blocked" and "free" depending on only egg an EMG signal. Only a joint block is provided in the bent position, but not in the extended position. Is revealed moreover, only a mechanical blocking that no con allows continuous, controlled braking.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine den verschiedenen natürlichen Gangarten besser angepaßte Kniebremssteuerung sowie eine hierfür besser geeignete Oberschenkelprothese zu entwickeln.The invention has for its object one the different natural gaits better adapted knee brake control as well a more suitable thigh prosthesis develop.
Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren wird diese
Aufgabe gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
Based on the method described in the introduction, this object is achieved according to the invention by the following features:
- a) Ermittlung der jeweiligen Gangart aus einer Anzahl vorgege bener, zuvor für diesen Prothesenträger ermittelten Gangar ten, wie z. B. Gehen auf einem ebenen Untergrund, Treppen steigen, Treppenabstieg, das Gehen auf einer ansteigenden oder abschüssigen Fläche, Bewegungen im Stillstand, durch Auswerten von zumindest einigen der jeweils übermittelten Meßdaten;a) Determination of the respective gait from a number given bener gangar previously determined for this prosthesis wearer ten such. B. Walking on a flat surface, stairs climb, descent of stairs, walking on an ascending or sloping surface, movements at a standstill, through Evaluation of at least some of the respectively transmitted Measurement data;
- b) Auswahl des dieser ermittelten Gangart zugeordneten Steuer programms;b) Selection of the tax assigned to this determined gait programs;
- c) für jedes Steuerprogramm wird eine als Zeitspanne definier te Schrittperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fer sen/Boden-Kontakten unterteilt in mehrere Phasen, deren jeweiliger Endpunkt durch diese Phase vorgegebene, jeweils übermittelte Meßdaten bestimmt wird; c) one is defined as a time period for each control program te step period between two successive Fer sen / ground contacts divided into several phases, the respective end point specified by this phase, respectively transmitted measurement data is determined;
- d) während jeder Phase wird kontinuierlich der genaue, sich aus dem ausgewählten Steuerprogramm für diesen Phasenab schnitt der augenblicklichen Gangart ergebende Bremswert errechnet, mit dem dann die Kniebremse beaufschlagt wird.d) during each phase, the exact, continuously from the selected control program for this phase cut the braking value resulting from the current gait calculated, which is then applied to the knee brake.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn zusätzliche Meßdaten ermit telt werden aus den am Knie sowie an der Hüfte angreifenden Mo menten.Furthermore, it can be expedient if additional measurement data are obtained are measured from the moons attacking the knee and hip ment.
Erfindungsgemäß geht man aus von einer Schrittperiode, die defi niert ist als zeitlicher Abstand zwischen zwei Fersen/Boden-Kon takten. Diese Schrittperiode wird auf einer Zeitachse aufgetra gen und dann in eine bestimmte Anzahl von Schrittphasen unter teilt, wobei jeweils zwischen zwei Phasen ein Übergang, also ein Wechsel von der einen zur anderen Phase vorgesehen ist. Jede Phase stellt somit einen zeitlichen Teilabschnitt einer Schritt periode dar, wobei während der Phase eine gesteuerte Kniebewe gung stattfindet. Jeder Phasenübergang basiert auf Meßdaten.According to the invention, one proceeds from a step period which is defi is defined as the time interval between two heels / floor cones clock. This step period is plotted on a time axis gene and then into a certain number of step phases divides, with a transition between two phases Change from one phase to another is provided. Each Phase thus represents a partial time step period, with a controlled knee movement during the phase supply takes place. Each phase 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 Steuerpro gramm zugeordnet ist. Es kann aber festgelegt werden, daß ein Wechsel von dem Steuerprogramm der gerade benutzten Gangart zu dem Steuerprogramm einer anderen Gangart nur bei einer zuvor ausgewählten speziellen Phase der Schrittperiode der gerade be nutzten oder aber der neuen Gangart vorgenommen wird.In the method according to the invention there is basically Possibility of changing from one gait to another at any time to change, with each gait a special tax pro gram is assigned. But it can be determined that a Change from the control program to the gait just used the control program of a different gait only at a previous one selected special phase of the step period of the just be used or the new gait is made.
Erfindungsgemäß erfolgt die Ermittlung der jeweils ausgeübten Gangart durch Vergleich der übermittelten Ist-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. It is useful if the reference measurement data from the for each Gait measured EMG data can be determined.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn für jede der vorgegebe nen Gangarten für jeden abgetasteten Hüftgelenkmuskel über eine Schrittperiode eine die Muskelaktivität wiedergebende Kurve er stellt 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 genannten dreißig Meßwerten einer Muskelaktivitätskurve der gerade ermittelte Istwert verglichen werden muß. Es muß also eine Zuordnung innerhalb der Schrittpe riode erfolgen. Diese Schrittperiode ist jedoch für verschiedene Gangarten unterschiedlich und kann selbst innerhalb derselben Gangart variieren. Da aber die Ist-Meßdaten in realer Zeit, also über einen bestimmten Zeitablauf übermittelt werden, die Refe renzdaten aber für einen vorgegebenen Zeitablauf und damit übli cherweise in Prozentangaben bezogen auf die Schrittperiode vor liegen, ein Vergleich der Realzeit mit Prozentangaben aber nicht möglich ist, muß die tatsächliche Schrittperiode in ihrer "Zeit länge" der Referenz-Schrittperiode angepaßt werden. Dies wird wie folgt vorgenommen:According to the invention, it is advantageous if for each of the given a gait for each scanned hip joint muscle over one Crotch period a curve showing the muscle activity is posed. In practice, this curve can e.g. B. by thirty Measured values are created. When comparing the actual measurement data with however, the reference values cannot be determined easily, with which one of the thirty measured values mentioned, for example Muscle activity curve compared to the actual value just determined must become. So there must be an assignment within the step period. However, this step period is for different Gait different and can even within the same Gait vary. But since the actual measurement data in real time, so are transmitted over a certain period of time, the Refe but reference data for a given period of time and thus usual usually in percentages based on the step period but not a comparison of real time with percentages is possible, the actual step period must be in its "time length "of the reference step period. This will as follows:
Nachdem man für jede der vorgegebenen Gangarten für jeden abge tasteten Hüftgelenkmuskel über eine Schrittperiode eine die Mus kelaktivität wiedergebende Kurve erstellt hat, werden dann die diese Kurve definierenden EMG-Meßdaten durch äquidistante linea re Interpolation auf eine bestimmte Anzahl EMG-Referenzwerte reduziert, die dann die EMG-Referenzkurve definieren. Der erste sowie der letzte EMG-Referenzwert entspricht dann den EMG-Meß daten bei Fersen/Boden-Kontakt. Zum Vergleich einer bestimmten Anzahl Ist-EMG-Meßdaten mit übereinstimmenden Referenz-EMG-Meß daten wird der jeweilige Zeitpunkt innerhalb der Schrittperiode ermittelt und zwar durch Vorausberechnung der Zeit des Endpunk tes der jeweiligen Phase. Es werden dann zu den Ist-Meßdaten die ihnen in Gangzeit am nächsten kommenden EMG-Referenzwerte der EMG-Referenzkurve herausgesucht. Dabei hat es sich als zweckmä ßig erwiesen, nicht alle EMG-Daten der kompletten Schrittperiode zu benutzen, sondern nur EMG-Daten aus einem bestimmten Ab schnitt der Schrittperiode, abhängig von der Gangart.After you have abge for each of the specified gaits palpated the hip muscles over a stride period created activity curve, then the EMG measurement data defining this curve by equidistant linea re interpolation to a certain number of EMG reference values reduced, which then define the EMG reference curve. The first and the last EMG reference value then corresponds to the EMG measurement data on heel / ground contact. To compare a specific one Number of actual EMG measurement data with matching reference EMG measurement data is the respective point in time within the step period determined and in advance by calculating the time of the end point tes of the respective phase. It then becomes the actual measurement data EMG reference values of the EMG reference curve selected. It has proven to be useful Proven, not all EMG data of the complete step period to use, but only EMG data from a certain Ab cut the stride period, depending on the gait.
Die Ermittlung der Gangzeit sucht eine Antwort auf die Frage:The determination of the gait time looks for an answer to the question:
An welcher Stelle befinden wir uns in der Schrittperiode? Dabei
hat es sich als zweckmäßig erwiesen, innerhalb einer Schrittpe
riode bestimmte Gang-Fixpunkte zu definieren. Zum Beispiel in
folgender Reihenfolge:
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, festge stellt mittels eines Schwellenwertes;1.Heel / floor contact:
rising edge of the heel pressure, determined by means of a threshold value; -
2. Beginn Beugung Standphase:
steigende Flanke des Kniewinkels, festge stellt mittels eines Schwellenwertes;2. Beginning of the stance phase:
rising edge of the knee angle, determined by means of a threshold value; -
3. Fuß flach:
Metatarsalkopf I - Druck wird größer als der Fer sendruck;3rd foot flat:
Metatarsal head I - pressure becomes greater than the remote 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, festge stellt mittels eines Schwellenwertes;5. Diffraction swing phase:
rising edge of the knee angle, determined by means of a threshold value; -
6. maximale Beugungschwungphase:
Kniewinkel wird maximal;6. Maximum diffraction swing phase:
Knee angle becomes maximum; -
7. Streckung Schwungphase:
fallende Flanke des Kniewinkels, festge stellt mittels eines Schwellenwertes;7. Stretch swing phase:
falling flank of the knee angle, determined by means of a threshold value; -
8. volle Streckung:
Kniewinkel wird minimal oder negativ (Hyperex tension).8. full extension:
Knee angle becomes minimal or negative (hyperex tension).
Diese Gang-Fixpunkte sind über eine Schrittperiode verteilt und unterteilen die Schrittperiode in die vorstehend erläuterten Phasen.These gait fixed points are spread over a step period and divide the stride period into those explained above Phases.
Die "online" Gang-Zeitbasis bestimmt die Gangzeit des momenta nen Zeitpunktes, bevor die derzeitige Schrittperiode beendet ist. Und dies erfolgt erfindungsgemäß durch Vorausberechnen der Zeit des Eintreffens eines zukünftigen Ereignisses mit einer bekannten Gangzeit.The "online" gear time base determines the gear time of the momenta before the current stride period ends is. And this is done according to the invention by precalculating 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 the fact that when changing gait also Control of the knee brake is changed and that under Adaptation of a stored reference pattern.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ausgehend von
der eingangs beschriebenen Oberschenkelprothese durch folgende
Merkmale gelöst:
The object on which the invention is based is achieved on the basis of the thigh prosthesis described at the outset by the following features:
- a) zumindest zwei Fußdrucksensoren sind in nach unten offenen Ausnehmungen in der Fußsohle angeordnet und zwar im Fersen bereich 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 in the heel area as well as in the head area of a metatarsal bone;
- 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 Bremsmoment be stimmt;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 by the brake flowing current and thus the braking torque be Right;
- 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-Sensoren verwendet. Außerdem können Sensoren zur Messung des Kniemomentes und/oder des Hüftmomentes vorgesehen werden. According to the invention, at least two EMG sensors are preferably used used. In addition, sensors can be used to measure the knee torque and / or the hip moment can be provided.
Die Kniebremse wird vorzugsweise mit einer konstanten Frequenz, z. B. 100 Hz beaufschlagt. Grundsätzlich lassen sich alle Meß daten jederzeit vollständig verarbeiten; in der Praxis werden aber nur jeweils ausgewählte Meßdaten für die einzelnen Berech nungen herangezogen. In jedem Fall werden alle Meßdaten von ei nem Computer über eine bestimmte Zeit gespeichert (z. B. über 2,5 sek.), also nicht sofort vernichtet.The knee brake is preferably operated at a constant frequency, e.g. B. 100 Hz. Basically, all measuring fully process data at any time; in practice but only selected measurement data for each calculation responses. In any case, all measurement data from egg stored on a computer for a certain time (e.g. via 2.5 sec.), So not immediately destroyed.
Für das Kniegelenkgetriebe werden erfindungsgemäß drei Alterna tiven vorgeschlagen.According to the invention, three alternatives are used for the knee joint transmission tives suggested.
Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich möglich, die genannten EMG- Elektroden zur Identifizierung der Gangart, der Gangphase inner halb 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-Messun gen.According to the invention, it is fundamentally possible to Electrodes to identify the gait, the gait phase inside half a step period and the transitions between gait and - to use phases, even if only to control the im Pressure range and / or the knee angle measurement gene.
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 zwi schen 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 Steuerung des Kniebremsmomentes sowohl in der Standphase als auch in der Schwungphase ermöglichen. Die Kombi nation dieser drei Merkmalskomplexe führt zu einem zweischichti gen Steuersystem: die erste Schicht beinhaltet die Identifizie rung der Gangart und -phase sowie die Auswahl des gangartspezi fischen Steueralgorithmus, während die zweite Schicht definiert ist durch die direkte Steuerung des Kniebremsmomentes unter Ver wendung des geeigneten Algorithmus.According to the invention, a control method is preferred in which the EMG values measured in the stump bed in connection with the in the Pressure range and the respective knee angles are fed as information into the microprocessor for Identification of the gait and phases and the transitions between you. In each of the gait phases, the combination of the Pressure range measured with the measured knee angle used as control parameters for the feedback control algorithm. A closed knee impact device comprises a gearbox and a magnetic particle brake, which provide a direct, continuous control of the knee braking torque both in the Enable stance phase as well as in the swing phase. The station wagon Nation of these three feature complexes leads to a two-layer tax system: the first layer contains the identification gait and phase as well as the selection of the gait spec fishing control algorithm while defining the second layer is through the direct control of the knee braking torque under Ver the appropriate algorithm.
Als Ergebnis hiervon paßt sich die Prothese automatisch an die Gangart und -phase des Prothesenträgers an. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäß gestalteten Oberschenkelprothese ist darin zu sehen, daß eine Anpassung an den jeweiligen Prothesen träger ausschließlich in der Software, nicht aber in der Hardwa re erfolgen muß. Dies vereinfacht eine Anpassung beträchtlich.As a result, the prosthesis automatically adapts to the Gait and phase of the prosthesis wearer. An essential one The advantage of the thigh prosthesis designed according to the invention is to be seen in the fact that an adaptation to the respective prosthesis only in the software, but not in the hardwa re must be done. This considerably simplifies adaptation.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü che und werden in Verbindung mit weiteren Vorteilen der Erfin dung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert.Further features of the invention are the subject of the dependent claims che and are combined with other advantages of the Erfin tion explained using several exemplary embodiments.
In der Zeichnung sind einige als Beispiele dienende Ausführungs formen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing, some are exemplary embodiments Shown forms of the invention. Show it:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Oberschenkelpro these; Fig. 1 shows a schematic representation of a thigh pro thesis;
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 Unteransicht; Fig. 6 shows the Fußdrucksensor of FIG 5 in a bottom 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 Vorder ansicht; Fig. 8, the knee joint view of FIG 7 in the lateral front.
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 Horizontalschnitt 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 Darstellung 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 Darstellung 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 Ausfüh rungsform für ein Kniegelenk; Fig. 15 is a diagrammatic representation of a third embodiment 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 Definition des Kniewinkels; Fig. 17 is a schematic representation for the definition of knee angle;
Fig. 18 in schematischer Darstellung eine Oberschenkelpro these, deren Prothesenunterschenkel mit Dehnungs meßstreifenpaaren bestückt ist; Fig. 18 shows a schematic representation of a thigh prosthesis whose 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 Phasendiagramm; FIG. 19 is a diagram are plotted in the foot print and knee angle a step period and these curves verdeutlichendes phase diagram;
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 Blockschaltbild; Fig. 21 electronic hardware in a block diagram;
Fig. 22 ein Blockschaltbild für eine digitale Steuerein heit und Fig. 22 is a block diagram for a digital Steuerein 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 we sentlichen aus einem Stumpfbett 1, das zur Verbindung mit einem Oberschenkelstumpf des Prothesenträgers ausgebildet ist, aus einem Prothesenunterschenkel 2, an den ein Prothesenfuß 3 ange schlossen ist und aus einem Kniegelenk 4, das über eine Knieach se 5 einen oberen Kniegelenkanschluß 6 für das Stumpfbett 1 ge lenkig verbindet mit einem unteren Kniegelenkanschluß 7 für den Prothesenunterschenkel 2. Im Stumpfbett 1 sind EMG-Sensoren 8 und in der Unterseite des Prothesenfußes 3 sind Fußdrucksensoren 9 angedeutet. Am Kniegelenk 4 sind ein Kniewinkelsensor 10 sowie eine Bremse 11 schematisch 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 Pro thesenunterschenkel 2 integriert sein können. In einer Alterna tivlösung ist die Steuerung der Kniebremse 11 durch einen exter nen Computer 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, a lower leg prosthesis 2 , to which a prosthetic foot 3 is connected, and a knee joint 4 , which is connected to a knee axis se 5 connects an upper knee joint connection 6 for the stump bed 1 in an articulated manner to a lower knee joint connection 7 for the lower leg of the prosthesis 2 . EMG sensors 8 are indicated in the stump bed 1 and foot pressure sensors 9 are indicated in the underside of the prosthetic foot 3 . A knee angle sensor 10 and a brake 11 are shown schematically on the knee joint 4 . To control this brake 11 are also used only 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 prosthesis lower leg 2 . 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 beaufschlagen den Muskel zugeordnet sind nämlich den Muskeln rectus femoris, 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 Anschlüsse der EMG-Sensoren 8 sind außen am Stumpfbett 1 verlegt. 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, the muscle is associated with one pressurize the hip joint namely, the rectus femoris muscle, 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 of the EMG sensors 8 are laid 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 Fußdrucksensor liegt im Fersenbereich, der zweite im Bereich eines Os metatar sale, 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 Pro thesenfuß-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 metatar sale, the third in the head area of an os metatarsale 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 prosthesis foot tread.
Zur Verstärkung der das Kniegelenk beaufschlagenden Bremskraft ist ein Kniegelenkgetriebe vorgesehen. Die Fig. 7 bis 11 zei gen eine erste Ausführungsform für ein Kniegelenkgetriebe 16. Die Knieachse 5 sitzt zusammen mit einem ersten Getriebezahnrad 17 fest am oberen Kniegelenkanschluß 6, während der untere Knie gelenkanschluß 7 als Getriebegehäuse 18 ausgebildet ist, das die Lagerung für die Knieachse 5 bildet und das eigentliche Getrie be, die Bremse 11 und ein Codiergerät umfaßt, das über den Knie winkelsensor 10 den jeweiligen Kniewinkel und außerdem die je weilige Winkelgeschwindigkeit zwischen Prothesenober- und -un terschenkel mißt und in Form elektrischer Signale an eine Steu ereinheit 19 abgibt (siehe Fig. 21).A knee joint transmission is provided to amplify the braking force acting on the knee joint. FIGS. 7 to 11 zei gene, 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 the actual transmission, which includes the brake 11 and a coding device, the knee angle sensor 10 measures the respective knee angle and also the respective angular velocity between the upper and lower leg of the prosthesis and emits it in the form of electrical signals to a control unit 19 (see FIG. 21).
Die in der Zeichnung im Detail nicht näher dargestellte Bremse 11 ist eine Magnetpulverbremse, die über gepulste Steuersignale einer Pulsweiten-Modulartionsschaltung (PWM-Schaltung) angesteu ert wird, wobei die Pulsweite den durch die Bremse fließenden Strom und somit das Bremsmoment bestimmt. Das erste Kniegelenk getriebe 16 ist ein zweistufiges Untersetzungsgetriebe mit par allel zueinander angeordneter Knieachse 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 11, which is not shown in detail in the drawing, is a magnetic powder brake which is actuated 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 gear 16 is a two-stage reduction gear par allel to each other arranged knee axis 5, the intermediate shaft 20 and braking shaft 21 are rotatably supported in the gear housing 18 and respectively fitted with a gear 17, 22, 23, the intermediate shaft 20 still 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 Strecklage des Prothesenunterschenkels 2. Fig. 8 zeigt außerdem einen fe derelastischen Vorbringer 26, während in Fig. 9 eine auf der Bremswelle 21 sitzende Kniewinkel-Codierscheibe 27 angedeutet ist, der das vorstehend erwähnte, in Fig. 11 angedeutete Meß gerät 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 fe derelastic Vorbringer 26 , while in Fig. 9 a seated on the brake shaft 21 knee angle encoder disc 27 is indicated, which is the above-mentioned, in Fig. 11 indicated measuring device 28 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 Brems welle bildenden Knieachse 5 sitzt drehfest ein Zahnrad 30, das mit einem Zahnrad 31 einer Zwischenwelle 32 kämmt, die über ein zweites Zahnrad 33 im Eingriff steht mit einem fest mit dem obe ren 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 gear 30 , which meshes with a gear 31 of an intermediate shaft 32 , which is engaged via a second gear 33 with a fixed to the obe ren knee joint 6 gear 34th
Im übrigen wurden die mit dem ersten Kniegelenkgetriebe 16 über einstimmenden Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.Otherwise, the same reference numerals have been provided with the first knee joint transmission 16 via matching components.
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 Stumpfbett 1 und dem Prothesenunterschenkel 2 und den sich hieraus ergeben den Kniewinkel α. Fig. 17 shows a relative pivoting between the stump bed 1 and the prosthesis lower leg 2 and the result is α thereof to the knee angle.
Fig. 18 zeigt in schematischer Darstellung, daß der Prothesen unterschenkel 2 mit zwei Dehnungsmeßstreifenpaaren 40 bestückt ist, wobei - in der Sagittalebene gesehen - von jedem Dehnungs meßstreifenpaar 40 jeweils ein Dehnungsmeßstreifen vorn und der jeweils andere hinten am Prothesenunterschenkel 2 angeordnet sind. Es handelt sich um einen Sensor zur Messung des Kniemomen tes. 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 aufge tragen. Die Punkte B1 und B2 geben die von den beiden Dehnungs meßstreifenpaaren 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 BR und bei weiterer linearer Extrapolation 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 Pro thesenunterschenkels 2 blockiert sein. Fig. 18 shows in a schematic representation that the prosthesis lower leg 2 is equipped with two pairs of strain gauges 40 , wherein - seen in the sagittal plane - one strain gauge of each pair of strain gauges 40 is arranged at the front and the other at the rear on the lower leg of the prosthesis 2 . It is a sensor for measuring knee torque. 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 borne up via 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 BR is obtained in the “height” of the knee axis 5 and, for 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 of the prosthesis 2 .
In dem in Fig. 19 gezeigten Diagramm sind auf der lotrechten Achse der jeweils gemessene Fußdruck in Prozent bzw. der jeweils gemessene Kniewinkel α in Winkelgrad aufgetragen, während 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 Drucksensor im Kopfbereich des Os metatarsale I eingezeichnet. Eingetragen ist ferner die Kurve Kα für den jeweiligen Kniewinkel.In the diagram shown in FIG. 19, the respectively measured foot pressure in percent or the respectively measured knee angle α in angular degrees are plotted 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 metatarsal I are shown. The curve Kα is also entered for the respective knee angle.
Die im Diagramm dargestellte Schrittperiode ist die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fersen/Boden-Kontakten des Prothesenfußes 3. Diese Schrittperiode ist erfindungsgemäß un terteilt in mehrere Phasen (in dem dargestellten Beispiel in acht Phasen), deren jeweiliger Endpunkt durch für diese Phase vorgegebene Meßdaten bestimmt ist. Dabei werden jeder Phase be stimmte, sich während dieser Phase gegebenenfalls ändernde Bremswerte zugeordnet, mit denen die Kniebremse 11 beaufschlagt wird.The step period shown in the diagram is the time span between two successive heel / floor contacts of the prosthetic foot 3 . According to the invention, this step period is subdivided into several phases (eight phases in the example shown), the respective end point of which is determined by measurement data predetermined for this phase. Each phase be determined, possibly changing braking values associated with this phase, with which the knee brake 11 is applied.
In der unteren Darstellung der. Fig. 19 zeigen die drei rechts von der gestrichelten Linie liegenden Phasen 1 bis 3 die Körper haltungsphase, die links von der gestrichelten Linie eingezeich neten 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 the. Fig. 19 show the three right lying on the dashed line phases 1 to 3, the posture phase, which is indicative Neten left of the dashed line phases 4 to 8, 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 Phasendia gramm ein etwas vereinfachtes Beispiel für das Gehen auf ebenem Untergrund. Auch hier bedeuten die durch einen Kreis symboli sierten Phasen jeweils einen kurzen Zeitabschnitt von einer Schrittperiode, wobei während jeder Phase eine gesteuerte Knie bewegung stattfindet. Die Pfeile zwischen den Phasen geben den jeweiligen Phasenübergang an. Es handelt sich hier um vorgegebe ne Schwellenwerte bzw. Fixpunkte, die den Endpunkt einer Phase definieren und jeweils von durch Sensoren übermittelte Meßdaten bestimmt werden. Fig. 20 shows for the phase diagram shown in Fig. 19 a somewhat simplified example of walking on a flat surface. 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 predetermined threshold values or fixed points that define the end point of a phase and are determined in each case by measurement data transmitted by sensors.
Fig. 21 zeigt ein Beispiel für die zur Steuerung der Kniebremse 11 vorgesehene elektronische Hardware. Diese umfaßt die bereits vorstehend erwähnte Steuereinheit 19, die Schnittstellen für die drei EMG-Sensoren 8, für zwei Fußdrucksensoren 9 sowie für das Meßgerät 28 aufweist. Die Stromversorgung für die Steuereinheit 19 ist mit 42 bezeichnet. Die Steuereinheit 19 steht mit einem externen Computer 43 in Verbindung und weist eine Steuerleitung 44 zur Steuerung der Bremse 11 auf. Fig. 21 shows an example for the envisaged for controlling the knee brake 11 electronic hardware. This includes the control unit 19 already mentioned above, which has interfaces for the three EMG sensors 8 , for two foot pressure sensors 9 and for the measuring device 28 . The power supply for the control unit 19 is designated 42. The control unit 19 is connected to an external computer 43 and has a control line 44 for controlling the brake 11 .
Gemäß Fig. 22 weist die Steuereinheit 19 einen Mikrocontroller aufbau auf, der einen Mikrocontroller 45, zumindest einen RAM sowie eine serielle Schnittstelle zum bidirektionalen Datenaus tausch mit dem externen Computer 43 umfaßt. Der Mikrocontroller 45 umfaßt zur Speicherung der Betriebs- und Steuerungssoftware sowie der festen Daten 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 microcontroller construction on which at least one comprises a microcontroller 45 of 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 Mikrocontroller aufbau in einer Master-Slave-Konfiguration auf, wobei der Mastercontroller 46 mit dem Meßgerät 28 und den Fußdrucksensoren 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 jeweils eine eigene Periphe rieschaltung, 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 measuring device 28 and the foot pressure sensors 9 and the slave controller 47 connected to the master controller 46 in direct data exchange with 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 (29)
- a) Ermittlung der jeweiligen Gangart aus einer Anzahl vorgegebener, zuvor für diesen Prothesenträger er mittelten Gangarten, wie z. B. Gehen auf einem ebe nen Untergrund, Treppensteigen, Treppenabstieg, das Gehen auf einer ansteigenden oder abschüssigen Flä che, Bewegungen im Stillstand, durch Auswerten von zumindest einigen der jeweils übermittelten Meßda ten;
- b) Auswahl des dieser ermittelten Gangart zugeordneten Steuerprogramms;
- c) für jedes Steuerprogramm wird eine als Zeitspanne definierte Schrittperiode zwischen zwei aufeinan derfolgenden Fersen/Boden-Kontakten unterteilt in mehrere Phasen, deren jeweiliger Endpunkt durch für diese Phase vorgegebene, jeweils übermittelte Meß daten bestimmt wird;
- d) während jeder Phase wird kontinuierlich der genaue, sich aus dem ausgewählten Steuerprogramm für diesen Phasenabschnitt der augenblicklichen Gangart erge bende Bremswert errechnet, mit dem dann die Knie bremse beaufschlagt wird.
- a) Determination of the respective gait from a number of predetermined, previously determined for this prosthesis wearer gaits, such as. B. Walking on a level surface, climbing stairs, descending stairs, walking on a rising or sloping surface, movements at a standstill, by evaluating at least some of the measurement data transmitted;
- 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 / ground contacts is divided into several phases, the respective end point of which is determined by measurement data that are predetermined for this phase and transmitted;
- d) during each phase, the exact braking value resulting from the selected control program for this phase section of the current gait is calculated, which is then applied to the knee brake.
- 1. einem Stumpfbett (1), das zur Verbindung mit einem Oberschenkelstumpf des Prothesenträgers ausgebildet ist;
- 2. einem Prothesenunterschenkel (2), an den ein Prothe senfuß (3) angeschlossen ist;
- 3. einem Kniegelenk (4), das über eine Knieachse (5) ei nen oberen Kniegelenkanschluß (6) für das Stumpfbett (1) gelenkig verbindet mit einem unteren Kniegelenkan schluß (7) für den Prothesenunterschenkel (2);
- 4. einer computergesteuerten Bremse (11), die auf eine Bremswelle (21; 5; 37) ein zwischen "frei" und "blockiert" kontinuierlich veränderbares Bremsmoment aufbringt;
- 5. einem Kniegelenkgetriebe (16; 29; 35) zur Übertragung des Bremsmomentes von der Bremswelle (21; 5; 37) auf die Knieachse (5);
- 6. einer Steuereinheit (19), die über einen Steueralgo rithmus die Bremse (11) in Abhängigkeit von der Gehbe wegung des Prothesenträgers beaufschlagt;
- 7. EMG-Sensoren (8), die im Stumpfbett (1) zur Anlage an bestimmten Oberschenkelmuskeln angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit (19) abgeben;
- 8. Fußdrucksensoren (9), die in der Lauffläche des Pro thesenfußes (3) angeordnet sind und Signale an die Steuereinheit (19) abgeben;
- 9. einem Meßgerät (28), das den jeweiligen Kniewinkel
sowie die jeweilige Winkelgeschwindigkeit zwischen
Prothesenober- und -unterschenkel (2) mißt und in Form
elektrischer Signale an die Steuereinheit (19) abgibt;
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach ei
nem 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 Pulsweiten-Modu lationsschaltung (PWM-Schaltung) angesteuert wird, wobei die Pulsweite den durch die Bremse fließen den Strom und somit das Bremsmoment bestimmt;
- c) ein Einstell- und Kalibriersystem zur Anpassung des die Bremse (11) beaufschlagenden Steueralgorithmus an den Gang des Prothesenträ gers.
- 1. a stump bed ( 1 ) which is designed for connection to a thigh stump of the prosthesis wearer;
- 2. a prosthetic lower leg ( 2 ) to which a Prothe senfuß ( 3 ) is connected;
- 3. 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 to a lower knee joint connection ( 7 ) for the prosthetic lower leg ( 2 );
- 4. a computer-controlled brake ( 11 ), which applies a continuously variable braking torque between "free" and "blocked" to a brake shaft ( 21 ; 5 ; 37 );
- 5. a knee joint transmission ( 16 ; 29 ; 35 ) for transmitting the braking torque from the brake shaft ( 21 ; 5 ; 37 ) to the knee axis ( 5 );
- 6. a control unit ( 19 ) which acts on the brake ( 11 ) via a control algorithm depending on the movement of the prosthesis wearer Gehbe;
- 7. EMG sensors ( 8 ) which are arranged in the stump bed ( 1 ) for abutment on certain thigh muscles and emit signals to the control unit ( 19 );
- 8. foot pressure sensors ( 9 ) which are arranged in the tread of the prosthesis foot ( 3 ) and emit signals to the control unit ( 19 );
- 9. a measuring 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 metatarsale;
- 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) an adjustment and calibration system for adapting the control algorithm acting on the brake ( 11 ) to the gear of the prosthesis wearer.
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: GRAMM, LINS & PARTNER, 38122 BRAUNSCHWEIG |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |