DE29723632U1

DE29723632U1 - Computergesteuerte hydraulische Widerstandseinrichtung für eine Prothese und andere Vorrichtungen

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Publication number: DE29723632U1
Application number: DE29723632U
Authority: DE
Original assignee: Mauch Inc
Current assignee: Mauch Inc
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2007-06-27
Also published as: WO1999000075A1

Description

SCHROETER FLEUCHAUS LEHMANN & dALLCJ *!

PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
WOLFRATSHAUSER STR. 145 ■ D-81479 MÜNCHEN

Neue deutsche Gebrauchsmusteranmeldung

Mauch, Inc. 14. September 1998

Unser Zeichen: jx-ma-10 AL/ho/pe

Computergesteuerte hydraulische Widerstandseinrichtung
für eine Prothese und andere Vorrichtungen

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist ideal geeignet zur Verwendung mit einem künstlichen Bein oder einer Prothese, die von einem bis über das Knie Amputierten getragen wird, wobei sie aber auch andere Anwendungen und Verwendungen ermöglicht. Normalerweise umfaßt diese Art von Prothesen ein künstliches Kniegelenk, das eine Fassung zum Aufnehmen und Ergreifen des Stumpfs des Benutzers, eine Knieklammer, die starr mit der Fassung verbunden ist, sowie einen Rahmen aufweist, der sich von der Klammer nach unten erstreckt und durch einen waagerechten Schaft verschwenkbar mit der Klammer verbunden ist. Ein Stamm und ein künstlicher Fuß sind mit dem Grundteil des Rahmens verbunden, und eine Steuerungseinheit ist angeschlossen, um das Kniegelenk zu verriegeln, um zu verhindern, daß es unter Belastung in der Stellungs- oder Haltungsphase eines Schritts einknickt, und um das Kniegelenk in der Schwingphase des Schritts freizugeben. Vorzugsweise steuert die Prothese das Kniegelenk in einer solchen Weise, daß der Amputierte mit einer normalen oder natürlich erscheinenden Gangart gehen kann. Diese Gangart ist gekennzeichnet durch nahezu identische Bewegungen, die bei veränderlichen Gehgeschwindigkeiten von beiden unteren Gliedern ausgeführt werden.

Das biologische oder natürliche Kniegelenk wird durch die Wirkungen von Muskeln angetrieben. Jeder Muskel entwickelt eine aktive Kraft durch Kontraktion und ermöglicht außerdem eine veränderliche Steifigkeit oder einen Widerstand. Es ist nicht möglich gewesen, die Muskelkontraktion bei Beinprothesen nachzuahmen, bedingt durch das Gewicht und das

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Volumen, die erforderlich wären, um diese Funktion nachzuahmen. Die Forschung hat sich darauf konzentriert, eine Steifigkeit oder einen Widerstand auf die Drehung des Kniegelenks auszuüben. Normalerweise umfaßt dieses ein Umschalten des Kniegelenks in eine von zwei Betriebsarten, nämlich verriegelt oder frei für ein Drehen. Die verriegelte Betriebsart tritt während der Stellungsphase des Gehzyklus auf, und die für ein Verdrehen freie Betriebsart tritt während der Schwingphase des Gehzyklus auf. Die Stellungsphase ist gegeben, wenn sich der Fuß der Prothese auf dem Boden befindet, und die Schwingphase ist während der Zeit gegeben, wenn der Fuß der Prothese vom Boden abgehoben ist.

Ein Großteil der Forschung in vergangenen Jahren hat Verbesserungen bei der Steuerung eines künstlichen Kniegelenks in der Art gesucht, den Gang zu verbessern und es dem Amputierten zu ermöglichen, mit Situationen wie beispielsweise dem Herabsteigen von Treppen oder Rampen oder dem Herablassen in eine sitzende Position umzugehen. Wenn ein Kniegelenk als einfaches Gelenk angesehen wird, gibt es zwei verschiedene Vorgänge, die auftreten. Während des Beugens bewegen sich der obere und der untere Abschnitt während der Drehung des Kniegelenks näher zueinander hin. Während des Streckens richtet sich das Bein gerade aus und die Abschnitte bewegen sich auseinander. Damit ein prothetisches Kniegelenk ein biologisches Knie kopiert, ist es erforderlich, den Widerstand gegenüber der Drehung in jeder Richtung unabhänig und veränderlich zu steuern. Dieser Widerstand gegenüber der Drehung während der Schwingphase kann durch einen mechanischen Dämpfer oder eine Reibungseinrichtung, einen pneumatischen Dämpfer oder einen hydraulischen Dämpfer bewerkstelligt werden. In der Prothetik ist es allgemein anerkannt, daß ein hydraulischer Dämpfer den reibungslosesten Vorgang über einen größeren Bereich von Gehgeschwindigkeiten ermöglicht.

Die Stellungsphasensteuerung muß einen sehr großen Widerstand gegen das Beugen ausüben oder jegliche Drehung gegenüber einem Beugen vollständig verriegeln. Die Stellungssteuerung wird normalerweise durch einen gewichtsaktivierten mechanischen Verriegelungsbremsmechanismus bewerkstelligt oder durch ein stellungsaktiviertes polyzentrisches Verbindungssystem oder durch einen stellungsaktivierten hydraulischen Dämpfer. Bei mechanischen Bremsmechanismen kann es schwierig sein, diese korrekt eingestellt zu halten, und sie können bewirken, daß der Amputierte mit einer etwas unnatürlichen Gangart geht. Stellungsaktivierte polyzentrische Mechanismen erfordern mehr Konzentration, und für Amputierte kann es schwierig sein, diese in bestimmten Situationen zu verwenden. Hydraulische Dämpfer erfordern mehr Konzentration und Training bei dem Amputierten, wobei sie eine natürlichere Gangart ermöglichen.

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US-Patente 5,405,409 und 5,443,521, die für den Anmelder der vorliegenden Erfindung erteilt wurden, offenbaren einen hydraulischen Dämpfer linearer Art zum Steuern einer oberhalb des Knies ansetzenden Prothese, Dieser hydraulische Dämpfer hat einen unabhängig einstellbaren und veränderlichen Widerstand in der Beugung und der Streckung während der Schwingphase des Gehzyklus. Aufgrund der turbulenten Strömung des Hydraulikfluids während der Schwingphase kann sich dieser Dämpfer einem großen Bereich von Gehgeschwindigkeiten anpassen. Der Steuerungsdämpfer hat eine einzige Dämpfungsrate in der Stellungsphase, die für die Bedürfnisse jedes einzelnen Amputierten manuell eingestellt werden kann. Wenn das Kniegelenk vollständig ausgestreckt ist, nimmt der Dämpfer eine Nicht-Stellungswiderstandsbetriebsart ein. Diese positionsaktivierte Stellungsphase kann anfänglich zusätzliches Gehtraining und Konzentration auf Seiten des Amputierten erfordern, um den vollständigen Vorteil des Dämpfers zu erhalten.

In jüngerer Zeit wurde Elektronik in der Prothetik der unteren Extremitäten eingeführt, in einem Versuch, das Gehen für den Amputierten einfacher zu machen. Beispielsweise offenbaren US-Patente 5,062,856, 5,383,939 und 5,571,205 zwei Systeme, die eine Mikroprozessorsteuerung verwenden, um den Widerstand in einem pneumatischen oder hydraulischen Zylinder während der Schwingphase einzustellen, in einem Versuch, eine Steuerung der Drehung des Kniegelenks über einen größeren Bereich von Gehgeschwindigkeiten zu bewerkstelligen, als es mit herkömmlichen pneumatischen oder Reibungsdämpfern möglich ist.

Eine weitere Verbesserung in dem Gang des Amputierten könnte von einem Mechanismus kommen, der am Anfang der Stellungsphase einen kleinen Betrag an Kniebeugung zulassen würde und dann gegen weitere Beugung verriegeln würde, während gleichzeitig eine Kniestreckung zugelassen würde, wenn sich das Bein aufgrund der Körperbewegung ausstreckt. Ein derartiger Mechanismus wird beschrieben von Siegmar et al. in "Design Principles, Biomechanical Data and Clinical Experience with a Polycentric Knee Offering Controlled Stance Phase Knee Flexion: A Preliminary Report", Journal of Prosthetics and Ortho tics, Vol. 9, Nr. 1, Seiten 18-24, Winter 1997, und von Popvic et al. in "Optimal Control for an Above-knee Prosthesis with Two Degrees of Freedom", J. Biomechanics, Vol. 28, Nr. 1, Seiten 89 - 98, 1995.

Ein Amputierter benötigt während des Heruntergehens einer Treppe einen anderen Widerstand gegenüber einer Kniebeugung, als er erforderlich ist, wenn er sich in einen Stuhl setzt. Demnach ist es wünschenswert, daß eine Steuerungseinrichtung in der Lage ist, diese unterschiedlichen Widerstände gegenüber einer Kniebeugung automatisch zu liefern. Die Steue-

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rungseinrichtung sollte außerdem einen Schwingungswiderstand über einen großen Bereich von Gehgeschwindigkeiten ermöglichen. Alles dieses sollte automatisch erfolgen, so daß der Amputierte gehen kann, ohne über seine Prothese nachdenken zu müssen.

Die gleiche Art eines computergesteuerten hydraulischen Dämpfungssystems, das bei Amputierten verwendet werden kann, kann auch bei anderen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise bei Robotersystemen, Bremssystemen und Trainingsgeräten. Diese Anwendungen unterscheiden sich lediglich in der Größe des Antriebs, um den aufgebrachten Maximalwiderstand zu steuern. Sie können alle die gleichen Sensoren, mikroprozessorgesteuerte Elektronik und Ventiltechnologie verwenden. Computergesteuerte Trainingsgeräte sind offenbart in den US-Patenten 4,354,676, 4,711,450, 4,919,418, 5,230,672 und 5,397,287. Bei jeder derartigen Vorrichtung ist es jedoch wünschenswert, in der Lage zu sein, einen genau aufgebrachten Widerstand über einen großen Bereich von Temperatur- und Herstellungstoleranzen aufrecht zu erhalten. Es ist außerdem wünschenswert, eine geeignete Rückkopplungssteuerung . sowie ein hydraulisches Ventil und einen Regler zu haben, die für relativ niedrige Betriebsgeschwindigkeiten ausgelegt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf eine computergesteuerte geschlossene (closed-loop) elektromechanische Widerstandseinrichtung gerichtet. Eine Anwendung der Vorrichtung ist es, einen Schwingungswiderstand für die Knieeinheit einer Prothese für die unteren Gliedmaßen zu schaffen, wie sie von einem bis über das Knie Amputierten getragen wird. Andere Anwendungen der Erfindung umfaßen Rehabilitationseinrichtungen, Trainingsgeräte, Bremsvorrichtungen oder verschiedene andere Dämpfungsanwendungen.

Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung weist die Einrichtung einen Rotationsschaufel- oder Flügelrotor oder -antrieb auf. Wenn das Rotationsflügelrad gedreht wird, wird Hydraulikfluid durch ein elektronisch gesteuertes Ventil von einer Seite des Flügelrads zu der gegenüberliegenden Seite des Flügelrads gedrückt. Wenn die Drehung umgekehrt wird, kehrt sich die Richtung des Hydraulikfluids um, und es fließt zurück durch das gleiche Ventil. Die Computersteuerung des Ventils bewirkt ein veränderliches Druckdifferential von einer Seite des Rotationsflügels zu der anderen Seite. Das veränderliche Druckdifferential wird als ein veränderlicher Widerstand an dem Rotationsflügel aufgenommen. Die Widerstandsvorrichtung der Erfindung kann jedoch auch mit gleicher Wirksamkeit bei einem Antrieb linearer Art angewendet werden.

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Das in der Vorrichtung verwendete Ventil ist ein proportional geregeltes, Solenoid-betätigtes, ausgeglichenes Spulen- oder Steuerventil. Die Form der Spule oder Trommel ist derart, daß eine Strömung quer über die Fläche der Spule nur eine kleine oder keine Auswirkung auf die Spulenbewegung hat, wodurch jegliche Möglichkeit unausgeglichener strömungsinduzierter Kräfte beseitigt wird. Die Ventilspule ist außerdem druckausgeglichen, um jegliche Möglichkeit eines hydraulischen Blockierens zu beseitigen. Der magnetische Kern des Ventils ist so ausgebildet, daß eine nahezu konstante Kraft in dem Arbeitstakt der Spule erzeugt wird, wenn konstante Leistung zugeführt wird. Die Ventilsteuerung umfaßt ein Hochfrequenz-Zittersignal, um ein Zurückbleiben der Spule zu verhindern, und eine Proportionalregelung ist vorgesehen, um jegliche große Verschleißrate zu minimieren, wie sie normalerweise mit einer pulsbreitenmodulierten Regelung verbunden ist.

Die in der Vorrichtung verwendete Ventilsteuerung ist eine mikroprozessorgestützte, geschlossene, adaptive Regelung. Der Mikroprozessor nimmt das Druckdifferential an dem Antrieb oder Rotorflügelrad, die Rotorstellung, eine Hilfskraft sowie einen Druckdifferentialfehler in Intervallen von 1 ms (1.000 Hz) auf. Der Mikroprozessor berechnet die Rotorstellung, die Rotorgeschwindigkeit sowie die Rotorrichtung in Intervallen von 10 ms (100 Hz). Auf der Grundlage dieser Information berechnet der Mikroprozessor den erforderlichen Rotorwiderstand (Druckdifferential) auf der Grundlage von Zustandsgieichungen, wodurch eine sich automatisch einstellende Widerstandseinrichtung geschaffen wird. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential groß ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in großen Schritten, um diesen großen Fehler zu kompensieren. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential klein ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in kleinen Schritten, um diesen kleinen Fehler zu kompensieren. Indem eine Druckrückkopplung für den geschlossenen Regelkreis verwendet wird, ist das Regelsystem in der Lage, Bearbeitungstoleranzen, Ventilsolenoid-Widerstandsveränderungen, eine unterschiedliche Fluidviskosität, Temperaturauswirkungen und Verschleiß zu kompensieren. Konstante in den Zustandsgieichungen passen sich für eine adaptive Regelung mit Veränderungen in der Systembetriebsumgebung an.

Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung als eine Kniesteuerungseinheit für eine bis über das Knie amputierte Person verwendet wird, ermittelt die Steuerungseinheit fünf nennenswerte Punkte in einem typischen Gehzyklus. Die zwei Hauptbereiche eines Gehzyklus sind die Haltungs- oder Stellungsphase und die Schwingphase. Die Stellungsphase ist der Zeitbereich, in dem sich die Prothese in Kontakt mit dem Boden befindet. Die Schwingphase ist der Zeitbereich, in dem sich die Prothese nicht in Kontakt mit dem Boden befindet. Der erste

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betrachtete Hauptpunkt ist der Fersenschlag bzw. das Fersenaufsetzen, was den Beginn der Stellungsphase darstellt. Dieses ist der Punkt, an dem die Prothese den Boden zum ersten Mal berührt und nicht länger in der Luft schwingt. An diesem Punkt muß die Prothese stabil sein, so daß sie nicht einbricht, wenn das Gewicht der amputierten Person von dem anderen Bein übertragen wird.

Eine nachgebende Stellung ist für diese Situation ideal, in der ein großer Widerstand aufgebracht wird, um den Amputierten zu unterstützen, wobei es der Prothese jedoch gestattet wird, sich leicht zu biegen. Idealerweise sollte sich die Prothese um 10° verbiegen, so daß der Amputierte nicht über eine vollständig ausgestreckte Prothese springen muß. Diese Beugung von 10° während der Stellung ist der zweite Punkt der Betrachtung. An diesem Punkt beginnt sich die Prothese auszustrecken, während sich der Amputierte selbst vorwärts bewegt. Während dieser Vorwärtsbewegung streckt sich die Prothese vollständig aus. Nach der Vorwärtsbewegung ist der dritte Punkt die Einleitung der Beugung, bei der der Amputierte beginnt, die Prothese durch ein Beugen der Hüfte vorwärts zu bewegen. Der vierte Punkt liegt vor, wenn der Zeh entfernt wird, wobei die Prothese den Boden verläßt. Dieses ist der Beginn der Schwingphase.

Während der Schwingphase liefert die Kniesteuerungseinheit einen beträchtlichen Widerstand, um die Schwinggeschwindigkeit und den Betrag der Winkelbewegung des unteren Abschnitts der Prothese zu begrenzen. Idealerweise sollte sich das Knie während der Schwingphase nicht mehr als 65° verbiegen. Dieses kann bewerkstelligt werden, indem ein großer Widerstand ausgeübt wird, um den Betrag des Fersenanhebens zu begrenzen. Aufgrund der Bewegungsenergie der Prothese beginnt sich die Kniesteuerungseinheit auszustrecken, während sie durch die Luft schwingt. Der fünfte Punkt der Betrachtung ist die abschließende Verzögerung. Diese tritt kurz vor dem Fersenschlag während der letzten wenigen Grade des Ausstreckens auf, während denen ein großer Widerstand aufgebracht werden muß, um jeglichen harten Knieschlag zu begrenzen, wenn die Prothese die Ausstreckungsanschläge beruht.

Um die Kniesteuerungseinheit zu regeln, nimmt der Mikroprozessor der Erfindung das Druckdifferential an dem Rotorflügelrad, die Kniestellung, den Druckdifferentialfehler und die prothetische Kraft in Intervallen von 1 ms (1.000 Hz) auf. Der Mikroprozessor berechnet die Kniestellung, die Kniegeschwindigkeit, die Knierichtung und nimmt Benutzereinstellungen (1-10) für die Beugung und Ausstreckung in Intervallen von 10 ms (100 Hz) auf. Die Benutzereinstellungen für die Beugung und Streckung bilden einen Nutzungsbereich, und die adaptive Regelung nimmt eine Feinabstimmung der Einheit von dieser Grundlinie aus vor.

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Auf der Grundlage dieser Informationen berechnet der Mikroprozessor den erforderlichen Kniewiderstand (Druckdifferential) auf der Grundlage von Zustandsgieichungen, wodurch eine sich automatisch einstellende Kniesteuerungseinheit geschaffen wird.

Konstante in den Zustandsgieichungen sind in der Lage, sich an Veränderungen in der Systembetriebsumgebung anzupaßen. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential groß ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in großen Schritten, um diesen großen Fehler zu kompensieren. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential klein ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in kleineren Schritten, um diesen kleinen Fehler zu kompensieren. Wenn sich der Kniewinkel streckt und einer vollständigen Streckung annähert, beginnt der Mikroprozessor, das Ventil zu schließen, um einen großen Widerstand zu erzeugen und die Prothese in der Streckrichtung zu verlangsamen. Wenn sich der Kniewinkel beugt und der idealen Fersenanhebung annähert, beginnt der Mikroprozessor, das Ventil zu schließen, um einen großen Widerstand zu erzeugen und die Prothese in der Beugungsrichtung zu verlangsamen. Die gemessene prothetische Kraft gestattet es dem Mikroprozessor, zwischen den Zuständen Fersenschlag, Stellungsmitte oder Zehabheben zu unterscheiden. Dieses unterstützt den Amputierten beim Herabsteigen von Treppen, indem ein großer Kniewiderstand erzeugt wird und der Amputierte zu der nächsten Stufe herabgelassen wird, indem sein eigenes Gewicht eingesetzt wird.

Das Abfangen eines Stolperns wird bewerkstelligt, indem die Kraft und die Knieschwenkgeschwindigkeit aufgenommen werden. Wenn die Kraftsensoren eine Stellungsphase angeben und die Kniegeschwindigkeit groß ist, könnte dieses einen Stolperzustand angeben, so daß das System einen großen Widerstand bewirkt, um dem Amputierten zu helfen, die Kontrolle wieder zu erlangen. In dem Fall einer längeren NichtVerwendung von mehr als fünf Sekunden kehrt der Mikroprozessor in einen Ruhezustand zurück, in dem alle Komponenten mit Ausnahme der Knie winkel-Sensorschaltung abgeschaltet sind. Dieses spart Batterieenergie, aber gestattet es dem Steuerungssystem, den Betrieb bei einer Veränderung des Kniewinkels wieder aufzunehmen. Das Steuerungssystem wird von vier 3,6-Volt Lithium-Ionen-Batterien in einer austauschbaren Batteriepackung mit Energie versorgt, die innerhalb von zwei Stunden auf eine Kapazität von 90 % wieder aufladbar ist. Die Batterielebensdauer beträgt ungefähr 30 Stunden zwischen vollständigen Wiederaufladungen.

Die Kniesteuerungseinheit arbeitet vorzugsweise mit einem Rotationsflügelrotor, der im Inneren eines Rotorgehäuses an der Knieachse angeordnet ist, wobei die Knieklammer mit

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dem Rotationsflügelrad verbunden ist. Wenn das Knie gebeugt wird, dreht sich das Flügelrad, wobei Hydraulikfluid aus dem Gehäuse hinaus durch das Solenoid-Steuerventil gedrückt wird, das wiederum die Fluidströmung und den Druck steuert. Diese Steuerung der Fluidströmung und des Drucks liefert den an der Knieachse zur Verfugung stehenden Widerstand. Fluid, das aus dem Solenoid-Steuerventil austritt, fließt durch ein gewichtsbetätigtes Stellungsventil. Dieses Ventil begrenzt die Fluidströmung immer dann, wenn ein Gewicht auf die Prothese aufgebracht wird. Das Stellungsventil ist einstellbar, um verschiedene Nachgiebigkeitsstufen in Abhängigkeit von dem Gewicht oder dem Wunsch des Amputierten zuzulassen. Das aus dem Stellungsventil austretende Fluid tritt in einen Streckungsvorspannzylinder ein. Dieser Zylinder besteht aus einem federbelasteten Kolben, der zusammengedrückt ist, wenn die Kniesteuereinheit gebeugt ist. Fluid auf der gegenüberliegenden Seite des Vorspannkolbens wird zu der gegenüberliegenden Seite des Rotationsflügelrads geleitet, wodurch die Fluidbahn geschlossen wird. Während des Streckens wird die Strömung umgekehrt, wobei die gespeicherte potentielle Energie des federgespannten Kolbens zur Verfügung steht, um zu dem Strecken der Prothese beizutragen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Seitenansicht einer Prothese der unteren Extremitäten für eine bis über

das Knie amputierte Person, wobei sie eine Widerstandseinrichtung oder Kniesteuerungseinheit aufweist, die entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;

Figur 2 ist eine vergrößerte, bruchstückartige Seitenansicht der in Figur 1 dargestellten

Kniesteuerungseinheit;

Figur 3 ist die Vorderansicht der Kniesteuerungseinheit;

Figur 4 ist die Hinteransicht der Kniesteuerungseinheit;

Figur 5 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 5-5 aus Figur 3, wobei

Komponenten im Inneren dargestellt sind;

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Figur 6 ist ein Teilschnitt im wesentlichen entlang der Linie 6-6 aus Figur 3, wobei

der Kniewinkel-Sensormechanismus dargestellt ist;

Figur 7 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 7-7 aus Figur 2, wobei der

Widerstandsrotor und das Rotorgehäuse dargestellt sind;

Figur 8 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 8-8 aus Figur 2, wobei der

Streckungsdrucksensor dargestellt ist;

Figur 9 ist eine Draufsicht auf das Solenoid-Steuerventil;

Figur 10 ist ein Axialschnitt des in Figur 9 gezeigten Solenoid-Steuerventils;

Figur 1IA ist eine gesprengte Schnittansicht des in Figur 8 dargestellten Kapazitätsdrucksensors;

Figur HB ist ein Axialschnitt des zusammengebauten Sensors;

Figuren 12A bis 12D sind Ansichten des Kapazitätskraftsensors, der in der Kniesteuerungseinheit verwendet wird;

Figuren 13A bis 13C sind Ansichten des in den Figuren 5 und 7 dargestellten Widerstandsrotors;

Figur 14 ist ein Blockdiagramm der hydraulischen Schaltung für die Kniesteuerungseinheit;

Figur 15 ist ein Gesamtblockdiagramm einer computergesteuerten elektromechanischen Closed-Loop-Widerstandsvorrichtung, die entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;

Figur 16 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung der Vorrichtung für eine Trainings- oder Roboter- oder Dämpfungseinrichtung darstellt;

Figur 17 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung der Vorrichtung für eine Kniesteuerungsprothese für einen Amputierten darstellt;

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Figur 18 ist ein Schaltungsdiagramm der Elektronik zur Steuerung des Solenoid-Steuerventils in der Widerstandseinrichtung;

Figur 19 ist ein Schaltungsdiagramm für die Elektronik des Hall-Positionssensors in der Widerstandsvorrichtung;

Figur 20 ist ein Schaltungsdiagramm für die Kraftsensoren der Kniesteuerungseinheit; Figur 21 ist ein Gang-Rniewinkel-Diagramm für die Kniesteuerungseinheit;

Figur 22 ist ein Blockdiagramm eines Software-Hauptprogramms für die Kniesteuerungseinheit;

Figur 23 ist ein Blockdiagramm für das Software-Programm für die Unterbrechung von 1 ms für die Kniesteuerungseinheit; und

Figuren 24A und 24B zeigen das Blockdiagramm für das Software-Programm für die Unterbrechung von 10 ms für die Kniesteuerungseinheit.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Unter Bezugnahme auf Figur 1 umfaßt eine typische Prothese für die unteren Gliedmaßen für einen bis über das Knie Amputierten eine Aufnahme 1 für das Restglied, die als eine Schnittstelle zwischen dem Amputierten und der Prothese fungiert, eine Kniesteuerungsanordnung oder -einheit 2, die eine Kniedrehung und einen Widerstand ermöglicht, um das Gehen zu unterstützen, einen Befestigungsstamm 3 sowie einen Fuß 4. Die Komponenten 1, 3 und 4 sind bekannt und kommerziell erhältlich.

Die Kniesteuerungsanordnung oder -einheit 2 wird in Verbindung mit den Figuren 2 bis 14 beschrieben und weist eine Rahmenanordnung 5 sowie eine Knieklammer 6 in der Form eines umgedrehten U auf, die an der Aufnahme 1 befestigt ist. Die Knieklammer 6 weist eine Halteplatte 7 auf der rechten Seite und eine Halteplatte 8 auf der linken Seite auf. Die Knieklammer 6 schiebt sich über eine Rotorwelle 9 (Figur 5), die parallele Flächen an jedem Ende hat, um die Welle mit der Klammer zu verriegeln. Die seitlichen Halteplatten 7 und 8 sind mittels Schrauben an der Klammer 6 befestigt, und die Welle 9 dreht sich mit der

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Knieklammer 6 relativ zu dem Rahmen 5. Die Halteplatte 8 der linken Seite hat außerdem eine äußere Nockenoberfläche (Figur 6), um einen Kniewinkel-Sensormechanismus zu betätigen.

Figur 6 zeigt den Kniewinkel-Sensormechanismus, der aus einer Rolle 10 besteht, die mittels eines Stiftes 11 an einem Kniewinkel-Hebelarm 12 angebracht ist. Der Kniewinkel-Hebelarm 12 verschwenkt sich um einen Kreuzzapfen 13, der in ein Gehäuse 15 eingedrückt ist. Ein Magnet 14 ist mittels eines Klebstoffes an das untere Ende des Kniewinkel-Hebelarmes 12 angebracht. Wenn sich die Knieklammer 6 relativ zu dem Gehäuse 15 und dem Rahmen 5 verdreht, bewegt sich die Rolle 10 auf der Nockenoberfläche der Halteplatte 8 der linken Seite. Eine Feder 16 bewirkt, daß sich der Hebelarm 12 auf dem Stift 13 verschwenkt, was wiederum den Abstand zwischen dem Magneten 14 und einem Hall-Effekt-Sensor 18 verändert, der auf einer PC-Plattenanordnung 17 angebracht ist. Wenn dieser Abstand verändert wird, verändert sich das Ausgangssignal des Hall-Effekt-Sensors 18, um den wirklichen Kniewinkel des Rahmens 5 und des Gehäuses 15 relativ zu der Klammer 6 anzugeben. Durch eine Packung 19 mehrerer Batterien wird der PC-Platte 17 Energie zugeführt.

Figur 5 zeigt die inneren Komponenten der Kniesteuerungseinheit oder -anordnung 2. Hydraulikfluid ist das Arbeitsfluid, das für den Kniesteuerungswiderstand sorgt. Auf die Knieklammer 6 wird ein Widerstand über die Rotorwelle 9 (Figur 7) und einen flügelartigen Rotor 20 (Figuren 5, 7, 13A bis 13C) ausgeübt, der über zwei Kreuzzapfen 21 an der Rotorwelle angebracht ist. Die Rotorkammer ist durch eine Rotorkappe 22 auf der rechten Seite (Figur 7) und eine Rotorkappe 23 auf der linken Seite definiert. Zwei endlose Teflon-Dichtungen 24 dichten den Rotor 20 gegen die Rotorkappen 22 und 23 ab, wodurch zwei getrennte Rotorkammern 25 und 26 (Figur 5) gebildet werden. Wie in Figur 7 dargestellt ist, wird die Rotorwelle 9 von Rollenlagern 27 getragen, um das Gewicht des Amputierten zu tragen, während seitliche Axialbelastungen von flachen Teflon-Druckscheiben zwischen den Kappen 22 und 23 und den Seiten oder Beinen der Klammer 6 aufgenommen werden. Die Rotorwelle 9 ist gegen eine hydraulische Fluidleckage mittels federgespannter Lippendichtungen 28 neben den Lagern 27 abgedichtet.

Während des Kniebeugens wird der Rotor 20 mit der Knieklammer 6 und der Rotorwelle 9 gedreht, wodurch Hydraulikfluid aus der Rotorkammer 26 (Figur 5) heraus und durch einen gekrümmten Durchgang 29 gedrückt wird, der sich zwischen den Rotorkappen 22 und 23 und dem Gehäuse 15 befindet. Von dem Durchgang 29 wird das Hydraulikfluid in Durchgänge 30a und 30b gedrückt. Der Durchgang 30a bildet eine Verbindung zu einem Beugungs-

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drucksensor 31, der durch einen O-Ring abgedichtet und durch einen Haltering festgehalten ist. Der Durchgang 30b führt in einen Ventilhohlraum. Die Fluiddurchgänge 30a und 30b sowie der Ventilhohlraum sind durch maschinelle Bearbeitung in dem Gehäuse 15 ausgebildet. Von dem Durchgang 30b tritt das Hydraulikfluid durch ein Solenoid-Steuerventil 32 hindurch, das die Strömung und den Druck des Hydraulikfluids in den Arbeitskammern 25 und 26 elektronisch regelt. Das Hydraulikfluid tritt aus dem Solenoid-Steuerventil 32 aus und in einen Fluiddurchgang 33 (Figur 8) ein.

Der Durchgang 33 erstreckt sich zu einem Streckungsdrucksensor 34 (Figuren 5 und 8), der in dem Gehäuse 15 ebenfalls durch einen O-Ring abgedichtet und mittels eines Halterings festgehalten ist. Der Durchgang 33 ist außerdem mit einem Vorspannungsrohr 35 (Figur 4) verbunden, und das Hydraulikfluid läuft durch das Vorspannungsrohr 35 und in einen Hohlraum 36 (Figur 5) hinein, der durch maschinelle Bearbeitung in einer oberen Vorspannungskappe 37 ausgebildet ist. Das Hydraulikfluid läuft dann durch ein Stellungsventilrohr 38 und ein röhrenförmiges Stellungsventilelement 39 in eine Kammer 40 hinein. Das in die Kammer 40 strömende Fluid übt einen Druck auf eine ringförmige Dichtung 41 und einen benachbarten ringförmigen Kolben 42 aus, der sich aufwärts bewegt, um eine Vorspannungsfeder 43 zu komprimieren, die gegen ein Federsitzelement 44 gelagert ist, das an der Kappe 37 befestigt ist. Die Feder 43 ist in einer Ölkammer 45 angeordnet, die durch einen Zylinder 46 definiert wird, der an einem unteren Kappenelement 47 befestigt ist, das einen Stellungsventilkolben 48 für eine axiale Bewegung trägt.

Ein ringförmiger Träger 50 definiert die Kammer 40 und bildet einen Bodensitz für die ringförmige Dichtung 41 und den Kolben an dem Stellungsventilrohr 38, bei dem ein oberes Ende in eine Buchse in dem Federsitzelement 44 gepreßt ist. Eine Leckage des Vorspannungszylinders wird durch eine Serie von O-Ringen (Figur 5) gesteuert, und das Hydraulikfluid wird in Reaktion auf eine Aufwärtsbewegung des ringförmigen Kolbens 42 aufwärts aus der Kammer 45 herausgedrückt. Das Fluid läuft durch Öffnungen in dem Federsitzelement 44 und der oberen Kappe 37, durch ein Rückführungsrohr 57 (Figur 4) und Durchgänge 58 und 59 in die Rotorkammer 25 hinein, wodurch ein Strömungskreislauf gebildet wird. Der Durchgang 58 ist durch maschinelle Bearbeitung in dem Widerstandsgehäuse 15 ausgebildet, und der gekrümmte Durchgang 59 ist durch die Rotorkappen 22 und 23 und das Widerstandsgehäuse 15 definiert und durch geeignete O-Ringe abgedichtet. Ein federvorgespanntes Druckentlastungsventil (nicht dargestellt) kann in die obere Vorspannungskappe 37 integriert sein, um eine hydraulische Strömung von dem Vorspannungsrohr 35 direkt zu dem Rückführungsrohr 57 zu ermöglichen, für den Fall, daß aufgrund einer schnellen Beugung ein extrem

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großer Fluiddruck auftritt. Während des Streckens wird die Strömung aufgrund des Rotors 20 umgekehrt, wobei das Hydraulikfluid aus der Kammer 25 heraus und zurück durch das System geleitet wird. In diesem Fall trägt die Vorspannungsfeder 43 dazu bei, die Strömung von unterhalb des Kolbens 42 zu der Kammer 26 zu bewegen, wodurch eine vollständige Ausstreckung der Prothese sichergestellt wird.

Während der Stellungs- oder Haltungsphase des Gehzyklus wird das Gewicht des Amputierten durch den Stamm 3 und den Fuß 4 an einer Bodenplatte 64 (Figur 5) auf den Boden der Kniesteuereinheit 2 aufgebracht. Die Bodenplatte 64 wird durch röhrenförmige Hülsen 66 und' Schrauben 67 festgehalten. Die Bodenplatte 64 wird außerdem von einem Kraftsensor 68 und einem elastomeren Polster 74 unterstützt. Das elastomere Polster 74 verformt sich, wodurch es der Bodenplatte 64 und einer Stellungsjustierschraube 69 gestartet wird, sich um eine geringe Distanz vertikal zu bewegen. Das elastomere Polster 74 kann effektiv durch Federn, Tellerfedern oder Wellenscheiben ersetzt sein, wobei jedoch die gleichen Betätigungseigenschaften aufrecht erhalten werden. Die Stellungsjustierschraube 69 betätigt den Stellungsventilkolben 48, der auf eine Stellungsventilkappe 70 drückt, um das Stellungsventil 39 aufwärts in das Stellungsventilrohr 38 hinein zu bewegen, um die radialen Öffnungen in dem Stellungsventil 39 zu verschließen. Wenn diese Öffnungen geschlossen sind, wird die Kniesteuerungseinheit in jeglicher Beugungsbewegung eingeschränkt.

Durch Einstellen der Stellungsjustierschraube 69 können die radialen Öffnungen in dem Stellungsventil 39 eingestellt werden, um das Schließen der Öffnungen während der Stellungsphase zu begrenzen, wodurch eine gesteuerte Leckage in der Beugungsrichtung zugelassen wird, was dem Amputierten eine nachgiebige Stellung gibt. Aufgrund einer Tellerfeder 71 über einer Stellungskontrollventilscheibe 72, die axiale Öffnungen in der Stellungsventilkappe 70 bedeckt, wird ein Ausstrecken während der Stellungsphase nicht beeinflußt. Wenn ein Ausstrecken während der Stellungsphase ausgeführt wird, hebt die hydraulische Strömung die Stellungsscheibe 72 an, während die Tellerfeder 71 zusammengedrückt wird, um die axialen Öffnungen in der Stellungsventilkappe 70 zu öffnen. Wenn ein Beugen während der Stellungsphase versucht wird, zwingt hydraulischer Druck die Stellungsscheibe 72 dazu, die Löcher in der Stellungsventilkappe 70 zu bedecken, wodurch verhindert wird, daß sich eine Beugungsströmung durch die Stellungsventilendkappe 70 bewegt. Wenn die Belastung von der Bodenplatte 64 weggenommen wird, wird das Stellungsventil 39 durch eine Rückzugfeder 73 innerhalb des Rohrs 38 in die offene Stellung gedrückt (Figur 5), um es der Strömung zu gestatten, sich durch die Kammer 40 fortzusetzen.

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Ein Blockdiagramm für eine allgemeine Illustration des hydraulischen Systems ist in Figur 14 dargestellt. Durch ein Drehen des Rotors 20 im Uhrzeigersinn innerhalb des Gehäuses 15 wird Hydraulikfluid aus der Kammer 26 durch eine Öffnung zu dem Solenoid-Steuerventil 32 gedrückt. Das Solenoid-Steuerventil 32 wird elektronisch betrieben, um den Strömungsbereich der Fluidbahn variabel zu verändern. Durch eine Verringerung des Strömungsbereichs in dem Ventil 32 wird die hydraulische Strömung verringert, während ein rückwärts gerichteter Druck erhöht wird. Dieses wird als Rotationswiderstand an der Rotorwelle 9 gefühlt. Das Fluid tritt durch einen Durchlaß aus dem Solenoid-Steuerventil 32 aus, der zu dem Stellungsventilelement 39 führt.

Das Stellungsventilelement 39 wird betätigt, wenn eine äußere Kraft aufgebracht wird. Parallel zu dem Stellungsventil 39 ist das Kontrollventilelement 72 angeordnet, das eine Strömung bei einer Drehung des Rotors 20 im Uhrzeigersinn verhindert, wenn das Stellungsventilelement 39 betätigt wird, während eine Strömung bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn jedoch zugelassen wird. Ebenfalls parallel zu dem Stellungsventilelement 39 ist eine einstellbare Öffnung 78 vorgesehen, die eine kleine geregelte Strömung während einer Drehung im Uhrzeigersinn zuläßt, wenn das Stellungsventilelement 39 betätigt wird. Das Hydraulikfluid tritt aus dem Stellungsventilelement 39 durch die radialen Öffnungen aus, was es dem Fluid ermöglicht, den Kolben 42 zu bewegen oder zu betätigen.

Der Kolben 42 trennt zwei Kammern 40 und 45 in dem Zylinder 46 voneinander. Wenn Fluid in die Kammer 40 eintritt, komprimiert der Kolben 42 die Feder 43. Der Kolben zwingt das Fluid in der Kammer 45 dann, aus dem Zylinder 46 auszutreten. Diese Strömung kehrt zu der Rotorkammer 25 zurück, um den Rotor im Uhrzeigersinn zu drehen. Wenn die Drehung des Rotors 20 und der Welle 9 im Uhrzeigersinn gelöst wird, drücken die Vorspannungsfeder 43 und der Kolben 42 das Hydraulikfluid aus der Kammer 40 durch das Stellungsventil 39 heraus und zurück durch das Solenoid-Steuerventil 32 und in die Kammer 26 hinein, was in einer Drehung des Rotors 20 und der Rotorwelle 9 entgegen dem Uhrzeigersinn resultiert.

Die Figuren 13A bis 13C zeigen den Rotor 20 und seinen Aufbau. Der Rotor 20 hat zwei endlose Nuten 82 und 83 zum Aufnehmen der endlosen Dichtungen 24. Die Dichtungen 24 der Wahl sind extrudierte, gedrehte, Teflon-beschichtete Dichtungen, obwohl geformte, elastomere Lippendichtungen ähnliche Ergebnisse liefern. Jede Endlosdichtung ist nahtlos und umgibt den vollen Umfang des Rotors 20. Diese Art der Abdichtung hat den Vorteil eines doppelten Wischens der Dichtungsoberfläche, und sie wirkt als eine Vordichtung zu den

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Dichtungen 28 (Figur 7) um die Welle 9 herum in der Nähe der Beine der Klammer 6, um jegliche äußere Leckage zu minimieren. Zwei Löcher 84 (Figuren 13A und 13B) sind in der Mitte des Rotors 20 vorgesehen, um die Stifte 21 aufzunehmen, die den Rotor 20 an der Rotorwelle 9 befestigen.

Eine Außenansicht des Solenoid-Steuerventils 32 ist in Figur 9 dargestellt, und eine Querschnittsansicht des Solenoid-Steuerventils 32 ist in Figur 10 dargestellt. Eine Spulenrolle 100 ist mit einer Drahtspule 101 mit einer radialen Stufe gewickelt (Figur 10). Die Anzahl von Umläufen des Spulendrahts 101 ist abhängig von den gewünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften, die für einen Betrieb des Ventils gewünscht sind. Leitungsdrähte 102 sind an den Spulendrähten angebracht, und Epoxidharz 103 ist als Zugentlastung vorgesehen. Ein Flußkern 104 ist durch die Mitte der Rolle 100 hindurch eingesetzt, und eine metallische tassenartige Ummantelung 105 nimmt die Rolle 100, die Spule 101 und den Flußkern 104 auf. Eine Einstellschraube 106 ist über ein Gewinde in die Mitte des Flußkerns 104 eingeschraubt und ist mit einem O-Ring 107 abgedichtet.

Ein Ventilelement oder eine Ventilspule 108 sitzt an der Oberseite einer Rückzugfeder 109, und ein röhrenförmiger Spulensitz 110 ruht auf dem Flußkern 104 und wird durch eine röhrenförmige Hülse 111 an Ort und Stelle gehalten. Der Spulensitz 110 begrenzt die Verschiebung oder axiale Bewegung der Spule 108. Ein Hülsenstöpsel 112 ist in die Hülse 111 gepreßt, die über ein Gewinde in die Ummantelung 105 geschraubt ist. Ein magnetisches Material, wie beispielsweise kohlenstoffarmer Stahl, wird für den Flußkern 104, die Ummantelung 105, die Justierschraube 106 und die Spule 108 verwendet. Diese Metallteile sind für beste Wirkungsgrade vorzugsweise hyper-vergütet. Ein nichtmagnetisches Material, wie beispielsweise ein rostfreier Stahl aus der Serie 300, wird für den Spulensitz 110, den Hülsenstöpsel 112 und die Hülse 111 verwendet.

Das Solenoid-Steuerventil 32 ist normalerweise offen, wenn der Spule 101 keine Energie zugeführt wird. Wenn Energie zugeführt wird, erzeugt die Spule 101 einen magnetischen Fluß, der die Spule 108 gegen die steigende Kraft der Feder 109 weiter in den Flußkern 104 hineinzieht. Die spezielle Form des Flußkerns 104 und der Spule 108 zusammen mit der Federkonstante der Feder 109 ist derart, daß die Spulenbewegung proportional zu der zugeführten Energie ist, was sich in eine proportionale Strömungssteuerung übersetzt. Wenn Hydraulikfluid in den Durchgang 30b aus der Kammer 29 eintritt, wird das Fluid von der Öffnung 113 zu der Öffnung 114 geleitet, die durch die Hülse 111 und die Hülsenmuffe 112 gebildet werden. Wenn die Spule 101 vollständig erregt ist, wird die Spule 108 die Öff-

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nungen 113, 117, 114 und 116 absperren, und die Strömung wird aufhören. Wenn die Spule 101 teilweise erregt oder nicht erregt ist, wird die Strömung dann in die Spulenkammer 115 eintreten, um die Spule 108 herumfließen und durch die Öffnung 114 und den Durchgang 34 zu dem Rohr 35 austreten.

Das Paar der Öffnungen 113 und 117 und das Paar der Öffnungen 114 und 116 befinden sich auf der gleichen Höhe, wobei die Öffnungen jedes Paares mit einem Abstand von 180° voneinander angeordnet sind, und wobei jedes Paar der Öffnungen mit einem Abstand von 90° von dem anderen Paar angeordnet ist. Das Solenoid-Steuerventil 32 hat zwei Einlaßöffnungen 113 und 117 und zwei Auslaßöffnungen 114 und 116, obwohl mehr Öffnungen verwendet werden können, falls gewünscht. Obwohl die Öffnungen 113 und 117 als Einlaß und die Öffnungen 114 und 116 als Auslaß beschrieben sind, kann die Strömung mit den gleichen Ergebnissen in einer Richtung oder in zwei Richtungen erfolgen. Die Form der Spule 108 in dem Strömungsbereich 115 sorgt für einen Ausgleich jeglicher Fluidkräfte, die dazu neigen können, die Spule zu öffnen oder zu schließen. Eine axiale Bohrung oder ein Loch verläuft durch die Mitte der Spule 108, um ein hydraulisches Blockieren zu verhindern. Die Vorteile eines optimierten magnetischen Flußes, der zu der Federkonstante paßt, sowie einer optimierten Spule, die zu den Fluidkräften paßt, verringern die für einen Betrieb des Ventils benötigte Energie erheblich. Eine Leckage zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen wird durch einen O-Ring 120 gesteuert, der an der Hülse 111 angebracht ist. Eine externe Leckage des Hydraulikfluids wird durch O-Ringe 121 und 122 gesteuert. Obwohl das Solenoid-Steuerventil 32 vorzugsweise proportional geregelt wird, kann es auch mit einer Pulsbreitenmodulation betrieben werden.

Wie oben erwähnt wurde, hat die computergesteuerte hydraulische Widerstandseinrichtung gemäß der Erfindung vielfältige Anwendungen, wie beispielsweise die Kniesteuerung, die oben für bis über das Knie amputierte Personen beschrieben wurde, fortgeschrittene Trainingssysteme, die einen computergeregelten Widerstand verwenden, sowie Roboter- oder Dämpfungsanwendungen. Während hier eine vollständige Anwendung einer elektronischen Knieregelung offenbart wird, ist die Verwendung der Vorrichtung bei anderen Anwendungen offensichtlich.

Figur 15 zeigt das Steuerdiagramm des Gesamtsystems, das sich auf alle oben genannten Anwendungen bezieht. Das System wird von einem herkömmlichen Mikroprozessor 200 gesteuert, der einen RAM-Speicher, einen Programmspeicher, Zeitglieder und Unterbrechungssteuerungen, Mehrkanal-Analog-Digital-Konverter sowie Eingangs/Ausgangs-Steuerlei-

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tungen aufweist. Der Mikroprozessor verwendet einen externen Taktimpuls, der von einem Zeitsteuerungsgenerator 201 erzeugt wird. Für eine Produktionsprüfbarkeit der inneren Schaltung und für eine Datenübertragung zu anderen Einrichtungen enthält ein Systemblock 202 serielle, asynchrone und synchrone Anschlüsse sowie einen Anschluß für eine Echtzeit-Hintergrund-Betriebsart.

In allen Anwendungen der Vorrichtung führt der Mikroprozessor 200 sein Programm aus, was sowohl ein Abtasten als auch eine Regelung in der Art und Weise eines geschlossenen Regelkreises (closed-loop-control) erfordert. Die Systemprogramme bewirken, daß ein Widerstand auf die Vorrichtung in Abhängigkeit von der aufgenommenen Stellung und Geschwindigkeit aufgebracht wird. Unter Verwendung eines Hydraulikfluidsystems wird der Widerstand durch eine hydraulische Betätigungseinrichtung 211 aufgebracht, die entweder ein Rotationsflügelrad, wie beispielsweise der Rotor 20, oder ein innerhalb eines Zylinders linear bewegbarer Kolben sein kann. Der Widerstand wird aufgebracht, indem die Strömung in einem geschlossenen Fluidsystem durch ein Solenoid-Steuerventil 210, wie beispielsweise dem Ventil 32, begrenzt wird, das durch den Mikroprozessor 200 und seine Steuerschaltung 207 betrieben wird. Der mechanische Widerstand wird durch einen Koppler 214 auf eine Vorrichtung 215 aufgebracht. Die beaufschlagte Vorrichtung kann beispielsweise ein Kniegelenk einer Prothese oder ein Teil einer Trainingsvorrichtung oder eine Roboterplattform sein, das/die eine Begrenzung der Bewegung und/oder der Geschwindigkeit erfordert.

Die Stellung der beaufschlagten Vorrichtung wird durch einen Sensor 216 aufgenommen, der ein Potentiometer, ein Entfemungsdetektor oder ein linearer Hall-Effekt-Sensor sein kann, wie beispielsweise der Sensor 18. Das Ausgangssignal des Stellungssensors ist ein Signal, das durch die Schaltung 204 konditioniert und skaliert ist. Das analoge Stellungssignal, das die Schaltung 204 verläßt, wird durch den A/D-Konverter des Mikroprozessors oder eine externe A/D-Vorrichtung zur Verwendung in dem Hauptprogramm in eine digitale 8-16-Bitnummer konvertiert. Die Stellung wird in festen Intervallen zeitlich abgetastet. Die Differenz in der Stellung zwischen den festen Zeitintervallen dividiert durch die zeitliche Abtastdauer ist die Geschwindigkeit der Bewegung der Vorrichtung, die auch von dem Hauptprogramm verwendet werden muß, sowie die Bewegungsrichtung.

Um den berechneten, gewünschten, auf die Vorrichtung aufgebrachten Widerstand reproduzierbar und unabhängig von Herstellungstoleranzen, Fluidviskosität und/oder Temperaturveränderungen zu erzeugen, wird ein geschlossener Regelkreis (closed-loop-control) verwendet, und die internen Fluiddrücke 212 und 213 der rotierenden oder linearen, hydraulischen

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Betätigungseinrichtung 211 werden aufgenommen. In einem geschlossenen hydraulischen System erzeugt die Betätigungseinrichtung 211 einen Hochdruck und einen Niederdruck an gegenüberliegenden Seiten des Rotationsflügelrades oder des Kolbens, wenn das Steuerventil betätigt wird, um die Fluidströmung zu begrenzen. Wenn die Richtung umgekehrt wird, werden die Hoch- und Niederdruckseiten umgekehrt. Die aufgenommenen Drücke 212 und 213 werden durch eine Schaltung 206 auf ein brauchbares Analogniveau signal-konditioniert und -skaliert. Die verarbeiteten, analogen, hydraulischen Drücke werden durch den Mikroprozessor 200 oder einen externen A/D-Konverter in ein brauchbares, digitales 8-16-Bit-Ventilsignal konvertiert. Bei den oben genannten Anwendungen werden ein logisches Verzweigen der Programmzustandssteuerung in verschiedene Abschnitte des Hauptprogramms sowie verschiedene Variationen in den Berechnungen in dem anwendungsabhängigen Programm 209 durch zusätzliche analoge Kraftsensoren und/oder digitale Schalter oder Knöpfe 208 und 224 bewerkstelligt, wobei ein zusätzliches Abtasten verwendet wird. Bei einer Trainingsgerät- oder Roboteranwendung erfolgt das zusätzliche Abtasten durch eine Benutzertastatur und/oder durch Fernsteuerungsschalter. In dem Anwendungsfall der Kniesteuerungsprothese verwendet die Zusatzabtastfunktion zwei Körpergewichtssensoren und zwei Rotationsauswahlschalter mit 16 Positionen.

Die Figuren 16 und 17 zeigen die Anwendung des Steuerungssystems der Erfindung bei Protheseneinrichtungen, Trainingsgeräten und Robotervorrichtungen. Die Vorrichtung der Erfindung kann auch als computerisierte Dämpfungsvorrichtung verwendet werden, wie beispielsweise für einen Stoßfänger eines Lastwagensitzes, der das Steuerungs- und Komponentendiagramm der Figur 16 verwenden würde. Aufgrund der hoch auflösenden Mikroprozessorsteuerung, die durch die Sensoren sowie die hydraulische Betätigungseinrichtung und das Steuerventil der Erfindung geschaffen wird, kann die gleiche Art einer implementierten Trainingseinrichtung für medizinische Rehabilitationszwecke verwendet werden, programmiert auf die kleinen Schritte der aufgebrachten Gewichtsveränderungen in so kleinen Schritten wie 45,4 Gramm (0,1 pound) bis insgesamt 226,8 Kilogramm (500 pounds). Die zusätzliche Eingangsfunktion teilt dem Hauptprogramm mit, die Belastung für den Patienten zu begrenzen oder zu verringern, wenn er von dem Training erschöpft wird. Das in Figur 16 dargestellte Blockdiagramm ist dem Blockdiagramm der gesamten Erfindung gemäß Figur 15 sehr ähnlich, und es zeigt die Anwendung der Vorrichtung bei einer Trainingseinrichtung, einer Robotereinrichtung oder einer computerisierten Dämpfungseinrichtung. Die Anwendung zeigt einen Mikroprozessor 200, Kommunikations- und Testschaltungen 202, einen Zeitsteuerungsgenerator 201, eine Rücksetzschaltung 219, eine Ventilsteuerschaltung 207 sowie ein Solenoid-Steuerventil 210, einen Stellungssensor 226 und eine Schaltung 204, eine

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Sensor schaltung 206 für die hydraulische innere Kraft sowie Stromversorgungsschaltungen 203.

Figur 17 offenbart die Komponenten der Anwendung für die elektronische Kniesteuerungsprothese. Der Mikroprozessor 200 führt sein Anwendungsprogramm aus, was sowohl ein Abtasten als auch eine Regelung nach Art eines geschlossenen Kreises (closed-loop) erfordert, wie es oben in Verbindung mit Figur 15 beschrieben wurde. Der bei dieser typischen Anwendung verwendete Mikroprozessor ist ein Motorola MC68HC912B32 eingebetteter-16-Bit-Signal-Chipprozessor. Die von dem Mikroprozessor 200 ausgeführte Anwendungssoftware steuert den Widerstand proportional, der während des Gehzyklus eines Patienten an das Kniegelenk der Prothese angelegt werden soll, wobei die Ventilsteuerungsschaltung 207 verwendet wird, um das proportionale, Solenoid-betätigte Ventil 210 oder 32 zu regeln. Eine Pulsbreitenmodulationstechnik arbeitet bei den meisten Anwendungsrallen genauso gut. Das proportionale Regelventil beschränkt die hydraulische Strömung des geschlossenen Systems, die von dem sich bewegenden Knie des Patienten erzeugt wird, sowie die hydraulische Rotationsflügelrad-Betätigungseinrichtung 211, die durch eine Verbindung 214 mit dem Kniegelenk 215 verbunden ist. Der Anwendungssoftware-Algorithmus sagt anfänglich vorher, in welcher Höhe eine Regelstrom an das Solenoid-Ventil 210 oder 32 angelegt werden soll, wenn die Stellung, die Richtung und die Geschwindigkeit des Kniegelenks gegeben ist. Der genaue Widerstandsfehler wird in der Art und Weise eine geschlossenen Kreises ermittelt, wobei die erfaßten hydraulischen Hoch- und Niederdruckseiten 212 und 213 verwendet werden, die durch die Schaltung 206 konditioniert und skaliert werden sollen, und er wird dann in Bezug auf das Steuerniveau durch den Mikroprozessor 200 in ein digitales Ventilsignal konvertiert. Der innere Kreis des Mikroprozessors erfaßt die hydraulischen Hoch- und Niederdrücke auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors 20 und aktualisiert das über das Steuersolenoid aufgebrachte Spannungsniveau mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde. Der Hauptregelkreis des Programms arbeitet bei einer Rate von 100 mal pro Sekunde.

Der Kniestellungssensor 216 wird durch einen linearen Honeywell-Hall-Effekt-Sensor 18 realisiert, der die Veränderung des magnetischen Felds in Bezug auf den Sensor mißt. Der Magnet 14 wird in Bezug zu dem Sensor 18 oder 216 proportional zu dem Kniewinkel der Prothese bewegt. Das Ausgangssignal des Sensors 216 wird durch die Sensorschaltung 204 konditioniert, verschoben und skaliert. Der Mikroprozessor 200 konvertiert dieses 0 bis 5 Volt-Analogniveau in einen 8-Bit-Digitalwert. Das Anwendungsprogramm tastet den Stellungssensor mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde ab. Das Anwendungsprogramm ermittelt bei dieser Rate Informationen über die Knierichtung und die Ablaufgeschwindigkeit.

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Die genaue Geschwindigkeit wird mit der Steuerrate von 100 mal pro Sekunde ermittelt. Für Unterschiede zwischen Patienten hinsichtlich ihrer Größe, ihres Gewichts und ihrer Geheigenschaften stellt der Prothetiker die Rotations-Zusatzschalter 224 mit 16 Positionen für die Beugung und Streckung ein. Weitere Zusatzschaltungen, die für die Programm-Zustandssteuerung verwendet werden, sind die zwei Gewichtskraftsensoren 220 und 221, die durch die Schaltung 206 moduliert, konditioniert, demoduliert und skaliert werden. Diese Gewichtskraftsensoren sind in dem Boden der Prothese angeordnet (Figuren 5 und 12A bis 12D), um die während des Gehzyklus aufgebrachte Kraftverteilung zu messen, um zu ermitteln, wenn die Zustände des abgehobenen Zehs, des flachen Fußes und des Fersenaufsetzens zusammen mit ihren Variationen vorliegen. Diese Informationen werden bei dem adaptiven, geschlossenen Regelkreis-Algorithmus bei der Kniestellung, der Kniegeschwindigkeit, der Knierichtung und gelernten Eigenschaften eines früheren Gehzyklus verwendet, um die augenblickliche Widerstandsregelung über sich veränderndem Gelände zu überwachen.

Da diese Knieprothese an dem Körper getragen wird, wird das Steuersystem von vier wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien 218 oder 19 mit Energie versorgt, die 14,4 Volt liefern. Die Energie wird aufgespalten in zwei an die Schaltung angelegte Spannungen von 7,2 Volt für die Versorgung der Systemlogik und in 14,4 Volt für die Solenoid-Steuerschaltungen der Proportionalregelung. Die Rohspannung wird durch die Schaltung 222 überwacht, um einen niedrigen Batteriezustand zu ermitteln, die die Batteriespannung in ein 0 bis 5 Volt-Niveau skaliert, das von dem Mikroprozessor 200 unter Verwendung seines A/D-Konverters aufgenommen werden soll. Der Mikroprozessor und die zugehörigen Logikschaltungen benötigen 5 Volt, was durch die Energieversorgungsschaltungen 203 aus dem 7,2 Volt Eingangssignal eingestellt wird, die eine herkömmliche integrierte dreipolige Reglerschaltung mit niedrigem Ausfall aufweisen. Die Lithium-Ionen-Batterien werden in einer Zeitspanne von zwei Stunden wieder aufgeladen und dann von einer integrierten LM3420-16.8-Schaltung in einen Pufferladungsmodus geschaltet, die von National Semiconductor hergestellt wird.

Figur 18 zeigt die Schaltungsanordnung 207 für den Solenoid-Steuerventilantrieb 210 oder 32. Das proportionale Solenoid-Steuerventil benötigt nur eine sehr niedrige Energie von maximal 1 Watt. Den Antrieb des Solenoids bildet eine Art konstanter Strom über einen Bereich von 0 bis 83 Milliampere. Die Auflösung in dieser Anwendung des Niveaus von 0 bis 83 Milliampere ist ein Teil in 255 oder 0,325 Milliampere pro Schritt unter Verwendung des 8-Bit-Digitalpotentiometers 243. Diese Schaltung AD8400AR10 ist eine integrierte Schaltung, die von Analog Devices hergestellt wird. Der Mikroprozessor 200 aktualisiert dieses Geräteniveau mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde. Die Referenz zu dem

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digitalen Potentiometer ist die Logikversorgung von 5 Volt. Wenn das Niveau in den 256 Niveaus eingestellt wird, verändert sich das Ausgangssignal des Schleifers von 0 auf 4,9 Volt. Das Spannungssignal wird von dem Operationsverstärker Ul, dem Transistor Ql und drei Widerständen Rl, R2, R3, R4 und R5 in einen konstanten Stromantrieb konvertiert. Der von einem Differentialeingangs-Operationsverstärker mit einer Verstärkung von 0,169 gesehene Ausgang des digitalen Potentiometers wird von den Widerständen Rl, R2, R3 und R4 gesehen. Der NPN-Transistor Ql wird als Stromverstärker in einem Emitter-Folger-Modus verwendet. Die Diode Dl wird in der Schaltung verwendet, um die umgekehrten EMF-Effekte der Solenoid-Steuerventilspule zu beseitigen. Ein elektrolytischer Kondensator C2 wird als Teil eines Tiefpaßfilters mit der Solenoidspule verwendet, um die Hochfrequenz-Bandbreite der Schaltung zu verringern. Cl wird als ein Hochfrequenz-Energieversorgungsbypaß verwendet.

Wenn die Spannung des digitalen Potentiometers erhöht wird, legt die Schaltung eine Spannung über die Solenoidspule an. Der Strom durch die Spule liegt in Serie mit dem Abtastwiderstand R5 von 10 Ohm. Diese Konstantstromschaltung erhöht oder verringert die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, bis die an der Spitze des Abtastwiderstands gesehene Spannung gleich der gesteuerten Spannung ist. Um einen Steuerstrom von 0 bis 83 Milliampere an die Solenoidspule anzulegen, wird somit eine Eingangsspannung von 0 bis 4,9 Volt benötigt. Die Konstantstromschaltung kompensiert Herstellungsschwankungen und Temperatureffekte des Spulenwiderstands automatisch.

Unter Bezugnahme auf Figur 19 ist die Schaltungsanordnung für den linearen Hall-Effekt-Stellungssensor 216 oder 18 bezüglich des Signals durch die Kniestellungs-Schaltungsanordnung 204 konditioniert, versetzt und verstärkt. Ein Magnet 228 oder 14 ist an dem Hebelarm 12 angebracht, der durch eine Nockenoberfiäche an der Halteplatte 8 verschwenkt wird, so daß sich der Hebelarm 12 direkt proportional zu dem Kniewinkel bewegt. Während sich der Magnet 14 zu dem Sensor 18 hin oder von diesem weg bewegt, verändert der Sensor 216 oder 18 vom Typ Honeywell SS94A1B seine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem magnetischen Nordpol- oder Südpol-Feld. Der Sensor 18 gibt ein Signal von 2,5 Volt ab, das von der Amplitude des magnetischen Feldes und der Magnetpolarität abhängt. In diesem Anwendungsfall ist die Polarität des Magneten derart gewählt, daß eine Abnahme des Abstands, bis der Magnet den Sensor berührt, 0 Volt liefert, und daß ein vollständiges Entfernen des Magneten von dem Sensor ein Ausgangssignal von 2,5 Volt liefert. Der minimale Abstand bei einer Kniestreckung von 0° beträgt 2,54 mm (0,10 inches), was eine minimale Spannung von 1 Volt liefert. In Figur 19 puffert und Tiefpaß-filtert der Block 229

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das Hall-Stellungssignal von 1 bis 2,5 Volt bei einer Eckfrequenz von 100 Hz, um jegliche hochfrequente Komponenten zu entfernen. Der Operationsverstärker 230 der zweiten Stufe erhöht das Signalniveau um 3,33 mal, wobei der Versatz von 1 Volt von der Referenz 231 entfernt wird, um ein Ausgangssignal von 0 bis 5 Volt zu liefern. Dieses analoge Ausgangssignal wird dann in ein digitales Ausgangssignal konvertiert zur Verwendung durch das Hauptprogramm durch den Mikroprozessor 200.

Figur 20 zeigt den Kraftsensor 232 oder 68 und seine zugehörige Schaltungsanordnung. Wie in Figur 17 dargestellt ist, wird die Gewichtssensorschaltung 206 für eine geschlossene Regelung des proportionalen Solenoid-Steuerventils 210 oder 32 verwendet. Der Gewichtskraftsensor 220 und 221 (Figur 12A) und die Gewichtssensorschaltung 206 werden für die Programmzustandssteuerung verwendet. Die Schaltungsanordnung ist identisch mit Ausnahme der abschließenden Verstärkung von U4, R3 und R4 in Figur 20. Dieses stellt eine verbesserte Version eines Kapazitätssensors dar. Die Figuren 12A und B zeigen die tatsächlichen Sensoren 220 und 221, die im Rahmen der Kniesteuerungsanwendung verwendet werden. Der vergrößerte Sensor 232 (Figur 12D) ist aus zwei doppelseitigen gedruckten Schaltungskarten und einem elastomeren Zwischenstück aufgebaut. Wenn eine Kraft aufgebracht wird, um die Platten zusammenzudrücken, wird das auf die Seite des Elastomers aufgebrachte Signal proportional an die Platte auf der anderen Seite gekoppelt. Wenn die Kraft erhöht wird, wird das an die zweite Platte übertragene Referenzsignalniveau durch die Steigerung der Kapazität zwischen den Platten verstärkt. Der Kraftbetrag, der von dem Sensor gemessen werden kann, ist eine Funktion der verwendeten Elastomerdichte und der Verstärkung der Demodulationsschaltung. Je steifer das Elastomer ist, desto mehr Kraft kann aufgebracht werden, bevor die Platten vollständig zusammengedrückt werden. Eine zu große Steifigkeit in dem Elastomer verringert den dynamischen Bereich des Sensors. Ein Elastomer mit einer bestimmten Härte wird für jede Anwendung ausgewählt.

In Figur 20 verwendet die Sensoranwendung den Mikroprozessor 200, um ein Rechteckwellen-Referenzsignal von 100 kHz zu erzeugen. Dieses Signal wird durch den Operationsverstärker Ul gepuffert. Die Emitterseite des Sensors mit vergrößerter Kapazität ist auf einer doppelseitigen gedruckten Schaltungskarte ausgebildet. Ein leitender Reflektor 236 befindet sich auf der Außenseite, und eine leitende Referenzfläche 238 befindet sich auf der anderen Seite. Die isolierte gedruckte Schaltungskarte 237 ist aus Epoxidglas hergestellt. Das 100 kHz Referenzsignal wird über das Elastomer 239 an die Empfängerplatte 240 auf einer anderen Karte 237 gekoppelt, die durch eine weitere Abschirmplatte 236 gegen äußere Abstrahlungen geschützt ist. Das empfangene, gekoppelte 100 kHz-Signal ist proportional zu der Korn-

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pression der Platten und wird über den Widerstand Rl angelegt. Das Signal wird dann von dem Operationsverstärker U2 gepuffert. Das empfangene Signal wird von der RMS-Konverterschaltung, die aus Dl, R2, Cl und dem Operationsverstärker U3 besteht, in ein proportionales Gleichstromniveau konvertiert. Das Gleichstromniveau wird von dem Operationsverstärker U4 sowie R3 und R4 in ein Maximalniveau von 5 Volt skaliert. Der Mikroprozessor 200 konvertiert dieses analoge Signal durch seinen auf der Platine angeordneten Analog-Digital-Konverter in ein brauchbares Digitalsignal.

In der Kniesteuerungsanwendung (Figur 17) sind zwei Konfigurationen dieser Sensortechnologie dargestellt. Dieses sind die hydraulischen Öldrucksensoren 206 und die Körpergewichtssensoren 208. Die Figuren HA und B zeigen einen der zwei Öldrucksensoren 206 oder 31 oder 34, die für die geschlossene Regelung (closed-loop control) der proportionalen Einstellung des Solenoid-Steuerventils verwendet werden. Ölöffnungen 30a und 30b innerhalb des Gehäuses 15 stehen in einer Druckverbindung mit den Kammern 25 und 26 auf gegenüberliegenden Seiten des hydraulischen Flügelrotors 20. Interne Druckveränderungen werden durch eine Endkappe 243 (Figuren HA und HB) und eine Membran 242 an jeden Sensor 206 übertragen. Der Membrandruck komprimiert die gedruckte Referenzschaltungskarte 237, die die Referenzplatte 240 und die Reflektorplatte 236 enthält, gegen das Elastomer 239. Das Signal wird an die Empfängerplatte 238 und eine Abschirmplatte 236 auf einer weiteren Schaltungskarte 237 gekoppelt. Die Anordnung ist in dem Sensorverschlußbehälter 241 untergebracht und arbeitet mit ihrer zugeordneten Schaltungsanordnung wie oben beschrieben.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 12A bis 12D ist der Körpergewichtskraftsensor 208 oder 68 der Kniesteuerungsanwendung aus zwei doppelseitigen, gedruckten Leiterplatten 237 der Größe 50,8 mm mal 50,8 mm (2 inch mal 2 inch) aufgebaut, die durch eine Elastomerschicht 239 voneinander getrennt sind. Die Kapazitätsplatten 220 und 221 haben eine Größe von 12,7 mm mal 31,75 mm (0,5 inch mal 1,25 inch), und zwei Referenzplatten und Empfängerplatten 238 und 240 werden dazu verwendet, einen Gewichtsverteilungssensor 68 zu bilden. Dieser Sensor 208 oder 68 ist in dem Grundteil der Kniesteuerung angeordnet. Aus der Kompression in den vorderen, mittleren oder hinteren Kraftverteilungen kann die Systemsoftware die Zustände Zehabheben, flacher Fuß oder Fersenaufsetzen für die Programmzustandssteuerung ermitteln. Diese Anordnung mit ihrer zugehörigen Schaltungsanordnung arbeitet ebenfalls wie oben beschrieben.

In der Kniesteuerungsanwendung (Figur 17) ist die Systemsoftware in einem Assembler-Code für einen Mikroprozessor 200 des Typs Motorola MC68HC912B32 geschrieben. Dieser

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Mikroprozessor 200 umfaßt eine 16-Bit-CPU, eine Unterbrechungssteuerung, einen 8-Kanal-8-Bit-A/D-Konverter, ein RAM mit 1 Kilobyte, 32 Kilobyte eines EPROM-Programm-Kurzzeitspeichers, ein EEPROM mit 756 Byte, eine Echtzeit-Zeitgliedunterbrechung, 6 Zeitglied-Zähler, eine Überwachungsschaltung sowie eine Anordnung von Kommunikationseinrichtungen zur Wechselwirkung mit anderen Systemen, wie beispielsweise einem seriellen RS-232-Peripheriegerät, einem synchronen, seriellen Peripheriegerät, einem synchronen, seriellen BDLC-Peripheriegerät sowie einer Schnittstelle für eine Echtzeit-Hintergrund-Betriebsart.

Die Kniesteuerungssoftware-Anwendung enthält Unterprogramme, die bei Roboteranwendungen und Trainingsgeräten üblich sind. Unter Bezugnahme auf das allgemeine Blockdiagramm der Figur 15 gibt der Mikroprozessor 200 ein Signal an eine Ventilsteuerschaltung 207 ab, um das proportionale Solenoid-Steuerventil 210, wie beispielsweise das Ventil 32, zu betreiben, das wiederum einen Widerstand aufbringt, indem die Fluidbetätigungseinrichtung 211, wie beispielsweise der Rotor 20, begrenzt wird. Zwei Drucksensoren 212 und 213, wie beispielsweise die Sensoren 31 und 34, werden von dem Mikroprozessor 200 aufgenommen, um bei seiner geschlossenen Regelung des Ventils verwendet zu werden, um eine korrekt auf die mit der Betätigungseinrichtung gekoppelte Einrichtung aufgebrachte Kraft aufrecht zu erhalten, unabhängig von Herstellungstoleranzen, Temperaturveränderungen und Fluidviskositäten. Die Drucksensoren messen den Differentialdruck über die Betätigungseinrichtung, unabhängig von der Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung. Die Vorrichtung 215, auf die der Widerstand aufgebracht wird, enthält einen Stellungssensor 216, wie beispielsweise den Sensor 18, der es der Systemsoftware gestattet, den äußeren Regelkreis hinsichtlich der Ermittlung der Stellung, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Bewegungsrichtung der Vorrichtung zu schließen. In den meisten Fällen verwendet die Systemsoftware außerdem eine zusätzliche Analogschaltung 208 sowie Schalteingänge 224 für eine Programmzustandssteuerung.

Unter Bezugnahme auf die Kniesteuerungs-Software, die oben in Verbindung mit Figur 17 erläutert worden ist, gibt die in dem Mikroprozessor 200 ausgeführte Systemsoftware das erforderliche 8-Bit-Steuerventilniveau der Ventilsteuerschaltungsanordnung 207 ab. Das digitale Potentiometer verwendet drei I/O-Stifte des Mikroprozessores. Die Niedrigniveau-Treiberroutine der Software erzeugt die erforderliche synchrone, serielle 10-Bit-Verbindung, die den erforderlichen Eingangsantrieb von 0 bis 4,9 Volt für den Konstantstrom-Ventilsteuerungsverstärker einstellt. Die Fluiddruckkraftsensoren 212 und 213, wie beispielsweise die Sensoren 31 und 34, werden von der Fluiddrucksensorschaltung 208 analog verarbeitet

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und skaliert. Das demodulierte Proportionalsignal von 0 bis 5 Volt wird von dem Mikroprozessor 200 gelesen, wobei die Niedrigniveau-Treiberroutine des A/D-Fluidsensors verwendet wird. Alle Fluiddruck- und Gewichtssensoren verwenden ein Rechteckwellen-Referenzsignal von 100 kHz, das von den auf der Platte des Mikroprozessors befindlichen Zähler-Zeitgliedern erzeugt und in der Energiezufuhr-Rücksetz-Routine der Software initialisiert wird. Dieses Signal wird von der Hardware gepuffert und zu den Sensoren gesendet.

Die äußere Regelkreisrückkopplung wird durch den linearen Hall-Effekt-Stellungssensor 216 erzielt, wie beispielsweise den Sensor 18, der an das bewegliche Kniegelenkgehäuse 15 angebracht ist. Das analoge Ausgangssignal des Hall-Effekt-Sensors 18 ist nicht linear. Ein Teil der Linearisierung wird durch die Nockenoberfläche auf der Halteplatte 8 (Figur 6) bewerkstelligt. Der Großteil der Stellungsinterpretation wird durch eine Software-Nachschlagtabellen-Treiberroutine bewerkstelligt, die die Rohstellung in einen tatsächlichen Kniewinkel in Graden und Zehnteln konvertiert. Die Rohstellungsinformation wird durch die Stellungssensorschaltung 204 skaliert und versetzt, die von dem Mikroprozessor 200 abgelesen wird, wobei die A/D-Stellungstreiber-Softwareroutine verwendet wird.

Zwei Arten von Hilfsprogramm-Entscheidungs-Zustandssteuerfunktionen werden verwendet. Von diesen ist eine analog und die andere digital. Die analogen Programmzustandssensoren 220 und 221 bilden den dualen Körpergewichtssensor 68, der an das Grundteil des Kniesteuerrahmens 5 angebracht ist. Die Sensoren 220 und 221 nehmen das Gewicht der amputierten Person auf, das auf den Zeh oder den flachen Fuß oder die Ferse aufgebracht wird, um die Software-Hauptprogrammsteuerung zu unterstützen. Die zwei Sensoren 220 und 221 verwenden außerdem das Referenzsignal von 100 kHz. Die resultierenden, demodulierten und skalierten analogen Signale werden über A/D-Softwaretreiber von dem Mikroprozessor 200 gelesen. Variationen in der Größe, dem Gewicht, dem Alter und der Stärke der amputierten Person werden durch die Einstellung von zehn Niveaus von Beuge- und zehn Niveaus von Streckprofilen angepaßt. Diese Einstellungen werden von dem Prothetiker während der Kniesteuerungsanpassung vorgenommen. Die übergeordnete, gedruckte Kleinst-Schaltkreiskarte enthält zwei digitale hexadezimale Miniaturrotationsschalter mit sechzehn Positionen. Die ersten zehn Positionen werden für die prothetischen Einstellungen des Beugens und des Streckens verwendet, und die anderen sechs Positionen werden für spezielle Betriebsarten verwendet, die für Sport und Geriatrie zugeschnitten sind. Die zwei 4-Bit-Hilfsschaltereingänge 224 werden direkt von dem Mikroprozessor eingelesen, wobei die Softwaretreiber-Eingangsroutine des Schalters sowie die I/O-Eingangsstifte und die zugehörigen internen Widerstände zum Hochsetzen der Spannung verwendet werden. Die Eingangssignale werden

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normalerweise als digitales oberes TTL-Niveau gesehen, außer wenn sie durch den Schalter geerdet sind.

Da diese Kniesteuerungsanwendung batteriebetrieben ist, sind zusätzliche Niedrigniveau-Softwaretreiber für diese Anwendung erforderlich. Die Batteriepackung 218 wie die Batteriepackung 19 wird durch die Energieversorgungsschaltungen 203 in 5, 7,2 und 14,4 Volt konditioniert und aufgespalten. Das Batterieniveau wird von dem Mikroprozessor 200 durch das aufgenommene Signal 222 der konditiomerten Batterie überwacht. Das analoge, gefilterte Niveau von 0 bis 5 Volt wird von dem Mikroprozessor 200 durch die A/D-Batterietreiberroutine der Niedrigniveau-Software eingelesen. Wenn die Programme feststellen, daß sich die Batterie innerhalb eines Bereichs von 30 Minuten eines minimalen Sicherheitsbetriebsniveaus befindet, werden die zwei Sicherheitssoftwareroutinen aktiviert, um zu bewirken, daß eine Vibratorschaltung 226 ein Warnsignal erzeugt, um dem Benutzer eine Mitteilung über ein bevorstehendes Abschalten zu geben. Die Verbindung mit der Außenwelt zu oder von der Kniesteuerung erfolgt über interne Kommunikationsanschlüsse des Mikroprozessors und eine Hardware-Schnittstellenschaltung 202. Die asynchronen (SCI) und synchronen (SPI) seriellen Datenanschlüsse werden für die Aufnahme und Steuerung spezieller klinischer Daten verwendet. Der Anschluß für die Hintergrund-Betriebsart (BDM) wird während des Herstellungsprozesses sowie während der Software-Entwicklung für die Fabrik als Testschnittstelle verwendet. Die Hauptprogrammierung des 32-Kilobytes-Kurzzeitspeichers wird über den BDM-Anschluß programmiert.

Figur 22 zeigt die Kniesteuerungs-Hauptprogrammsoftware. Wenn der Mikroprozessor 200 mit Energie versorgt wird, wird der Mikroprozessor an das Rücksetz-(RESET)-Unterprogramm übergeben. Diese Routine initialisiert die programmierbaren Datenanschlüsse und Peripherieeinrichtungen auf das gewünschte analoge und digitale Niveau, wie beispielsweise die zwei Gewichtssensoren und die zwei Fluiddrucksensoren, die ihr 100 kHz-Referenzsignal für einen korrekten Betrieb benötigen. Das proportionale Steuerventil-Antriebsniveau wird auf Null gesetzt, bis es erforderlich ist, daß es sich durch das Anwendungsprogramm ändert. Wenn das System initialisiert ist, wird ein in das System eingebautes Testprogramm ausgeführt, um festzustellen, ob die Kniesteuerungselektronik entsprechend den Herstellerspezifikationen arbeitet. Falls das nicht der Fall ist, wird der Systemvibrator für eine halbe Sekunde eingeschaltet und für eine Sekunde ausgeschaltet aktiviert, um den Benutzer zu warnen, daß das System einem Fehler begegnet ist und daß seine Benutzung nicht sicher ist. Bis der Fehler korrigiert wird, wird die Ausführung einer normalen Systemanwendung deaktiviert. Während eines normalen Betriebs wird die Ermittlung der Systemsteuerung und -betriebsart

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durch die zwei Unterbrechungsroutinen bewerkstelligt, die mit einer Rate von 100 und 1.000 mal pro Sekunde auftreten.

Das Hauptprogramm führt während der Systemleerlaufzeit eine Überprüfung hinsichtlich der Zustände einer schwachen Batterie und hinsichtlich äußerer Kommunikationsverbindungen durch, während der die durch die Unterbrechung angetriebene, adaptive, geschlossen geregelte, zeitabhängige Anwendung nicht ausgeführt wird. Das Hauptprogramm überprüft zwei Niedrigniveau-Batteriezustände, von denen einer vorliegt, wenn sich das Niveau bei weniger als 30 Minuten eines sicheren Betriebes befindet, und von denen der andere gegeben ist, wenn sich die Batterie in einem Zustand befindet, in dem weniger als 10 Minuten sicherer Betriebszeit verbleiben. Der Nutzer wird über den unmittelbaren Verlust der Systemverwendung, bedingt durch eine schwache Batterie, informiert entweder für den 30-Minuten-Fall durch eine Vibration, die eine Sekunde eingeschaltet und zehn Sekunden ausgeschaltet ist, oder die für den 10-Minuten-Fall eine Sekunde eingeschaltet und eine Sekunde ausgeschaltet ist. Bei normaler Verwendung hält die Lithium-Ionen-Batteriepackung 22 bis 30 Stunden, bevor sie wieder aufgeladen werden muß. Normalerweise wird die Kniesteuerungsprothese jede Nacht von dem Nutzer wieder aufgeladen. Falls erforderlich, kann der Nutzer die Batteriepackung während des Betriebs in zwei Stunden auf 90 % ihres Niveaus aufladen.

Figur 23 zeigt die 1-Millisekunden-Software-Unterbrechungsroutine der Kniesteuerungseinheit. Diese Routine nimmt die Sensorrohdaten auf und aktualisiert die Ventilsteuerung mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde. Die Sensorrohdaten werden von den individuellen A/D-Kanälen eingelesen. Diese 8-Bit-Ventilsignale werden durch die Niedrigniveau-Softwaretreiberroutinen unter Verwendung von Nachschlagekonvertierungstabellen und numerischen Berechnungen in tatsächliche skalierte Fluiddrücke in psi, in vordere und hintere Gewichtsverteilungen des Amputierten in Pfund (pounds) und in einen Kniewinkel in Grad konvertiert. Das Ventil wird außerdem in der Art und Weise eines geschlossenen Regelkreises bei dieser Rate von 1.000 mal pro Sekunde geregelt, indem ein neues Regelniveau berechnet wird, das in die elektronische Schaltung des Solenoid-Steuerventils geschrieben werden soll. Eine Berechnung wird aus der Fehlerdifferenz zwischen der erforderlichen Kraft und dem aufgenommenen hydraulischen Fluiddruck durchgeführt. Diese Differenz wird in einer nicht linearen Verstärkungsgleichung und einer Nachschlagtabelle verwendet, um die nächstbeste Abschätzung an der Ventilniveausteuerung zu ermitteln, um den gewünschten augenblicklichen Widerstand mit dem geringsten Fehler oder der geringsten Verzögerung zu erzielen. Die erhaltenen Steuer-Byte-Werte werden durch die Niedrigniveau-Treibersoftwareroutine in das digitale Potentiometer geschrieben, wobei die Bytes in die erforderlichen seriellen 10-Bit-

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Daten konvertiert werden und wobei der Taktimpuls und die Aktivierungsbits in einer Bitum-Bit-Weise gesteuert werden.

Unter Bezugnahme auf die Figuren 24A und 24B hat die Kniesteuerungseinheit eine 10 Millisekunden-Unterbrechungsroutine, die den Hauptregelkreis darstellt, in dem der Großteil der Berechnungen und die Programmsteuerung ausgeführt werden. Diese Routine arbeitet mit einer Rate von 100 mal pro Sekunde. Die Softwareanwendung benötigt die Kniestellung, die Kniegeschwindigkeit, die Knierichtung, Schaltereinstellungen des Patienten für das Strecken und Beugen sowie die vordere und hintere Körpergewichtsverteilung. Die Aufnahme der Stellung ist der wichtigste Parameter. Um eine glatte und genaue Stellungsinformation zu erhalten, werden die zehn l-Millisekunden-Unterbrechungs-Stellungsabtastwerte in einer Gruppe gespeichert. Diese geordneten Abtastwerte werden zeitlich gewichtet und in einem Ausschnitt gemittelt, um die verwendete Kniestellung des Systems zu erhalten. Die vorhergehende alte Stellung wird von der neuen Stellung subtrahiert und durch 10 Millisekunden dividiert, um eine Kurzzeit-Kniegeschwindigkeit zu berechnen.

Die neue Stellung wird außerdem von einer alten Stellung subtrahiert, die 50 Millisekunden zurückliegt, und sie wird durch 50 Millisekunden dividiert, um eine Langzeit-Kniegeschwindigkeit zu berechnen. Die Kurzzeit-Kniegeschwindigkeit wird für die Ermittlung der Knierichtung verwendet. Die Langzeit-Kniegeschwindigkeit wird für die Ermittlung des aufzubringenden Kniewiderstandes verwendet. Die Berechnungen des aufgebrachten Kniewiderstandes basieren auf der mathematischen Übertragungsfunktion einer nicht-elektronischen hydraulischen Kniesteuerung, die durch eine umfangreiche technische Charakterisierung erhalten wird. Ein Satz von Tabellen und Gleichungen wird verwendet, um den erforderlichen aufgebrachten Widerstand, ausgedrückt in PSI, für jede augenblickliche Kniestellung, Kniegeschwindigkeit, Knierichtung und Schaltereinstellung des Patienten für Beugen oder Strecken zu berechnen. Wenn die normalen Schwingphasen-Berechnungen ausgeführt worden sind, wird der normale Schwingphasen-Widerstand in dem RAM für eine spätere Verwendung gespeichert.

Der Programmablauf ermittelt dann, ob zusätzliche Betriebsarten ausgeführt werden müssen. Der erste Entscheidungsweg betrifft eine Grenzverzögerung (Terminal Deceleration = T.D.). Wenn das prothetische Knie sich einer vollständigen Streckung annähert, bringt die Systemsoftware einen zusätzlichen großen Widerstand bei weniger als 10° auf, um eine Überstreckung des Knies zu vermeiden. Gleichermaßen wird eine andere Routine verwendet, um das prothetische Knie während des Beugens zu verlangsamen. Dieses wird Beugeverzögerung

• ·

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(Flexion Decelaration = F.D.) genannt. Diese Routine wird dazu verwendet, das Knie von einem zu starken Beugen abzuhalten. Die F.D.-Routine steigert den Widerstand proportional bis über eine Beugung von 65° hinaus und beendet die Kniesteuerung bei 70° vollständig. Andere zusätzliche Betriebsarten umfaßen die Ermittlung des Herabgehens von Treppen und die Ermittlung eines Stolperns. Die Betriebsart des Treppenherabsteigens wird durch den Kniewinkel und die Gewichtsverteilung ermittelt, wie sie von den zwei Gewichtskraftsensoren 220 und 221 erfahren wird. Die elektronische Steuerung dehnt den abklingenden Stellungsmodus des mechanischen Teils der Steuerung aus. Wenn das Abfangen eines Stolperns erforderlich ist, bringt sie einen großen Widerstand auf die Kniesteuerung für eine bestimmte Zeitdauer auf und verzögert ihn dann auf Null. Diese Betriebsart versucht, den Patienten gegen ein Fallen zu schützen, und sie wird durch die Kniegeschwindigkeit, den Kniewinkel und die Gewichtskraftverteilung erfaßt.

Wenn der Widerstands-Softwareablauf vollständig ist, wird das gewünschte, aufzubringende Kraftniveau in einer RAM-Variablen gespeichert. Die Anwendungssoftware berechnet das beste Ventilsteuerniveau auf der Grundlage der Kniegeschwindigkeit, der Knierichtung, der hydraulischen Eigenschaften sowie der Ventileigenschaften. Dieses Niveau wird in eine RAM-Variablenposition zur Verwendung durch die zuvor erwähnte 1-Millisekunden-Unterbrechungsroutine geschrieben.

Eine Zusammenfassung des Gehzyklus der Kniesteuerungsanwendung ist in Fig. 21 dargestellt. Der Kniewinkel des Gehzyklus ist durch die Kurve 248 dargestellt. Die Schwingphase ist aktiv, wenn die Kniesteuerung vom Boden entfernt ist, wobei sich das Knie beim Beugen oder Strecken biegt. Die Schwingphase beginnt bei der Position 252, an der der Zeh abgehoben wird, und sie wird zu dem Zeitpunkt abgeschlossen, zu dem die Ferse gerade dabei ist, an der Position 253 aufzusetzen. Die elektronische Steuerung ist zu jedem Zeitpunkt aktiv, in dem das Knie sich in einem Winkel von mehr als Null befindet, außer daß sie ermittelt, daß sich das Knie für mehr als fünf Sekunden nicht bewegt hat. Die Stellungsphase besteht aus einer Fersenaufsetzposition 249, einer Belastungsposition 250, in der das gesamte Gewicht getragen wird, und einer Position 251, in der der Zeh fast abgehoben ist, aber den Boden noch berührt.

Während das Verfahren und die Form einer Vorrichtung, wie sie hier beschrieben sind, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen, versteht es sich, daß die Erfindung nicht lediglich auf das beschriebene Verfahren und die Form der Vorrichtung beschränkt ist,

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und daß darin Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

SCHROETER FLEUCHAUS LEHMANN & GALLO: · : : ··· PATENTANWÄLTE · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS WOLFRATSHAUSER STR. 145 · D-81479 MÜNCHEN Neue deutsche Gebrauchsmusteranmeldung Mauch, Inc. 14. September 1998 Unser Zeichen: jx-ma-10 AL/pe/ho SCHUTZANSPRUCHE

1. Vorrichtung zum Erzeugen eines geregelten, veränderlichen Widerstands für eine Vorrichtung, die ein erstes Element aufweist, das relativ zu einem zweiten Element bewegbar ist, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel, die eine hydraulische Betätigungseinrichtung zum Verbinden des ersten Elements mit dem zweiten Element umfassen, wobei die Betätigungseinrichtung ein Gehäuse aufweist, das ein bewegliches Element zum Aufbringen eines Widerstands einschließt, das innerhalb des Gehäuses eine erste Kammern von einer zweiten Kammer trennt, ein hydraulisches Fluid innerhalb der Kammern, Mittel, die mit den Kammern verbundene Durchgänge für das hydraulische Fluid definieren, ein Solenoid-gesteuertes Ventil, das dafür vorgesehen ist, die Strömung des hydraulischen Fluids durch die Durchgänge zu regeln, Mittel zum unabhängigen Aufnehmen des hydraulischen Fluiddrucks innerhalb jeder der ersten und zweiten Kammern, sowie ein Computersteuerungssystem, das auf die Druckaufnahmemittel reagiert, um das Ventil zu betätigen, um die Strömung des Fluids durch das Ventil und in die ersten und zweiten Kammern hinein bzw. aus diesen hinaus exakt zu regeln und um Veränderungen in der Vorrichtung und der Fluidviskosität zu kompensieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sie einen Stellungssensor zum Aufnehmen der Stellung des ersten Elements relativ zu dem zweiten Element aufweist, der mit dem Steuerungssystem verbunden ist, um ein vorgegebenes Widerstandsprofil auf die Vorrichtung aufzubringen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sie Mittel zum Vorspannen der Strömung des hydraulischen Fluids durch das Ventil von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer aufweist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sie Mittel zum Verbinden des ersten Elements mit dem Teil eines Beins einer amputierten Person sowie Mittel zum Verbinden des zweiten Elements mit einem künstlichen Fuß für die amputierte Person aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Steuerungssystem Sensoren aufweist, um die auf den Zeh und die Ferse des künstlichen Fußes ausgeübten Kräfte getrennt aufzunehmen, während die amputierte Person geht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das den Widerstand aufbringende Element eine rotierende Welle aufweist, die einen Flügelrotor innerhalb des Gehäuses trägt, und wobei sich ein flexibles abdichtendes Element um den Rotor herum erstreckt und an dem Gehäuse angreift.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Solenoidventil ein Ventilelement aus Metall aufweist, das für eine axiale Bewegung innerhalb eines Kernelements aus Metall getragen wird, das eine ringförmige Schulter hat, wobei eine Drahtspule das Kernelement umgibt und eine ringförmige Stufe hat, die die Schulter aufnimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Aufnehmen des hydraulischen Fluiddrucks einen kapazitiven Sensor aufweisen, der mit dem Steuerungssystem verbunden ist und einen Satz von Leiterplatten aus Metall aufweist, die durch eine leicht elastische Schicht aus nicht metallischem Material getrennt sind, wobei ein Satz isolierter Reflektorplatten an den Leiterplatten angebracht ist.

9. Vorrichtung zum Erzeugen eines geregelten, veränderlichen Widerstands für eine Prothese, die ein erstes Element aufweist, das verschwenkbar mit einem zweiten Element verbunden ist, wobei die Vorrichtung aufweist: Mittel, die eine drehbare hydraulische Betätigungseinrichtung zum Verbinden des ersten Elements mit dem zweiten Element umfassen, wobei die Betätigungseinrichtung ein Gehäuse aufweist, das einen Flügelrotor zum Aufbringen eines Widerstands einschließt, der innerhalb des Gehäuses eine erste Kammer von einer zweiten Kammer trennt, ein hydraulisches Fluid innerhalb der Kammern, Mittel, die mit den Kammern verbundene Durchgänge für das hydraulische Fluid definieren, ein Solenoid-gesteuertes Ventil, das dafür vorgesehen ist, die Strömung des hydraulischen Fluids durch die Durchgänge zu regeln, Mittel zum unabhängigen Aufnehmen des hydraulischen Fluiddrucks innerhalb jeder der ersten und

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zweiten Kammern auf entgegengesetzten Seiten des Rotors, sowie ein Computersteuerungssystem, das auf die Druckaufnahmemittel reagiert, um das Ventil zu betätigen, um die Strömung des Fluids durch das Ventil und in die ersten und zweiten Kammern hinein bzw. aus diesen hinaus exakt zu regeln und um Veränderungen in der Vorrichtung und der Fluidviskosität zu kompensieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei sie einen Stellungssensor zum Aufnehmen der Winkelstellung des ersten Elements relativ zu dem zweiten Element aufweist, der mit dem Steuerungssystem verbunden ist, um ein vorgegebenes Widerstandsprofil auf die Vorrichtung aufzubringen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei sie Mittel zum Vorspannen der Strömung des hydraulischen Fluids durch das Ventil von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei sie Mittel zum Verbinden des ersten Elements mit dem Teil eines Beins einer amputierten Person sowie Mittel zum Verbinden des zweiten Elements mit einem künstlichen Fuß für die amputierte Person aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Steuerungssystem Sensoren aufweist, um die auf den Zeh und die Ferse des künstlichen Fußes ausgeübten Kräfte getrennt aufzunehmen, während die amputierte Person geht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Sensoren einen kapazitiven Sensor aufweisen, der mit dem Steuerungssystem verbunden ist und einen Satz von Leiterplatten aus Metall aufweist, die durch eine leicht elastische Schicht aus nicht metallischem Material getrennt sind, wobei ein Satz elektrisch isolierter Reflektorplatten an den Leiterplatten angebracht ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Rotor mindestens eine endlose Nut definiert, die sich um den Rotor herum erstreckt, und wobei sich ein endloses, flexibles Abdichtungselement in der Nut erstreckt und an dem Gehäuse angreift.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Aufnehmen des hydraulischen Fluiddrucks einen kapazitiven Sensor aufweisen, der mit dem Steuerungssystem verbun-

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den ist und einen Satz von Leiterplatten aus Metall aufweist, die durch eine leicht elastische Schicht aus nicht metallischem Material getrennt sind, wobei ein Satz elektrisch isolierter Reflektorplatten an den Leiterplatten angebracht ist, und wobei eine flexible Membran zwischen dem kapazitiven Sensor und dem Öl in der ersten Kammer angeordnet ist.

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