WO2025032086A1

WO2025032086A1 - Orthopädietechnische gelenkeinrichtung und verfahren zu dessen steuerung

Info

Publication number: WO2025032086A1
Application number: PCT/EP2024/072235
Authority: WO
Inventors: Dirk Seifert; Wolfgang SAUBERER; Roland Auberger
Original assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Priority date: 2023-08-07
Filing date: 2024-08-06
Publication date: 2025-02-13
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: DE102023120962A1

Abstract

Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20) die um eine Schwenkachse (15) verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind und zumindest einer Widerstandseinrichtung (30), die zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet ist, die Widerstandseinrichtung (30) ist zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils (10) relativ zu dem Unterteil (20) eingerichtet, wobei ein motorischer Antrieb (60) und zumindest ein Kraftspeicher (90) zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet sind, die ausgebildet und eingerichtet sind, eine Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils (10) relativ zu dem Unterteil (20) zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern.

Description

Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung und Verfahren zu dessen Steuerung

Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind und zumindest einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist, die Widerstandseinrichtung ist zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil eingerichtet. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung einer solchen orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung.

Orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen sind insbesondere Orthesen, Exoskelette oder Prothesen, die ein Oberteil und ein gelenkig daran gelagertes Unterteil aufweisen. Bei Orthesen und Exoskeletten werden das Oberteil und das Unterteil an einer noch vorhandenen Gliedmaße festgelegt, beispielsweise durch Schalen, Gurte, Riemen, Manschetten oder andere Befestigungseinrichtungen. Über Orthesen und Exoskelette können Bewegungen geführt, Verschwenkungen um eine Schwenkachse begrenzt, Verschwenkbewegungen verhindert oder eine Ausrichtung von Gliedmaßen zueinander unterstützt oder festgelegt werden. Darüber hinaus können Orthesen mit Widerstandseinrichtungen versehen sein, um eine Verschwenkbewegung um die Schwenkachse zu beeinflussen. Die Widerstandseinrichtungen können mit einer Steuerung versehen sein, sodass in Abhängigkeit von Sensordaten ein veränderter Widerstand in Flexionsrichtung und/oder Extensionsrichtung bereitgestellt werden kann. Ebenfalls ist es bekannt, Kraftspeicher dem Oberteil bzw. dem Unterteil zuzuordnen, sodass eine Bewegungsunterstützung über eine Freigabe der gespeicherten Energie aus dem Kraftspeicher erfolgen kann.

Prothesen ersetzen eine nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gliedmaße und dienen zur Bereitstellung einer Funktionalität, die der Funktionalität der natürlichen Gliedmaße möglichst angenähert ist. Darüber hinaus dienen Prothesen dazu, ein möglichst natürliches Erscheinungsbild für den Prothesennutzer i bereitzustellen. Ein Prothesenoberteil ist beispielsweise als ein Prothesenschaft oder als eine an einem Prothesenschaft befestigte Komponente ausgebildet, bei der der Prothesenschaft zur Festlegung an einer Gliedmaße oder einem Gliedmaßenstumpf dient. Das Prothesengelenk, beispielsweise ein Prothesenkniegelenk, ein Prothesenknöchelgelenk oder ein Prothesenellenbogengelenk, verbindet das Oberteil mit einem Unterteil, das wiederum weitere prothetische Komponenten aufweisen kann, beispielsweise ein Unterschenkelrohr, einen Prothesenfuß oder eine Prothesenhand.

Insbesondere bei Orthesen, Exoskeletten und Prothesen der unteren Extremität, aber auch der oberen Extremität, sind zwischen dem Oberteil und dem Unterteil Dämpfer, insbesondere hydraulische Dämpfer oder andere Widerstandseinrichtungen angeordnet, die auf Grundlage von Sensordaten unterschiedliche Widerstände in einzelnen Zuständen oder Bewegungssituationen bereitstellen. Solche Widerstandseinrichtungen sind häufig als Linearaktuatoren ausgebildet, die einen definierten Widerstand gegen eine Flexionsbewegung und/oder Extensionsbewegung bereitstellen. Der Widerstand wird durch eine Veränderung der Stellung von Ventilen verändert. Bei der Verringerung des Strömungsquerschnittes erhöht sich der entsprechende Widerstand gegen eine Bewegung. Passiv gedämpfte, insbesondere passiv hydraulisch gedämpfte Prothesen oder Orthesen arbeiten rein dissipativ. Dabei wird der Bewegung des Oberteils relativ zu dem Unterteil Energie entnommen, wobei sehr hohe Momente bzw. Kräfte erzeugt werden können. Gleichzeitig weist eine passive Dämpfung in einem geöffneten Zustand, wenn beispielsweise keine Ventile geschlossen oder Drosseln aktiviert sind, nur einen sehr geringen Widerstand auf. Der Arbeitsbereich einer solchen Orthese oder Prothese ist dahingehend eingeschränkt, dass keine Energie in die Bewegung geleitet werden kann, um diese zu unterstützen oder der Bewegung aktiv entgegen zu wirken oder aber aus einem statischen Zustand einer Veränderung vorzunehmen.

Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Orthesen, Exoskelette und Prothesen mit motorischen Antrieben bekannt, sogenannte aktive Orthesen oder Prothesen, bei denen eine Bewegung durch Aktivierung, Deaktivierung oder Modulierung des Antriebes eingeleitet, unterstützt oder abgebremst wird. Dazu wird gespeicherte elektrische Energie aus einer Batterie oder einem Akkumulator in dem Aktuator umgewandelt. Die motorischen Antriebe dienen ebenfalls dazu, im Rahmen einer Generatorschaltung das Bewegungsverhalten zwischen den Komponenten der Orthese oder Prothese zu beeinflussen, beispielsweise um eine Verschwenkbewegung abzubremsen und dabei den Energiespeicher aufzuladen oder zu unterstützen. Eine Abbremsung kann auch im Kurzschlussbetrieb erreicht werden. Bei dieser Betriebsart wird die aus der Bewegung entnommene Energie innerhalb des Antriebes in Wärme umgewandelt. Die maximal erreichbaren Momente bzw. Kräfte, die durch einen motorischen Antrieb erreicht werden können, sind limitiert.

Die EP 2 535 024 A1 beschreibt ein Prothesenbein mit einem Knieelement, das ein Oberteil mit einem länglichen Unterschenkelteil verbindet, um eine relative Bewegung zu ermöglichen. Ein serielles elastisches Betätigungsglied ist zwischen dem Knieelement und dem Unterschenkelteil angeordnet und so konfiguriert, dass an dem Knieelement ein Drehmoment ausgeübt wird, um eine relative Bewegung zwischen dem Knieelement und dem Unterschenkelelement zu bewirken. Das serielle elastische Betätigungsglied weist einen Motor auf, der mit einer elastischen Vorrichtung gekoppelt ist.

Die DE 102018 126 324 A1 beschreibt ein orthopädietechnisches Gelenk mit einem ersten Bauteil, einem zweiten Bauteil, das um eine Schwenkachse schwenkbar an dem ersten Bauteil angeordnet ist und einem Aktuator zum Verschwenken des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil in zumindest eine Richtung. Der Aktuator ist lösbar an einer medialen oder lateralen Seite an dem ersten Bauteil oder dem zweiten Bauteil angeordnet. Das Gelenk kann wenigstens einen Dämpfer aufweisen, der eingerichtet und angeordnet ist, ein Verschwenken des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil zu dämpfen. Der Aktuator kann ein elastisches Element und/oder einen seriell elastischen Aktuator und/oder einen parallelen elastischen Aktuator aufweisen.

In dem Artikel “A Comparison of Parallel- and Series Elastic Elements in an Actuator for Mimicking Human Ankle Joint in Walking and Running” von Martin Grimmer, Mahdy Eslamy, Stefan Gliech und Andre Seyfarth, veröffentlicht auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2012, wird die Verringerung der Spitzenleistung und des Energieverbrauches von Aktuatoren durch den Einsatz von elastischen Elementen in Prothesen diskutiert. Mit den gegenwärtigen kommerziell erhältlichen Motortechnologien sei es nicht möglich, das Verhalten eines menschlichen Knöchels für höhere Geschwindigkeiten und beim Laufen mit einer einzelnen Motorlösung unter Verwendung eines seriell-elastischen Aktuators nachzuahmen. Mit einem parallelen elastischen Aktuator kann die benötigte Spitzenleistung des Antriebes weiter verringert werden. Die Kombination beider elastischen Aktuatoren führt zu einer weiteren Verringerung.

In dem Artikel „Effects of Unidirectional Parallel Springs on Required Peak Power and Energy in Powered Prosthetic Ankles: Comparison between Different Active Actuation Concepts“ von Mahdy Eslamy, Martin Grimmer und Andre Seyfarth, S. 2406 bis 2412, Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, 11. - 14. Dezember 2012, Guangzhou, China, wird das gleiche Problem erörtert und ein Konzept eines Motors mit zwei Kraftspeichern, einem seriellen und einem parallelen Kraftspeicher, vorgestellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung und ein Verfahren zu deren Steuerung bereitzustellen, mit denen die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung zuverlässig und mit einem geringen Gewicht über einen möglichst großen Arbeitsbereich betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches und ein Verfahren zur Steuerung einer solchen orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.

Die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind, und mit zumindest einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist, wobei die Widerstandseinrichtung zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil eingerichtet ist, weist zudem auf, dass ein motorischer Antrieb und zumindest ein Kraftspeicher zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet sind, die ausgebildet und eingerichtet sind, eine Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern. Während die Widerstandseinrichtung, insbesondere ein hydraulischer Dämpfer, eine Pneumatik, eine Reibungsbremse, eine magnetorheologische Widerstandseinrichtung und/oder ein Sperrmechanismus, zwischen dem Oberteil und dem Unterteil bei einem vergleichsweise kleinen Gewicht ein hohes Maß an Bewegungsenergie dissipieren kann bzw. einfach eine Relativbewegung zwischen dem Oberteil und Unterteil sperrt, indem z.B. die strömungstechnische Verbindung zwischen den Kammern gesperrt wird, ist es mit dem motorischen Antrieb oder dem Kraftspeicher möglich, ein antreibendes oder bremsendes Moment um die Schwenkachse aktiv aufzubringen. Der motorische Antrieb ist beispielsweise als ein Elektromotor ausgebildet und gegebenenfalls über ein Getriebe mit dem Oberteil und dem Unterteil gekoppelt. Das Getriebe kann beispielsweise als ein Spindelgetriebe, Zahnradgetriebe, Hebelgetriebe, Seilgetriebe, Reibradgetriebe oder in einer anderen Getriebeform ausgebildet sein. Soll eine bereits bestehende Bewegung unterstützt werden, wird der Widerstand durch die Widerstandseinrichtung nach Möglichkeit auf den für die Widerstandseinrichtung spezifischen minimalen Wert, z.B. 0, reduziert, sodass der Antrieb nur das Moment zur Überwindung des Restwiderstandes oder der inneren Reibung und zum Beschleunigen des Unterteils relativ zu dem Oberteil aufbringen muss. Für den Fall, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung an einer Orthese ausgebildet ist, wird die jeweilige Gliedmaße mit dem Oberteil bzw. Unterteil mitbewegt. Zusätzlich ist ein Kraftspeicher vorhanden, in dem sonst dissipierte Bewegungsenergie als potentielle Energie gespeichert werden kann, insbesondere um Belastungsspitzen bedienen zu können. Motorische Antriebe können nur eine begrenzte Drehzahl oder Lineargeschwindigkeit erreichen. Je nach Auslegung liegt diese Grenze unter der maximalen Bewegungsgeschwindigkeit des Kraftspeichers. Während motorische Antriebe vergleichsweise langsam arbeiten, kann ein Kraftspeicher dergestalt freigegeben werden, dass die gewünschte Energiemenge zum gewünschten Zeitpunkt der Gelenkeinrichtung kurzfristig zugeführt wird, um ein antreibendes oder bremsendes Moment um die Schwenkachse bereitzustellen.

Durch die Kombination zumindest einer Widerstandseinrichtung mit zumindest einem Antrieb und zumindest einem Kraftspeicher kann der Bauraum für den aktiven Antrieb klein bemessen werden, da der Kraftspeicher und die Widerstandseinrichtung die strukturellen Schwächen eines elektrischen Antriebes ausgleichen. Der Betriebsbereich der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung wird insgesamt erweitert und der Antrieb benötigt weniger Energie, sodass die Versorgungskomponenten des Antriebes, insbesondere die Energiespeicher, kleiner und leichter ausgeführt werden können. Auch die mechanischen Belastungen auf die Antriebskomponenten werden durch die Aufnahme von Kräften und Momenten über die Widerstandseinrichtung und gegebenenfalls den Kraftspeicher verringert, wodurch die Haltbarkeit des Systems insgesamt verbessert wird.

In einer Weiterbildung sind die zumindest eine Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher einstellbar ausgebildet, insbesondere in Abhängigkeit von aktuellen Belastungsgrößen, Zuständen oder zu erwartenden Bewegungsabläufen, die insbesondere über Sensoren ermittelt werden. Die von den Sensoren ermittelten Sensorwerte werden einer Steuerung zugeführt und darin ausgewertet. Auf der Grundlage der Auswertung werden die Einstellungen innerhalb der Widerstandseinrichtung und/oder des Kraftspeichers verändert, z.B. die der Ventile oder Drosseln des hydraulischen Dampfers, der Anpressdruck der Bremseinrichtung, das Magnetfeld der magnetorheologischen Einrichtung und dergleichen. Die Veränderung des Bewegungswiderstandes eines hydraulischen oder pneumatischen Dämpfers kann über Schaltventile oder Proportionalventile erfolgen. Ebenso kann auf der Grundlage der Sensorwerte und deren Auswertung das Einspeichern von Energie oder das Abgeben von Energie aus dem Kraftspeicher veranlasst werden. Der Kraftspeicher ist insbesondere sperrbar, z.B. um eine Aufladung des Kraftspeichers sukzessiv betreiben und die gespeicherte Energie zu dem gewünschten Zeitpunkt abrufen zu können.

In einer Ausgestaltung weist die Widerstandseinrichtung ein Gehäuse mit einem Zylinder auf, in dem ein Kolben verlagerbar gelagert ist und den Zylinder in zwei Kammern unterteilt, zwischen denen zumindest eine strömungstechnische Verbindung ausgebildet ist, in der zumindest ein verstellbares Ventil angeordnet ist, das als Schaltventil mit zumindest zwei Schaltstellungen ausgebildet ist, wobei zumindest eine Schaltstellung eine teilweise geöffnete Schaltstellung ist. Eine teilweise geöffnete Schaltstellung ist insbesondere eine Schaltstellung, die von einer vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Schaltstellung abweicht, wobei eine vollständig geöffnete oder geschlossene Schaltstellung die zweite Schaltstellung sein kann. Die zwei Schaltstellungen können auch die vollständig geöffnete und die vollständig geschlossene Schaltstellung sein. Bei rein passiven orthopädietechnischen Gelenkeinrichtungen erfolgt eine Beeinflussung der Relativbewegung von Oberteil und Unterteil über die Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie. Um die Beeinflussung an das jeweilige Bewegungsverhalten oder Bewegungsmuster anpassen zu können, ist eine Ausgestaltung des Ventils als Proportionalventil und eine vergleichsweise aufwändige Steuerung mit einem Stellmotor für jedes Ventil notwendig. Aktive orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen mit einem Motor zur alleinigen Beeinflussung der Relativbewegung benötigen einen großen Motor oder große Getriebe, um die auftretenden Kräfte vollständig und allein aufnehmen zu können. Mit der beanspruchten orthopädietechnischen Einrichtung ist es möglich, den komplexen Aufbau rein passiver Widerstandseinrichtungen oder rein aktiver Aktuatoren für orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen wesentlich einfacher zu gestalten, ohne dabei die Möglichkeit einzubüßen, fein und angepasst auf die jeweiligen Bewegungssituationen oder Zustände reagieren zu können. Die Schaltventile schalten zwischen mehreren diskreten Zuständen um, zumindest zwischen zwei Schaltstellungen, beispielsweise komplett geöffnet oder komplett gesperrt und in eine teilweise geöffnete bzw. teilweise geschlossene Schaltstellung. Dies geschieht beispielsweise durch Verschieben oder einfaches Umschalten zwischen den jeweiligen Stellungen, beispielsweise durch Aktivieren einer Spule, ohne dass Motoren aktiviert werden müssten. Somit ist es möglich, in einer komplett geschlossenen Stellung die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung gegen eine Flexion und Extension zu sperren und in einer teilweise geöffneten Schaltstellung einen Bewegungswiderstand einzustellen, der häufig benötigt wird. Damit um diesen Verschwenkungswiderstand herum eine Modifikation des entsprechenden Widerstandes erfolgen kann, ist ein motorischer Antrieb der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zugeordnet oder daran angeschlossen, um die Verschwenkbewegung zu beeinflussen. Der motorische Antrieb kann zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Zuständen oder Stellungen zugeschaltet werden, entweder als Antrieb, um zusätzliche Energie in die Bewegung einzubringen, oder als Bremse, um Bewegungsenergie in Wärmeenergie oder elektrische Energie bei einem Generatorbetrieb umzuwandeln. Wird der motorische Antrieb als Antrieb zugeschaltet, kann die vorhandene Bewegung unterstützt oder der Bewegung entgegengesetzt eingesetzt werden, ebenso ist es möglich, eine der Komponenten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung aus einem statischen Zustand heraus zu bewegen. In jedem Fall wird in dem Gelenk ein zusätzliches Moment erzeugt, entweder ein antreibendes oder ein bremsendes bzw. dämpfendes Moment. Mit dem motorischen Antrieb kann die Feineinstellung des Widerstandsverhaltens oder Dämpfungsverhaltens der Widerstandseinrichtung, insbesondere in einer Ausgestaltung als Hydraulikdämpfer, die als Lineardämpfer oder Rotationsdämpfer ausgebildet sein kann, erfolgen.

In einer Ausgestaltung ist das Ventil als Mehrwege-Ventil mit einer geschlossenen Schaltstellung, einer geöffneten Schaltstellung und zumindest einer teilweise geöffneten Schaltstellung ausgebildet. In einer Ausgestaltung des Mehrwege-Ventils als 3-Wege-Ventil kann in der geöffneten Schaltstellung der Hydraulikdämpfer im Wesentlichen ohne Dämpfung bei einer Verschwenkung mitbewegt werden, sodass ein zu vernachlässigendes Widerstandsmoment in dem Gelenk erzeugt wird. In dieser Schaltstellung wird die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung als ein aktives Gelenk betrieben, wenn der Aktuator aktiviert wird, um ein Moment in dem Gelenk auszuüben, entweder als Antrieb oder als Bremse. In der vollständig gesperrten Schaltstellung ist eine Relativverlagerung von Oberteil zu Unterteil nicht möglich. In der teilweise geöffneten Schaltstellung, die hinsichtlich des Öffnungsgrades einstellbar sein kann, wirkt der Aktuator bei einem entsprechenden Betrieb dem Widerstand durch die Widerstandseinrichtung entgegen oder unterstützt diese.

In einer Ausgestaltung ist die teilweise geöffnete Schaltstellung um einen gewissen Prozentsatz gegenüber der vollständig geöffneten Schaltstellung hinsichtlich des Strömungsquerschnittes verringert, sodass eine voreingestellte Ausgangsdämpfung zwischen einem vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Zustand vorhanden ist, also größer der minimalen Dämpfung im vollständig geöffneten Zustand und kleiner der maximalen Dämpfung im geschlossenen Zustand, resultiert, vorhanden ist. Um diese Stellung herum wird dann das Bewegungsverhalten über den Aktuator verändert. Der zusätzliche Antrieb ermöglicht es durch nun, den im Prothesengelenk oder Orthesengelenk voreingestellten Bewegungswiderstand zu beeinflussen. Der Widerstand kann in der Art beeinflusst werden, dass er in einem gewissen Bereich, mittels entsprechender Ansteuerung des Antriebes, abgeschwächt oder verstärkt werden kann. Ebenso kann der Verlauf des Widerstandes über Zeit, Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung eine Komponente oder Gliedmaße des Patienten angepasst werden. Der Strömungsquerschnitt ist an die jeweilige Anwendungsform oder den jeweiligen Nutzer anpassbar. Wenn beispielsweise die Erfahrung zeigt, dass sehr häufig ein bestimmtes Dämpfungsmoment oder eine bestimmte Dämpferkraft aufgebracht werden muss, beispielsweise eine bestimmte hohe Dämpfung gegen eine Flexion bei einem künstlichen Kniegelenk, kann eine entsprechende Verringerung des Strömungsquerschnittes für die teilweise geöffnete Schaltstellung vorgesehen werden. Sind überwiegend geringe Dämpfungen oder Widerstände durch die Widerstandseinrichtung, insbesondere in Gestalt eines Hydraulikdämpfers aufzubringen, ist es sinnvoll, den Strömungsquerschnitt entsprechend zu vergrößern und auf denjenigen Wert einzustellen, der voraussichtlich am häufigsten genutzt wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Antrieb oder Motor parallel zu einem System aus einer oder mehreren passiven Widerstandseinrichtungen angeordnet. Weiterhin kann dieses System auch über einen oder mehrerer Kraftspeicher verfügen, die parallel oder in Serie zur Widerstandseinrichtung wirken. Der jeweilige Kraftspeicher kann über einen Einstellmechanismus verfügen, um die Charakteristik des Kraftspeichers zu beeinflussen. Zumindest eine der mehreren Widerstandseinrichtungen verfügt über einen Einstellmechanismus, um den Widerstand einzustellen. Dieser Mechanismus kann über einen Aktuator verstellt werden. Der Aktuator kann auf der Grundlage von Sensorwerten automatisch verstellt werden. Mit dem genannten System lassen sich verschiedene vorteilhafte Varianten zur Ansteuerung des Antriebes oder Motors realisieren.

Eine einstellbare Widerstandseinrichtung verfügt beispielsweise über einen Einstellmechanismus, der die Zeitdauer T1 benötigt, um den resultierenden Widerstand im Gelenk auf einen gewünschten Wert zu erhöhen oder zu verringern. Die Zeitspanne T1 ist größer der Zeitspanne T2, in der der entsprechende Widerstand eingestellt sein soll, um das gewünschte Verhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu erreichen. Das Ansprechverhalten des Antriebes T3, um einen Widerstand aufzubringen, ist deutlich schneller als T1 und somit ist T3 kleiner als T1 . Um sich im Gesamtverhalten der Dauer T2 anzunähern, kann der Antrieb so gesteuert werden, dass während T1 der Widerstand durch den Antrieb aufgebracht wird. Die Einstellung des Antriebswiderstandes erfolgt in der Form, dass der Antrieb nur die Differenz aus gewünschtem Widerstand in der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung und dem Widerstand, der durch die Widerstandseinrichtung aufgebracht wird, liefert. Somit kann die resultierende Stellzeit virtuell reduziert werden. Das Gesamtsystem verhält sich so, als würde es die Verstellzeit T3 aufweisen.

Ausgehend vom beschriebenen System ergeben sich weitere Vorteile. Je nach Ausführungsform der Widerstandseinrichtung, im speziellen als verstellbarer Hydraulikdämpfer, der unter anderem voll sperrbar sein kann, kann diese große Kräfte oder Momente aufnehmen, ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Insbesondere bei isometrischen bzw. sehr langsamen Bewegungen ist dies vorteilhaft. Im Gegensatz dazu benötigen Antriebe in diesen Betriebszuständen viel elektrische Energie, um dasselbe Verhalten zu erzielen. Durch die im System verbaute Sensorik können solche Zustände detektiert werden. Sobald die Widerstandseinrichtung den eingestellten Widerstand erreicht hat, wird der Antrieb komplett deaktiviert. Nun hält die Widerstandseinrichtung die komplette Last und der Antrieb benötigt keine Energie.

Eine weitere Form der Ansteuerung des Antriebes ergibt sich aus der Tatsache, dass ein elektrischer Antrieb als Widerstandseinrichtung betrieben werden kann, die in einem gewissen Bereich von Widerstands-Momenten oder Kräften und Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Im Gegensatz dazu wandeln passive Widerstandseinrichtungen mechanische Energie in Wärme um. Diese Energie geht verloren bzw. verursacht Probleme durch einen Anstieg der Temperatur im System.

Der Energiefluss der mechanischen Energie in der Gelenkeinrichtung kann durch eine abgestimmte Verstellung des Widerstandes der passiven Widerstandseinrichtung und des Widerstandes des als Widerstandseinrichtung wirkenden Antriebes gelenkt werden. Somit ist es möglich, während Bewegungszuständen, in denen der Antrieb elektrische Energie erzeugen kann, mehr mechanische Energie in den Antrieb zu leiten. Dadurch wird der Energieeintrag in die passive Widerstandseinrichtung verringert, womit sich auch die Erwärmung verringert. Zusätzlich kann ein Teil der in den Antrieb geleiteten mechanischen Energie durch diesen in elektrische Energie umgewandelt werden und im elektrischen Energiespeicher gespeichert werden, was wiederum die Betriebsdauer der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung verlängern kann bzw. die Größe des benötigten elektrischen Energiespeichers verringern kann. In einer Ausführungsform ist der Antrieb als Elektromotor ausgebildet, der über ein Getriebe mit dem Oberteil oder dem Unterteil gekoppelt ist. Über das Getriebe ist es möglich, auch bei kleinen Motoren vergleichsweise große Momente in dem Gelenk um die Schwenkachse herum zu erzeugen, um die Relativbewegung von Oberteil zu Unterteil zu beeinflussen bzw. um das Oberteil relativ zu dem Oberteil zu verlagern. Das Getriebe kann beispielsweise als ein Spindelgetriebe, Zahnradgetriebe, Hebelgetriebe, Seilgetriebe, Reibradgetriebe oder in einer anderen Getriebeform ausgebildet sein.

Dem Antrieb und/oder der Widerstandseinrichtung und/oder dem Kraftspeicher ist in einer Ausführungsform eine Steuerung zugeordnet, die eine Datenverarbeitungseinrichtung aufweist, um Sensordaten zu verarbeiten. Die Datenverarbeitungseinrichtung weist die dafür notwendigen Komponenten auf, beispielsweise einen Mikroprozessor, eine Speichereinrichtung, eine integrierte Schaltung o. ä. und ist mit einer Energieversorgung gekoppelt, die es der Steuerung als Komponente ermöglicht, Daten zu verarbeiten und/oder zu speichern. Die Steuerung ist mit zumindest einem Sensor gekoppelt und dazu eingerichtet, den Antrieb und/oder die Widerstandseinrichtung und/oder den Kraftspeicher auf der Grundlage der Sensorwerte zu aktivieren, zu deaktivieren und/oder zu modulieren. Die Steuerung als Bauteil weist Schnittstellen auf, über die die Steuerung mit Daten aus den Sensoren versorgt wird. Die Schnittstellen können drahtlos oder drahtgebunden sein, beispielsweise als Sender-Empfänger-Einrichtung oder als Stecker oder dauerhafte Kontakte. Die Sensoren können drahtlos oder drahtgebunden mit der Steuerung verbunden sein.

Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Widerstandseinrichtung, der Kraftspeicher und der Antrieb als modulare Einheit ausgebildet sind und gemeinsam an den Befestigungspunkten an dem Oberteil bzw. Unterteil festgelegt werden. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Modifikationen und Ausgestaltungen von Antrieben, Widerstandseinrichtungen bzw. Kraftspeicher im Rahmen einer vorgefertigten Einheit bereit zu halten, um diese Einheiten oder Module dann in der Gesamtheit an der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu montieren. Das System kann auch als logische Einheit ausgeführt sein, mit einer gemeinsamen Steuerung inklusive Sensorik für Widerstandseinrichtung, Energiespeicher und Antrieb. Der Vorteil darin ist eine vereinfachte Schnittstelle zur Ansteuerung des Systems. Die gemeinsame Steuerung muss nur das Verhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung vorgeben. Die Steuerung der Energieflüsse innerhalb des mechanischen Systems erfolgt innerhalb der logischen Einheit. Das verkürzt die Entwicklungsdauer der Verhaltenssteuerung der überlagerten Steuerung.

In einer Weiterbildung ist der Kraftspeicher als eine Feder, insbesondere eine Druckfeder oder als ein Druckspeicher ausgebildet, insbesondere als ein pneumatischer oder hydraulischer Druckspeicher, der in der Widerstandseinrichtung integriert ist. Eine Feder in Gestalt einer Druckfeder oder eines Elastomerelementes kann in Serie zu der Widerstandseinrichtung geschaltet sein. Als eine Feder wird eine elastische Deformation eines Festkörpers oder eine Kompression einer Hydraulikfeder oder eines kompressiblen Hydraulikfluides angesehen.

Der Kraftspeicher ist in einer Ausgestaltung einstellbar ausgebildet, wobei dem Kraftspeicher oder der Feder eine Einstellvorrichtung zur Verstellung der Federvorspannung oder der Federsteifigkeit zugeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die Menge der zu speichernden Energie sowie die Art und Weise der Energieabgabe zu verändern. Alternativ oder ergänzend sind/ist dem Druckspeicher des Kraftspeichers eine Pumpe und/oder ein Ventil zugeordnet, um den Druckspeicher aufzuladen bzw. um Druck zu verringern, um so das Druckniveau zu verändern. Auch dadurch ist es möglich, sowohl die Menge der gespeicherten Energie als auch die Art und Weise der Freigabe zu manipulieren. Bei einem Druckspeicher ist ein Vordruck vorhanden oder es liegt ein Übersetzungsverhältnis des Druckes zu der von dem Kraftspeicher erzeugten Kraft vor.

Sofern die Federvorspannung oder die Federsteifigkeit motorisch verstellt werden soll, ist in einer Ausgestaltung die Einstellvorrichtung in Gestalt des Antriebs ausgebildet, der auch ein Moment um die Schwenkachse herum erzeugen kann. Dadurch ist es möglich, kein separates Bauteil für die Veränderung der Federvorspannung und/oder der Federsteifigkeit vorsehen zu müssen, sondern den Antrieb ebenso als die Einrichtung zum Verstellen des Kraftspeichers zu nutzen. Dabei wird nicht die eigentliche Federsteifigkeit bzw. Vorspannung eingestellt, sondern das resultierende mechanische Verhalten des Gelenkes dahingehend verändert, dass es sich verhält, als hätte die Feder eine andere Steifigkeit und oder Vorspannung. Die Gesamtfedersteifigkeit der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung wird verändert.

Der Kraftspeicher und der Antrieb sind in einer Ausgestaltung so zueinander angeordnet und mechanisch miteinander gekoppelt, dass diese parallel wirksam zueinander angeordnet sind. Der Antrieb bringt ein antreibendes oder bremsendes Moment um die Schwenkachse der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung ein, die parallel dazu wirkende Kraftspeicher- Widerstandseinrichtung -Anordnung ermöglicht die Modifikation bzw. Unterstützung des Momentes durch den Antrieb. Umgekehrt moduliert der Antrieb das dämpfende Moment durch die Widerstandseinrichtung bzw. den Einsatz des Kraftspeichers. Der Kraftspeicher und die Widerstandseinrichtung sind in einer Weiterbildung in einer Serienschaltung angeordnet, was insbesondere bei einem Hydraulikdämpfer über einen Druckspeicher leicht und kompakt möglich ist. Das ermöglicht auch, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung bei offener Widerstandseinrichtung unbeeinflusst von dem Kraftspeicher schwingen kann.

Das Verfahren zur Steuerung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass der Antrieb zur Beeinflussung des Widerstandes parallel zu der Widerstandseinrichtung und dem Kraftspeicher betrieben wird. Die Widerstandseinrichtung und der Kraftspeicher sind als passive Elemente ausgebildet, da sie keinen motorischen Antrieb aufweisen. In Kombination mit dem motorischen Antrieb ist es möglich, die Anwendung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, insbesondere bei Orthesen oder Prothesen, zu erweitern und der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtungen Eigenschaften zu verleihen, die mit den Einzelkomponenten nicht zu erreichen wären. Die passiven Elemente sind mit dem elektromechanischen oder elektrohydraulischen Antrieb gekoppelt, sodass sich die um die Schwenkachse aufgebrachten Momente oder Kräfte aus den Kräften oder Momenten der drei Komponenten ergeben. Die Wirkung des Kraftspeichers parallel zu dem Antrieb führt zu einer Unterstützung oder zu einer Veränderung des durch den Antrieb aufgebrachten Momentes und ergänzt insbesondere den Antrieb durch die Bereitstellung vergleichsweise hoher Energiemengen in kurzer Zeit. Dadurch wird das Moment des Antriebes um das Moment erhöht, das durch den Kraftspeicher bei dessen Freigabe bereitgestellt wird. Der aktive Antrieb kann dadurch so ausgelegt werden, dass er nicht das komplette Moment für alle Anwendungen aufbringen muss. Damit kann der motorische Antrieb kleiner ausfallen oder auf andere Arbeitsbereiche oder Drehzahlen optimiert werden. Der Kraftspeicher, die Widerstandseinrichtung und der Antrieb können parallel zueinander angeordnet werden, alternativ sind der Kraftspeicher und die Widerstandseinrichtung in Serie angeordnet und der Antrieb parallel zu beiden. Wenn die Widerstandseinrichtung einstellbar ist, kann der Kraftspeicher „deaktiviert“ werden, indem die Widerstandseinrichtung auf Durchgang geschaltet wird.

Der Antrieb und/oder die Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher wird in einer Ausgestaltung auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert, um eine Veränderung des Bewegungsverhaltens des Oberteils relativ zu dem Unterteil während der Benutzung vornehmen zu können.

Die Modulation der Gesamtcharakteristik des Systems erfolgt in einer Ausgestaltung ausgehend von der Charakteristik der Widerstandseinrichtung und/oder des Kraftspeichers durch den Antrieb, insbesondere erfolgt eine Verringerung oder Erhöhung des Widerstandes, des Widerstandsverlaufes, der Steifigkeit, des Steifigkeitsverlaufes, der Dämpfung und/oder des Dämpfungsverlaufes durch den Antrieb. Zu bestimmten Zeitpunkten oder bei bestimmten Zuständen oder bei Erreichen von bestimmten Grenzwerten wird der Antrieb aktiviert, deaktiviert oder moduliert, sodass eine Verstärkung oder Abschwächung eines durch den Kraftspeicher aufgebrachten Momentes erfolgt. Dadurch können Anpassungen an das benötigte Verhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung schnell und energiesparend ausgeführt werden.

In einer Weiterbildung erfolgt die Umwandlung von im Kraftspeicher gespeicherte Energie in elektrische Energie über den Antrieb und umgekehrt, beispielsweise durch den Betrieb eines Elektromotors im Generatorbetrieb bzw. umgekehrt.

Die Erfindung sieht eine Kombination aus Kraftspeicher und parallelem motorischem Antrieb vor. Das resultierende Moment ist die Summe der Momente, die von dem Kraftspeicher und Motor aufgebracht werden. Der Kraftspeicher ist dabei nicht nur als reine Feder zu sehen, sondern kann in einer Hydraulik eingebettet sein, die ein paralleles und/oder serielles dämpfendes Verhalten ermöglicht. Der hydraulische Federspeicher kann in einer Ausführungsform nur in Flexionsrichtung geladen und in Extensionsrichtung entladen werden, der Ölstrom in und aus dem Federspeicher wird dabei durch ein Proportionalventil bis hin zur Sperre gedrosselt. In der Kombination kann der Kraftspeicher dazu genutzt werden, die Grundcharakteristik aufzubringen und der Motor, diese zu modulieren. Damit ist eine wesentlich flexiblere Steuerung möglich als nur durch den Kraftspeicher, bzw. kann eine höhere Energieeffizienz und eine höhere Bandbreite, bzw. ein höheres Maximalmoment als nur durch einen Motor erzielt werden. Alternativ zu einer parallelen Anordnung von Motor und Kraftspeicher können diese auch seriell angeordnet werden. In diesem Fall addieren sich nicht die Momente, sondern die Verschiebungen. Durch den Motor wird dann der Weg als Funktion der Kraft moduliert.

Ein Grundgedanke ist die Veränderung des Kraft-Weg-Verhaltens des Kraftspeichers durch den Antrieb, insbesondere einen parallelen Motor. Über den Motor kann ausgehend von einer Grundcharakteristik des Kraftspeichers eine Anpassung stattfinden. Durch ein dem Kraftspeichermoment gleichgerichtetes Motormoment wird das resultierende Moment erhöht, durch eine entgegengesetztes Motormoment wird das resultierende Moment verringert. Ein konstantes, von dem Motor aufgebrachtes Moment entspricht z.B. einer Vorspannung einer Federcharakteristik, bzw. der Verschiebung eines Federnullpunkts, ein wegabhängiges Motormoment entspricht der Überlagerung zweier Federn, wobei insbesondere durch den Motor eine nichtlineare Federcharakteristik erzeugt werden kann. Treten in dem Kraftspeicher nicht-konservative Kräfte auf, können auch diese in der Ansteuerung des Motors berücksichtigt werden. Darüber hinaus kann das Moment oder ein Parameter einer Charakteristik des Motors zeitlich verändert werden, wodurch ein transientes Verhalten erzielt wird. Es kann zum Beispiel ein richtungsabhängiges Verhalten, eine Hysterese oder ein abklingendes Verhalten, z.B. eine kontinuierliche, zeitliche Reduktion eines Moments umgesetzt werden. Es ist zudem möglich die Momentencharakteristik in Echtzeit während einer Bewegung dynamisch zu verändern, eine Anpassung von einer Wiederholung einer Bewegung zur nächsten Wiederholung vorzunehmen, zum Beispiel auf Basis einer autonomen Optimierung, um die Charakteristik über Software und elektronische Interfaces einstellbar zu machen. Das Motormoment kann so gewählt werden, dass es dem durch den Kraftspeicher erzeugten Moment betragsmäßig identisch oder zumindest hinreichend ähnlich und entgegengesetzt ist. Das resultierende Gesamtmoment aus Motor und Kraftspeicher ist damit Null oder entsprechend gering. Es wird der Bewegung kein wesentlicher zusätzlicher Widerstand entgegengebracht oder eine Unterstützung bewirkt. Dies kann in einzelnen Bewegungsphasen nützlich sein, um den aktiven Kraftspeicher wegzuschalten, kontrolliert zuzuschalten oder gezielt Energie in den Kraftspeicher einzutragen oder zu entnehmen, ohne die Bewegung wesentlich zu beeinflussen.

Für das Gehen in der Ebene ist in der Standphasen-Beugung und Standphasen- Streckung ein annährend lineares Federverhalten mit ggf. paralleler Dämpfung vorteilhaft. Die optimale Momentencharakteristik variiert jedoch mit dem Körpergewicht, dem individuellen Bewegungsablauf und Bedürfnissen sowie den Gangparametern wie der Schrittlänge oder der Gehgeschwindigkeit. Die dynamische Anpassung einer Federsteifigkeit ist schwer umzusetzen. Die Modulation kann an das Körpergewicht, Körpergröße der anwendenden Person angepasst werden, aber auch an die persönlichen Präferenzen. Zudem kann in einem Steuerungsgesetz das Gesamtmoment von Schritt zu Schritt oder in Echtzeit an die Bewegung, den Bewegungsfortschritt oder auch an die Belastung angepasst werden. Wird zum Beispiel über die Neigung der Beinsehne erkannt, dass es sich um eine terminale Standphase handelt, das Gelenk jedoch noch stark gebeugt ist oder sich ausgehend von einer maximalen Standphasenbeugung noch nicht hinreichend gestreckt hat, kann das Streckmoment über den Motor erhöht werden. Eine solche Anpassung erfolgt typischerweise kontinuierlich und nicht abrupt.

Das Momentenverhalten in der Standphase kann mittels des kombinierten Aktuators an den Kontext angepasst werden angepasst werden. Unterschiedliche Kontexte wie Stufen, Absätze, Neigungen, Untergrundbeschaffenheiten oder Umgebungen erfordern unterschiedliche Arten der Unterstützung. Beim Abwärtsgehen auf Neigungen sind typischerweise höhere Streckmomente in der Standphase notwendig als beim ebenen Gehen. Entsprechend kann die Neigung über Sensoren ermittelt werden und das Gesamtmoment aus Kraftspeicher und Motor moduliert werden. Insbesondere kann das Motormoment mit zunehmender Abwärtsneigung in einem gewissen Neigungsbereich erhöht werden, um eine höhere Gesamtsteifigkeit zu erreichen, bevorzugt in der Standphasenbeugung. Das Extensionsmoment in der Standphasenextension kann ebenfalls im Vergleich zum Gehen in der Ebene angepasst werden. Zum Beispiel kann die Veränderung der Steifigkeit oder des Moments im Verlauf der Standphasenbeugung und Standphasenstreckung zeitabhängig oder auf Basis von Sensorsignalen beim Abwärtsgehen angepasst werden, z.B. um eine größere Hysterese und damit stärkere Dissipation zu bewirken. Ähnliche Anpassungen können auch für andere Kontexte vorgenommen werden. Die Möglichkeit der Erhöhung und Reduzierung des Widerstandes in der Standphase ist über die Steuerung gegeben.

Bei einem Kraftspeicher muss vor einer Energieentnahme immer erst ein Energieeintrag stattfinden, wobei für das Aufladen die gleichen oder sogar höhere Kräfte und Momente nötig sind als für das Entladen. Zudem kann für das Aufladen des Kraftspeichers eine Relativbewegung notwendig sein, wenn dieser physikalisch mit der Verschwenkbewegung gekoppelt ist. Es ist zum Beispiel nicht oder nur schlecht möglich, den Kraftspeicher durch Aufnahme der kinetischen Energie in der Schwungphase mit einem geringen Moment und großem Bewegungsausmaß aufzuladen und die Energie in der Standphase, in der ein hohes Moment und geringes Bewegungsausmaß benötigt wird, abzugeben. Über den kombinierten Aktuator kann dieses Problem gelöst werden. Dafür kann zum Beispiel in der Schwungphasenflexion der Kraftspeicher durch ein dem Kraftspeicher entgegengesetztes Motormoment aufgeladen werden. Sind die erzeugten Momente entgegengesetzt und gleich im Betrag, heben sie sich auf und die Bewegung wird nicht beeinflusst, bzw. wird der Bewegung kein zusätzlicher Widerstand durch den Kraftspeicher entgegengebracht. Mit zunehmender Beugung wird das Motormoment erhöht, bis der Kraftspeicher vollständig aufgeladen ist oder keine weitere Flexion mehr erfolgt. Durch Aufrechterhaltung des Beugemoments des Motors oder Wegschalten des Kraftspeichers kann eine Abgabe der Energie des Kraftspeichers verzögert werden, bzw. erst zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen. Für das Treppensteigen kann die im Kraftspeicher gespeicherte Energie in der Standphasenstreckung abgegeben werden. Das von dem Kraftspeicher erzeugte Streckmoment kann hier durch ein Motormoment in dieselbe Richtung unterstützt werden, wodurch das Gesamtstreckmoment erhöht werden kann.

Wird der Kraftspeicher aufgeladen und kann die gespeicherte Energie nicht sinnvoll genutzt werden, kann der Kraftspeicher entladen werden. Typischerweise erfolgt dies dissipativ. Die Entladung kann dabei ein Moment erzeugen, welche unerwünscht ist. Alternativ oder ergänzend kann der Motor verwendet werden, um ein dem Kraftspeicher entgegengesetztes und im Betrag im Wesentlichen gleichgroßes Moment entgegenzubringen, sodass das resultierende Moment annähernd Null oder hinreichend gering ist. Damit kann eine Entladung des Kraftspeichers so erfolgen, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Bewegung hat. Es ist auch möglich, das Moment des Kraftspeichers über den Motor zu reduzieren. Zum Beispiel kann sich der Energiespeicher in der Standphasen-Beugung beim Treppe abwärts Gehen unerwünscht aufladen. Wird die gespeicherte Energie im Gangzyklus der Treppe abwärts Gehens nicht benötigt und der Kraftspeicher soll beim darauffolgenden Initialkontakt wieder entladen sein, muss der Kraftspeicher vor dem Initialkontakt entladen werden. Dies kann zum Beispiel in der Schwungphasen-Extension erfolgen, wobei dem Streckmoment des Kraftspeichers während der Entladung ein Beugemoment durch den Motor entgegengebracht wird, welches das resultierende Streckmoment hinreichend reduziert oder das Streckmoment des Kraftspeichers ausgleicht.

Durch einen kombinierten Aktuator aus Kraftspeicher und Motor kann auch die Energie-Rekuperation über den Motor und damit die Gewinnung von elektrischer Energie verbessert werden. Der Betrieb eines Motors als Generator ist bei niedrigen Drehzahlen nicht oder nur ineffizient möglich. Mit einem kombinierten Aktuator ist es jedoch möglich, Energie bei langsamen Bewegungen und damit geringen Drehzahlen im Kraftspeicher zu speichern und später bei hohen Drehzahlen den Kraftspeicher zu nutzen, um den Motor im Generatorbetrieb für die effiziente Energie-Rekuperation zu betreiben. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Wärmeerzeugung im Vergleich zur Dissipierung der Energie in der den Kraftspeicher aufladenden Phase.

Beim Abwärtsgehen auf Neigungen kann der Kraftspeicher zum Beispiel in der Standphasen-Beugung aufgeladen werden und später in der Schwungphasen- Extension, insbesondere bei schnellen Streckgeschwindigkeiten, entladen werden, wobei dem Streckmoment des Kraftspeichers über den Motor ein Beugemoment entgegengesetzt wird. Der Motor wird dabei so angesteuert, dass er als Generator betrieben wird und elektrische Energie erzeugt. Motor und Kraftspeicher werden dabei vorzugsweise so angesteuert, dass sich das Motormoment und das vom Kraftspeicher erzeugte Moment gegenseitig aufheben und die Bewegung nicht wesentlich beeinflusst.

Das Motormoment kann zur Gewinnung von Bewegungsinformationen, z.B. Neigung des Unterschenkels, Beinsehne, Oberkörperneigung oder von Kraftinformationen, z.B. COP (Center Of Pressure), Knöchelmoment, Kräfte und Momente im Interface zur anwendenden Person des Hilfsmittels sowie der kontralateralen Seite genutzt werden. Die Steuerung inkludiert auch aus Sensordaten abgeleitete Größen wie den Oberschenkelwinkel, der aus dem Kniewinkel und Unterschenkelwinkel errechnet werden kann, oder den Hebelarm als Quotient von Moment und Kraft. Auch Mensch- Maschine-Interfaces oder Al-Algorithmen können als zusätzliche Eingänge verwendet werden. Es ist auch möglich, dass mehrere Größen für die Steuerung des Moments herangezogen werden. Das resultierende Gesamtmoment aus Motormoment und Moment durch den Kraftspeicher ist damit insbesondere eine Funktion des Kniewinkels aufgrund der physikalischen Kopplung von Kniewinkel und Kraftspeicher und ggf. anderer Eingangsgrößen.

Verfahren zur Steuerung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, wie sie oben beschrieben worden ist, sieht vor, dass der Antrieb zur Beeinflussung des Widerstandes parallel zu der Widerstandseinrichtung dem Kraftspeicher betrieben wird.

Der Antrieb, die Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher wird in einer Ausgestaltung auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert, wobei die Sensordaten insbesondere einer Steuerung oder Steuerungseinrichtung zugeordnet und übermittelt werden. Alternativ oder ergänzend werden die Widerstandseinrichtung und/oder der Kraftspeicher auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert, insbesondere wird die Steuerungseinrichtung ebenfalls mit den Sensordaten versorgt und ist mit der Widerstandseinrichtung und/oder dem Kraftspeicher gekoppelt, um auf der Grundlage der Sensordaten die entsprechenden Veränderungen an oder in der Widerstandseinrichtung und/oder dem Kraftspeicher vorzunehmen.

Die Modulation der Gesamtcharakteristik der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung erfolgt in einer Ausgestaltung ausgehend von der Charakteristik der Widerstandseinrichtung, die die Grundlage oder Basis der Beeinflussung des Bewegungsverhaltens der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung darstellt. Diese Grundcharakteristik wird durch den Antrieb moduliert. Die Grundcharakteristik kann auch durch den Kraftspeicher oder eine Kombination aus Kraftspeicher und Widerstandseinrichtung, insbesondere in Ausgestaltung als passive Komponenten erfolgen. Durch den Antrieb werden dann die entsprechenden Anpassungen der jeweiligen Grundcharakteristik vorgenommen. Insbesondere findet eine Verringerung oder Erhöhung des Widerstandes, des Widerstandsverlaufes, der Steifigkeit, des Steifigkeitsverlaufes, der Dämpfung und/oder des Dämpfungsverlaufes statt.

In einer Weiterbildung findet die Umwandlung von im Kraftspeicher gespeicherte Energie in elektrische Energie über den Antrieb und umgekehrt statt.

Der Kraftspeicher kann von den übrigen Komponenten, also der Widerstandseinrichtung und dem Antrieb, entkoppelt und in einem geladenen Zustand gehalten werden, um zu einem späteren Zeitpunkt wieder zugeschaltet zu werden, damit die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie dem System gesteuert zugeführt werden kann.

In einer Ausgestaltung wird der Antrieb so betrieben, dass die Wirkung der Widerstandseinrichtung aufgehoben wird, sodass sich eine freie Verschwenkbarkeit des Oberteils relativ zu dem Unterteil einstellen lässt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Darstellung eines Prothesenbeins;

Figur 2 - ein Ausführungsbeispiel eines Hydraulikschaltbildes;

Figur 3 - Varianten mit Orthesen;

Figuren 4 bis 15 - Anwendungsbeispiele anhand eines Prothesenbeines;

Figuren 16 bis 26 - verschiedene Momentenverläufe;

Figur 27 - einen Momentenverlauf mit mehreren Eingangssignalen;

Figuren 28 - einen Zusammenhang zwischen mehreren Eingangsgrößen;

Figur 29 - Darstellungen einer Variante der Gelenkeinrichtung;

Figur 30 - eine Detaildarstellung eines Kraftspeichers; Figur 31 - eine Ausgestaltung eines progressiven Kraftspeichers; sowie Figur 32 - eine Detaildarstellung Kraftspeichers.

In der Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung als Teil eines Prothesenbeins mit einem Oberschenkelschaft als Oberteil 10 und einem Unterschenkelteil als Unterteil 20 dargestellt. Das Oberteil 10 und das Unterteil 20 sind schwenkbar relativ zueinander um eine Schwenkachse 15 aneinander befestigt. An dem Unterschenkelteil ist ein Prothesenfuß angeordnet. Zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ist eine Widerstandseinrichtung 30 in Gestalt eines schematisch dargestellten Hydraulikdämpfers 30 angeordnet, der einen Widerstand gegen eine Verschwenkung sowohl in Extensionsrichtung als auch in Flexionsrichtung bereitstellt bzw. bereitstellen kann. Der Hydraulikdämpfer 30 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Lineardämpfer ausgebildet und weist eine Gehäuse 32 auf, in dem ein Zylinder 34 ausgebildet ist. Innerhalb des Zylinders 34 ist ein Kolben 36 an einer Kolbenstange 33 angeordnet und teilt den Zylinder 34 in zwei Kammern. Zwischen den Kammern ist eine strömungstechnische Verbindung ausgebildet, die später näher erläutert wird. Der Hydraulikdämpfer 30 ist an seinem proximalen Ende an der Kolbenstange 33 über eine erste Befestigungsstelle 31 mit dem Oberteil 10 mechanisch gekoppelt. Das Gehäuse 32 ist an dem distalen Ende des Hydraulikdämpfers 34 über eine zweite Befestigungsstelle 37 mit dem Unterteil 20 mechanisch gekoppelt. Der Strömungswiderstand innerhalb der hydraulischen Verbindung zwischen den beiden Kammern ist bei einer Bewegung des Kolbens 36 innerhalb des Zylinders 34 verstellbar, um eine an die jeweilige Situation angepasste Dämpfung der Bewegung vornehmen zu können. Zusätzlich ist zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ein Antrieb 60 angeordnet, der dazu ausgebildet und eingerichtet ist, eine Verschwenkung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20, zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass der Antrieb 60 in Gestalt eines Elektromotors über ein Getriebe 70 ein Moment auf die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung aufbringt, um das Unterteil 20 beispielsweise während der Schwungphase in Extensionsrichtung zu bewegen. Alle anderen Unterstützungen oder Beeinflussungen von Zuständen oder Bewegungssituationen zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 können ebenfalls über den Antrieb 60 mit dem Motor und dem Getriebe 70 beeinflusst werden. Beide die Bewegung beeinflussenden Komponenten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, also der Hydraulikdämpfer 30 und der Antrieb 60, wirken gleichzeitig oder können gleichzeitig und parallel zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 wirken, um ein Moment um die Schwenkachse 15 aufzubringen. Statt eines Lineardämpfers kann der Hydraulikdämpfer auch als eine Rotationshydraulik ausgebildet sein.

Alternativ zu der Ausgestaltung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung als Komponente in einem Prothesenbein sind in der Figur 3 zwei alternative Anwendungen dargestellt, bei der die orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung als Teil einer Orthese ausgebildet ist. Die Ausführungsbeispiele in der Figur 3 zeigen eine erste Orthese der oberen Extremität in Gestalt einer Ellenbogenorthese sowie eine zweite Orthese für die untere Extremität in Gestalt einer Knieorthese. An der Ellenbogenorthese sind nicht alle Komponenten dargestellt, alle Komponenten sind jedoch auch dort vorhanden. Jede Orthese weist ein Oberteil 10 und ein Unterteil 20 auf, die über Befestigungseinrichtungen 19, 29, beispielsweise in Gestalt von Manschetten, Schalen, Gurten oder ähnlichen Befestigungseinrichtungen oder Kombinationen davon an dem jeweiligen Körperteil festgelegt werden. Für die Ellenbogenorthese erfolgt die Festlegung an dem Oberarm und dem Unterarm, für die Knieorthese erfolgt die Festlegung über Oberschenkelmanschetten 19 und Unterschenkelmanschetten 29. Anhand der Knieorthese ist dargestellt, dass der Hydraulikdämpfer 30 ebenso wie der Antrieb 60 um die Schwenkachse 15 wirken. Der Hydraulikdämpfer 30 ist wieder mit einem Ende der Kolbenstange an dem Oberteil 10 und mit dem Gehäuseteil an dem Unterteil 20 befestigt. Weiterhin sind an dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 Sensoren 95 angeordnet oder diesen zugeordnet, die mit einer Steuerungseinrichtung 80 verbunden sind. Die Verbindung kann entweder per Draht oder per Funk oder über eine andere Art und Weise der Signalübermittlung erfolgen. Die Steuerungseinrichtung 80 ist mit dem Antrieb 60 und dem Hydraulikdämpfer 30 gekoppelt und ermöglicht eine Aktivierung, Deaktivierung oder Modulierung des Antriebes 60 sowie eine Verstellung von Ventilen innerhalb des Hydraulikdämpfers 30. Die Steuerungseinrichtung 80 weist alle notwendigen Datenverarbeitungseinrichtungen, Speicher, Software, Hardware, Schnittstellen sowie eine Energieversorgung auf, um die Steuerung oder Regelung sowohl des Antriebes 60 als auch des Hydraulikdämpfers 30 zu bewirken. Der Antrieb 60 kann über einen zusätzlichen Energiespeicher in Gestalt einer Batterie oder eines Akkumulators mit der notwendigen elektrischen Energie versorgt werden. Der Antrieb 60 kann sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden, um so beispielsweise bei einer benötigten zusätzlichen Bremsleistung oder einer Erhöhung des Widerstandes gegen eine Verschwenkung die Bewegungsenergie in elektrische Energie wieder zurück zu wandeln. Die Sensoren 95 können Kraftsensoren, Momentensensor, Lagesensoren, Drucksensoren, Temperatursensoren sowie IMUs sein. Mehrere Sensoren können sowohl an dem Oberteil 10 als auch an dem Unterteil 20 angeordnet sein. Auf der Basis der übermittelten Sensorwerte werden dann die entsprechenden Schaltbefehle durch die Steuerungseinrichtung 80 ausgegeben.

In der Ausgestaltung gemäß der Figur 1 als auch in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 sind zusätzlich zu der Widerstandseinrichtung 30 und dem motorischen Antrieb 60 ein Kraftspeicher 90 zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 angeordnet, um eine Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 zu unterstützen, zu behindern oder zu bewirken. Der Kraftspeicher 90 in der Figur 1 ist beispielsweise distal an der Widerstandseinrichtung 30 angeordnet und in Reihe zu der Widerstandseinrichtung 30 wirksam geschaltet. Das gleiche gilt für die Ausführung vom gemäß der Figur 3, bei der unterhalb des Gehäuses der Widerstandseinrichtung 30 der Kraftspeicher, beispielsweise in Gestalt einer einstellbaren und sperrbaren mechanischen oder pneumatischen Feder oder eines Elastomerelementes angeordnet ist.

In der Figur 2 ist ein hydraulisches Schaltbild des Hydraulikdämpfers 30 dargestellt, mit einem Gehäuse 32, das einen Zylinder 34 in sich ausbildet oder aufnimmt. Der Zylinder 34 wird durch den Kolben 36 in eine erste Kammer 341 und eine zweite Kammer 342 unterteilt. Zwischen den beiden Kammern 341 , 342 ist eine hydraulische Verbindung 40 in Gestalt von Strömungskanälen angeordnet, sodass Hydraulikfluid von der ersten Kammer 341 in die zweite Kammer 342 fließt, wenn der Kolben 36 nach unten gedrückt wird, beispielsweise bei einer Flexion. Umgekehrt wird Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 342 durch die strömungstechnische Verbindung 40 in die erste Kammer 341 geleitet, wenn eine Extensionsbewegung stattfindet. Aufgrund der Volumendifferenz zwischen der Verdrängung in der ersten Kammer 341 im Verhältnis zu der zweiten Kammer 342 aufgrund der in der zweiten Kammer 342 befindlichen Kolbenstange 33 ist ein Ausgleichsvolumen 38 in dem Hydraulikdämpfer 30 angeordnet oder mit diesem gekoppelt. Innerhalb der strömungstechnischen Verbindung 40 sind zwei verstellbare Ventile 50 in Gestalt von Schaltventilen angeordnet. Jeder Kammer 341 , 342 ist jeweils ein Schaltventil 50 zugeordnet. Parallel zu jedem Schaltventil 50 ist jeweils ein Rückschlagventil 55 als Bypass in der strömungstechnischen Verbindung 40 angeordnet. Bei zwei Rückschlagventilen 55, von denen jeweils eines einer Kammer 341 , 342 zugeordnet ist, sind die beiden Rückschlagventile 55 einander entgegengesetzt wirkend angeordnet. Beide Rückschlagventile 55 lassen das Einströmen von Hydraulikfluid in die jeweilige Kammer 341 , 342 zu, sperren aber den Durchfluss in entgegengesetzte Richtung, sodass das jeweils aus der Kammer 341 , 342 austretende Hydraulikfluid durch das Schaltventil 50 geleitet werden muss.

Die Schaltventile 50 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als 3-Wege- Schaltventile ausgebildet, die zwischen drei diskreten Zuständen schaltbar sind. In dem dargestellten Schaltzustand ist die strömungstechnische Verbindung 40 unterbrochen, d. h., dass kein Hydraulikfluid von der einen Kammer 341 in die andere Kammer 342 strömen kann. Das Prothesenkniegelenk oder die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung ist in der Position gesperrt.

Vor dem jeweiligen Schaltventil 50 ist in Strömungsrichtung von der Kammer eine Drossel 56 vorgeschaltet angeordnet, die beispielsweise den Strömungsquerschnitt halbiert oder auf den gewünschten Wert verringert. Der Drosselquerschnitt ist vorzugsweise einstellbar. Parallel zu dieser Drossel 56 ist ein Strömungskanal mit einem maximalen oder vollständig geöffneten Strömungsquerschnitt vorhanden und führt zu dem Schaltventil 50. Wird das Schaltventil 50 aus der dargestellten unterbrochenen und damit gesperrten Stellung nach unten bewegt, was durch einen Elektromagneten oder einen anderen Aktuator oder Antrieb erfolgen kann, ist die nicht mit der Drossel 56 beaufschlagte Leitung mit Hydraulikfluid beaufschlagt und kann bei einer Extensionsbewegung, bei der der Kolben 36 nach oben bewegt wird, das Hydraulikfluid ungehindert durchleiten.

Wird das Schaltventil 50 aus der dargestellten gesperrten Stellung nach oben bewegt, muss Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 342 zunächst durch die vorgeschaltete Drossel 56 hindurch, um dann durch das Rückschlagventil 55 in die erste Kammer 341 zu können. In dieser Stellung ist dann ein erhöhter Strömungswiderstand vorhanden, sodass die Verschwenkbewegung in Extensionsrichtung gedämpft ist. Entsprechend ist die Verschaltung für das der ersten Kammer 341 zugeordnete Schaltventil 50 für die Flexionsbewegung.

Das Verstellen oder Verschieben der Schaltventile 50 erfolgt sensorbasiert über die Steuerungseinrichtung 80. Auf der Grundlage der Sensordaten der Sensoren 95 wird der jeweilige Aktuator für das Schaltventil 50 aktiviert oder deaktiviert und die entsprechende Schaltstellung eingenommen.

Sofern die durch die Drossel 56 einmalig bereitgestellte Verminderung des Strömungsquerschnittes nicht ausreicht oder zu viel ist, um den gewünschten oder benötigten Widerstand bereitzustellen, wird der Antrieb 60 aktiviert, sodass über den Motor und gegebenenfalls das Getriebe ein zusätzliches Drehmoment aufgebracht wird, das entweder der Bewegung entgegenwirkt oder diese unterstützt, um den Widerstand zu erhöhen oder zu verringern. Auch die Aktivierung des Motors 60 erfolgt über die Steuerung 80 auf der Basis von Sensorwerten und von Steuerungsprogrammen und Software, die in der Steuerung 80 abgelegt sind.

In der Figur 4a ist eine schematische Darstellung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung anhand eines Prothesenbeines dargestellt. Das Oberteil 10 ist beispielsweise der Oberschenkelschaft oder das Oberteil eines Prothesenkniegelenkes, das Unterteil 20 ist das Unterschenkelrohr, das verschwenkbar um die Schwenkachse 15 an dem Oberteil 10 gelagert ist. Die Widerstandseinrichtung 30 ist in Gestalt eines hydraulischen Lineardämpfers mit der Kolbenstange an dem Oberteil 10 befestigt, das Gehäuse, in dem der Kolben bei einer Flexion nach unten und einer Extension nach oben bewegt wird, ist an dem Unterteil 20 unter Zwischenschaltung des Kraftspeichers 90 befestigt. Der Kraftspeicher 90 ist als Feder oder Druckspeicher ausgebildet und kann eine Einstelleinrichtung aufweisen, mit der die Federvorspannung und/oder Federsteifigkeit verstellt werden kann. In der Ausgestaltung des Kraftspeichers 90 als Druckspeicher sind eine Pumpe und ein Ventil dem Druckspeicher zugeordnet, um den Druck zu erhöhen oder zu verringern und dadurch die Federvorspannung bzw. die Federsteifigkeit einzustellen. Die Widerstandseinrichtung 30 und der Kraftspeicher 90 können als ein Modul ausgebildet und zu einer Baueinheit zusammengefasst sein. Der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung ebenfalls zugeordnet ist ein motorischer Antrieb 60, der eingerichtet und ausgebildet ist, eine Verschwenkbewegung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 zu bewirken, einer solchen Verschwenkbewegung entgegenzuwirken oder sie zu unterstützen. Der Antrieb 60 wirkt somit ebenfalls als Widerstandseinrichtung, wenn der Antrieb 60 von der nicht dargestellten Steuerungseinrichtung 80 dergestalt angesteuert wird, dass er einer Verschwenkbewegung entgegengewirkt. Der Antrieb 60 zur Beeinflussung des Widerstandes gegen eine Verschwenkbewegung bzw. zur Unterstützung einer Verschwenkbewegung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil wirkt parallel zu der Widerstandseinrichtung 30 und dem dazu in Serie geschalteten Kraftspeicher 90.

In der Figur 4b ist eine der Figur 4a gezeigt, bei der der Kraftspeicher 90 einstellbar ausgebildet ist, eine Dämpfungseinrichtung oder Widerstandseinrichtung 30, die bei der Figur 4a in Serie oder Reihe zu dem Kraftspeicher 90 angeordnet ist, ist in der Figur 4b nicht vorhanden.

Der grundsätzliche gleiche Aufbau der Figur 4a ist in der Figur 5 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die Widerstandseinrichtung 30 verstellbar ausgebildet ist, um den Widerstand gegen eine Verschwenkbewegung einstellen zu können. Die Einstellung erfolgt bei einer Ausgestaltung als Hydraulikdämpfer durch Veränderungen des Strömungsquerschnittes innerhalb der hydraulischen Leitungen in der Widerstandseinrichtung 30, beispielsweise durch Veränderungen von Durchlassquerschnitten in Ventilen oder Drosseln. Die Verstellung erfolgt auf Grundlage beispielsweise von Sensordaten adaptiv während der Bewegung oder einmalig durch einen Orthopädietechniker zur Anpassung der Widerstandseinrichtung 30 an den Patienten und die einzelnen Komponenten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung. Die Verstellbarkeit ermöglicht auch eine Anpassung an sich verändernde Eigenschaften der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, an Verschleiß, Veränderungen hinsichtlich der unterschiedlichen Nutzungsarten oder aufgrund sich verändernder Fähigkeiten oder Vorlieben des jeweiligen Nutzers.

In der Figur 6 ist statt der Widerstandseinrichtung 30 der Kraftspeicher 90 verstellbar, insbesondere einstellbar und auch sperrbar ausgebildet. Die E instel Ibarkeit des Kraftspeichers 90 ermöglicht eine Anpassung der Energiemenge, die in dem Kraftspeicher 90 gespeichert werden kann und damit auch die Menge an Energie, die zur Unterstützung der Verschwenkbewegung oder zur entgegengesetzt gerichteten Wirkung, also zur Behinderung oder Verhinderung einer Verschwenkbewegung eingesetzt werden kann. Die Verstellung sowohl des Kraftspeichers 90 als auch gegebenenfalls der Widerstandseinrichtung 30 erfolgt beispielsweise sensorgesteuert über die oben beschriebenen Sensoren und die Steuerung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet ist.

In der Figur 7 sind sowohl die Widerstandseinrichtung 30 als auch der Kraftspeicher 90 verstellbar, insbesondere einstellbar und sperrbar ausgebildet.

In der Figur 8 ist eine Variante der Anordnung von Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 dargestellt, die alle an der frontalen Seite der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Widerstandseinrichtung 30 und der Kraftspeicher 90 nicht einstellbar oder verstellbar, können jedoch nach Wunsch mit dem Antrieb 60 kombiniert werden, um den gewünschten Widerstand gegen eine Verschwenkbewegung bereitzustellen bzw. eine Verschwenkbewegung entsprechend zu unterstützen. In den Figuren 9 und 10 sind die Widerstandseinrichtung 30 bzw. der Kraftspeicher 90 verstellbar und wie bei der Anordnung gemäß der Figur 8 eingesetzt. In der Figur 11 sind sowohl der Kraftspeicher 90 als auch die Widerstandseinrichtung 30 verstellbar und einstellbar ausgebildet.

Eine Variante der Anordnung von Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 ist in Figur 12 dargestellt. Der Antrieb 60 ist parallel zu dem Kraftspeicher 90 wirksam angeordnet und in Serie zu der Widerstandseinrichtung 30 geschaltet. Sowohl die Widerstandeinrichtung 30 als auch der Kraftspeicher 90 sind einstellbar bzw. verstellbar ausgebildet. In dieser Konfiguration ist es möglich, den Kraftspeicher 90 über den Antrieb 60 aufzuladen. Der Antrieb 60 ist dann die Einstellvorrichtung zur Verstellung der Federvorspannung oder der Federsteifigkeit beziehungsweise der Einstellung des Druckes innerhalb des Druckspeichers, wenn ein solcher als Kraftspeicher 90 ausgebildet ist. Kraftspeicher 90 und Antrieb 60 sind somit parallel wirksam zueinander angeordnet. Soll der Antrieb 60 beispielsweise im Generatorbetrieb betrieben werden, ist es sinnvoll und möglich, dass der Kraftspeicher 90 gesperrt wird, um die Bewegungsenergie aus der Relativbewegung zwischen Oberteil 10 und Unterteil 20 ohne Verluste zum Bewegen des Antriebes 60 zu verwenden. Dazu ist auch die Widerstandseinrichtung 30 sperrbar ausgebildet und wird im Generatorbetrieb vorteilhafterweise gesperrt. Dadurch ist es möglich, die gesamte Bewegungsenergie aus der Relativbewegung von Oberteils 10 zu Unterteil 20 über den Antrieb 60 in Generatorbetrieb als elektrische Energie umzuwandeln und einem entsprechenden Energiespeicher oder Akkumulator zuzuführen. Die Bewegung von Oberteil 10 und Unterteil 20 relativ zueinander wird durch alle drei Komponenten, nämlich Widerstandseinrichtung 30, Antrieb 60 und Kraftspeicher 90 beeinflusst, indem eine Verschwenkung unterstützt, behindert oder verhindert wird.

In der Figur 13 ist eine weitere Variante der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil 10, einem Unterteil 20 und einem dazwischen angeordneten Gelenk zur Verschwenkung relativ zueinander um eine Schwenkachse 15 dargestellt, exemplarisch entweder für ein Prothesenbein oder eine Beinorthese. Eine Widerstandseinrichtung 30, beispielsweise in Gestalt eines hydraulischen oder pneumatischen Dämpfers, einer magnetorheologischen Widerstandseinrichtung oder einer Reibungsbremse ist parallel zu einem Kraftspeicher 90 angeordnet, der beispielsweise als ein Druckluftspeicher, ein Elastomerelement oder eine mechanische Feder ausgebildet ist. Der Kraftspeicher 90 ist einstellbar und zudem schaltbar. Ebenfalls parallel dazu ist ein motorischer Antrieb 60 im Oberteil 10 und dem Unterteil 20 zugeordnet, um eine Verschwenkbewegung in Extensionsrichtung und/oder Flexionsrichtung zu beeinflussen. Der motorische Antrieb 60 unterstützt oder wirkt einer Verschwenkbewegung des Unterteils 20 relativ zu dem Oberteil 10 entgegen. Der Kraftspeicher 90 ist schaltbar mit der Widerstandseinrichtung 30 gekoppelt, sodass die Widerstandseinrichtung 30 in Kombination mit dem Antrieb 60, in Kombination mit dem Kraftspeicher 90 oder in Kombination mit dem Antrieb 60 und dem Kraftspeicher 90 betrieben werden kann, zusätzlich zu der Option, dass die Widerstandseinrichtung 30 ohne eine weitere Komponente zur Beeinflussung der Verschwenkbewegung eingesetzt werden kann. In der Ausführungsform gemäß der Figur 13 ist der Antrieb als ein rotatorisch wirkender, motorischer Antrieb parallel zu dem Kraftspeicher 90 ausgebildet.

In der Figur 14 sind die Widerstandseinrichtung 30, der Kraftspeicher 90 und der motorische Antrieb 60 parallel zueinander angeordnet, der motorische Antrieb 60 ist als ein linearer Antrieb ausgebildet. In der Figur 15 ist der motorische Antrieb 60 als linearer Antrieb ausgebildet, der in Serie zu den parallel geschalteten weiteren Komponenten, nämlich Kraftspeicher 90 und Widerstandseinrichtung 30, angeordnet ist.

In allen Ausführungsformen der Figuren 13 bis 15 kann in dem dargestellten Kraftspeicher 90 die an ihm verrichtete mechanische Arbeit als innere Energie speichern und im Zuge einer Energieabgabe Arbeit an seiner Umgebung verrichten. Die Kraftspeicher 90 sind insbesondere als mechanische, hydraulische oder pneumatische Federn ausgestaltet. Der jeweilige Kraftspeicher 90 kann aus der Wirkkette ausgekoppelt und in diese eingekoppelt werden, beispielsweise über ein Ventil eines Hydraulikschaltkreises oder über eine mechanische Kupplung. Dadurch ist es möglich, den Kraftspeicher 90 mit dem Oberteil 10 und/oder mit dem Unterteil 20 zu koppeln, bzw. aus Herr Eingriff zu bringen, wobei dies bei einem beliebigen Kniewinkel oder Gelenkswinkel zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 erfolgen kann.

Bei der Anordnung des motorischen Antriebes 60 in Serie zu dem Kraftspeicher 90 addieren sich die Momente um die Schwenkachse 15 nicht, vielmehr sind die übertragenen Kräfte oder Momente für beide Komponenten identisch und die Längen bzw. Verschiebungen addieren sich oder werden miteinander kombiniert, dennoch kommt es zu einer Superposition, die eine Modulation der Kennlinien, beispielsweise des Kraft-Weg-Verhaltens oder des Momenten-Winkel-Verhaltens, so dass sich eine Veränderung von Vorspannung und Steifigkeiten, nicht monotone Kennlinien, transparente Modi sowie eine Übertragung von Energie von dem Antrieb 60 in den Kraftspeicher 90 und umgekehrt einstellen können. Somit wird eine Verschiebung der Kennlinie als Funktion des Momentes moduliert.

In der Figur 14 ist eine positive Überlagerung Mz der Kennlinie MA des Antriebes 60 und der Kennlinie Ms des Kraftspeichers 90 über den Verschwenkwinkel <p dargestellt. Die Darstellung der positiven Überlagerung Mz bezieht sich auf das generierte Kniemoment als Funktion des Kniewinkels <p, bei der der Kraftspeicher 90 in zumindest eine Bewegungsphase klimatisch dem Kniewinkel 4 gekoppelt ist. Allgemein ist der Kniewinkel <p der aktuierte Freiheitsgrad und M das zugehörige Moment oder die dazugehörige Kraft. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 14 ist der Kraftspeicher 90 eine progressive Feder mit einer Vorspannung. Der Antrieb 60 ist ein Motor, der entsprechend einer linearen Feder angesteuert wird, wobei das erzeugte Moment des Motors mit dem Moment des Kraftspeichers 90 gleichgerichtet ist. Die von dem Kraftspeicher 90 und dem Antrieb 60 erzeugten Momente addieren sich daher auf, sodass sich eine Kennlinie der positiven Überlagerung Mz mit einer erhöhten Steifigkeit gegenüber der alleinigen Kennlinie Ms des Kraftspeichers 90 ergibt. Die Vorspannung in der Kennlinie Ms bei einem Ausgangswinkel cpo bleibt durch das Moment des Motors oder Antriebs 60 unverändert. Durch den Antrieb 60 wird die Gesamtkennlinie in Gestalt der positiven Überlagerung Mz ausgehend von der Kennlinie Ms des Kraftspeichers moduliert.

In der Figur 17 ist eine Darstellung der Linien bei einer abschwächenden Modulation durch den Antrieb 60 dargestellt. Die Kennlinie MS des Kraftspeichers ist entsprechend der der Figur 16 ausgebildet, während die Kennlinie MA des Antriebs linear ausgebildet ist, wie in der Figur 16, allerdings eine entgegengesetzte Wirkrichtung aufweist. Der Antrieb 60 wirkt entsprechend einer linearen Kennlinie, die bei dem Ausgangswinkel cpo betragsmäßig der Steifigkeit des Kraftspeichers 90 entspricht und damit einen der Vorspannung des Kraftspeichers 90 entgegengesetzten Offset hat. In dem Bereich von dem Ausgangswinkel cpo bis zu dem Grenzwinkel <pi heben sich die Momente um die Schwenkachse 15 im Wesentlichen auf. Mit zunehmendem Gelenkwinkel nimmt das Moment des Kraftspeichers 90 durch die Progression stärker zu als jene des Antriebs 60, sodass sich eine progressive Momentzunahme bzw. Steifigkeitszunahme ergibt, was durch die Überlagerung Mz deutlich wird, die ab dem Grenzwinkel zunimmt. Die resultierende Kennlinie der Überlagerung Mzwird durch den Antrieb 60 im Vergleich zu der Überlagerung Mz der Figur 16 wesentlich verändert, und zwar sowohl hinsichtlich der wirksamen Vorspannung als auch hinsichtlich des Gesamtmomentes und der Charakteristik. Durch ein dem Moment des Kraftspeichers 60 entgegengesetztes Antriebsmoment kann das resultierende Moment um die Schwenkachse beliebig verringert werden.

In der Figur 18 findet eine vollständige Kompensation des Momentes des Kraftspeichers 90 durch den Antrieb 60 statt, der Antrieb 60 bringt ein betragsmäßig gleiches, jedoch entgegengesetzt gerichtetes Moment zu dem Moment durch den Kraftspeicher 90 auf, sodass sich beide Momente im Wesentlichen aufheben. Das überlagerte Moment oder die Überlagerung Mz ist über den gesamten Winkelbereich 0 oder im Wesentlichen 0. Eine solche Steuerung ermöglicht es den Kraftspeicher 90 aufzuladen oder zu entladen, ohne dass die Bewegung der orthopädietechnischen Einrichtung beeinflusst wird. Eine solche vollständige Kompensation des Momentes des Kraftspeichers durch den Antrieb wird auch Transparentmodus genannt.

In der Figur 19 ist die Modulation des resultierenden Momentes oder der Überlagerung Mz eines Momentes Ms des Kraftspeichers 90 durch ein Moment MA des Antriebes 60 in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung dargestellt. Das durch den Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA wird in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung verändert, um eine richtungsabhängige Kennlinie der Überlagerung Mz oder des resultierenden Momentes zu erzielen. In der Figur 19 erfolgt eine Verstärkung des Momentes Ms des Kraftspeichers 90 durch das Antriebsmoment MA bei einer Flexion und eine Abschwächung bei einer Extension, wobei der Ausgangswinkel cpo die vollständig gestreckte Position des Gelenkes darstellt. Insgesamt führt dies zu einer Hysterese der Überlagerung Mz.

In der Figur 20 ist dargestellt, dass das durch den Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA in Abhängigkeit von der Wirkrichtung des Kraftspeichers 90 verändert wird. Eine Verstärkung erfolgt in Flexionsrichtung, ausgehend von einem Nullpunkt an dem Kreuzungspunkt der Koordinatenachsen; in Extensionsrichtung erfolgt eine Abschwächung durch das Moment MA des Antriebes 60. Die oben beschriebenen Veränderungen oder Modulationen können miteinander kombiniert werden, statt eines Nulldurchganges der Geschwindigkeit oder einem Nullpunkt können auch ein Überschreiten oder ein Unterschreiten eines Schwellwertes für die Veränderung der Kennlinie des Momentes MA durch den Antrieb 60 herangezogen werden.

In der Figur 21 ist eine nicht monotone Kombination einer Verstärkung bzw. Abschwächung eines durch den Kraftspeicher 90 aufgebrachten Momentes Ms durch ein Moment MA des Antriebes 60 dargestellt. Bei dem Ausgangswinkel bringt der Antrieb 60 ein Moment entgegengesetzt dem Moment durch die Vorspannung des Kraftspeichers 90 auf, so dass sich das Gesamtmoment zu Null ergibt. Zwischen dem Ausgangswinkel und dem Grenzwinkel wird der Antrieb 60 gemäß einer linearen Federsteifigkeit betrieben, wobei sich im Verlauf der Zunahme des Gelenkwinkels <p das Vorzeichen des Momentes MA von dem Antrieb 60 ändert, von einem entgegenwirkenden zu einem unterstützenden Moment. Dies geschieht ungefähr in der Mitte zwischen dem Ausgangswinkel cpo und dem Grenzwinkel epi . Ab dem Grenzwinkel <pi wird das von dem Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA verringert und wirkt kurz nach dem Grenzwinkel <pi dem Moment MA des Kraftspeichers 90 entgegen, wobei ab dem Grenzwinkel <pi fließend zu einer negativen Federsteifigkeit für die Ansteuerung des Antriebs 60 gewechselt wird. Bei einem weiter zunehmenden Gelenkwinkel cp wirkt das Moment MA des Antriebes 60 dem Moment Ms des Kraftspeichers 90 entgegen. Die resultierende Momentenkennlinie Mz als Überlagerung von Motormoment MA und Kraftspeichermoment MA startet zunächst momentenfrei bei dem Ausgangswinkel cpo, nimmt zwischen dem Ausgangswinkel cpo und dem Grenzwinkel <pi zu und wird ab dem Grenzwinkel <pi bei zunehmendem Gelenkwinkel cp wieder abgeschwächt.

In der Figur 22 ist eine Kombination von Momenten des Antriebes 60 und des Kraftspeichers 90 dergestalt verwirklicht, dass von einem Ausgangswinkel cpo bis zu einem Grenzwinkel <pi einem Moment Ms von dem Kraftspeicher 90 zunächst ein dem Kraftspeichermoment Ms entgegenwirkendes Moment MA des Antriebes 60 aufgebracht wird, sodass sich die Überlagerung Mz zu im Wesentlichen 0 ergibt, sodass keine Beeinflussung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung hinsichtlich der Verschwenkbarkeit ergibt. Ab dem Grenzwinkel <pi wird der Antrieb 60 so angesteuert, dass das durch den Antrieb 60 aufgebrachte Moment MA betragsmäßig reduziert wird und im weiteren Verlauf von einem sich entgegenwirkenden Moment zu einem unterstützenden Moment wird, sodass das Moment MA des Antriebes und das Moment Ms des Kraftspeichers 90 in die gleiche Richtung wirken. Durch die Modulation der Kennlinie des Momentes Ms des Kraftspeichers 90 durch den Antrieb 60 ergibt sich die Kennlinie der Überlagerung Mz einer einseitigen, progressiven Feder. Erst bei Überschreiten des Grenzwinkels <pi ergibt sich ein Gesamtmoment oder eine Überlagerung Mz, die die Verschwenkbewegung beeinflusst.

In den Figuren 23 und 24 sind verschiedene Kennlinien und Winkelverläufe über die Zeit dargestellt, die zur Aufladung des Kraftspeichers 90 oder eines Energiespeichers bei einer Flexion des Gelenkes, beispielsweise bei einer Kniebeugung, auftreten. Die Bezeichnungen der Momente entsprechen den Bezeichnungen der vorgenannten Figuren, der Winkel <px ist der Kniewinkel. Die Momente, die auf den Antrieb in Gestalt eines elektrischen Motors und den Kraftspeicher wirken, werden mit MA und Ms bezeichnet. Die Momente an den jeweiligen Befestigungsstellen der Komponenten dem Oberteil bzw. Unterteil wirken entsprechend entgegengesetzt. Wird der mit dem Kniewinkel <PK gekoppelte Kraftspeicher geladen, wird normalerweise der Bewegung oder der Kniebeugung ein Moment entgegengesetzt, da an dem Kraftspeicher Arbeit verrichtet werden muss. In Kombination mit einem Motor kann die zu verrichtende Arbeit von dem Motor geleistet werden, sodass die Verschwenkbewegung des Oberteils relativ zu dem Unterteil nicht beeinflusst wird. Die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie kann dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben werden. Wirken der Kraftspeicher und der Motor bei der Energieabgabe in dieselbe Richtung, kann das Gesamtmoment Mz signifikant erhöht werden. In der Figur 23 wird zunächst der Kraftspeicher durch den Motor geladen. Zu Beginn der Flexionsbewegung ist der Kraftspeicher von dem Kniewinkel <PK entkoppelt, sodass durch den Kraftspeicher kein Moment generiert wird. In der Flexionsphase wird zunächst ein unterstützendes, in diesem Fall ein mit dem Kniewinkel zunehmendes Moment durch den Motor aufgebracht, um die Beugebewegung zu erleichtern. Ab dem Zeitpunkt ti wird der Kraftspeicher zugeschaltet. Eine weitere Kniebeugung mit einer Zunahme des Kniewinkels <px resultiert in einem Kraftanstieg in dem Kraftspeicher entsprechend seiner Kennlinie. Das Motormoment wird entsprechend so angepasst, dass das Moment des Kraftspeichers kompensiert wird. Das resultierende Moment als Überlagerung von dem Motormoment und dem Kraftspeichermoment entspricht dann dem gewünschten Verlauf für die Unterstützung der Beugebewegung. Die von dem Motor verrichtete Arbeit ist dabei größer als die an dem Kraftspeicher verrichtete Arbeit, wodurch der Verschwenkung des Oberteils relativ zu dem Unterteil kein Bewegungswiderstand entgegengebracht wird, sondern positive Arbeit verrichtet wird. Alternativ kann die Bewegung in der Beugung nicht unterstützt werden, beispielsweise würde das Motormoment so gewählt, dass sich die Momente von dem Motor und Kraftspeicher gegenseitig aufheben oder dass das Moment des Kraftspeichers hinreichend abgeschwächt wird. Nach dem Aufladen des Kraftspeichers wird der Kraftspeicher von der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung entkoppelt und ist unabhängig von dem Gelenkwinkel cpK, so dass die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie erhalten bleibt.

In der Figur 24 ist eine Entladung des Kraftspeichers dargestellt. Beim Entladen erzeugt der Kraftspeicher ein Extensionsmoment zwischen dem Oberteil und dem Unterteil und verrichtet Arbeit. Um das Extensionsmoment zu erhöhen, kann der Motor ein zusätzliches Extensionsmoment oder Streckmoment aufbringen, sodass das Gesamtmoment Mz über dem des Kraftspeichers liegt. Mit der Streckung, also einem sich verringernden Kniewinkel q>K, wird in der hier dargestellten Variante das Motormoment reduziert. Auch das Moment Ms durch den Kraftspeicher reduziert sich entsprechend der Kennlinie des Kraftspeichers, wodurch der dargestellte, abnehmende Momentenverlauf entsteht. Der Kraftspeicher ist vollständig entladen, bevor eine vollständige Streckung des Kniegelenkes erfolgt ist. Das Entkoppeln und das Einkoppeln des Kraftspeichers ermöglicht es dem Kraftspeicher, in jeweils unterschiedlichen Kniewinkelbereichen zu laden und zu entladen.

Die in den Figuren 23 und 24 dargestellten Phasen können auch unabhängig voneinander eingesetzt werden, wobei für ein Laden ein nicht vollständig geladener Kraftspeicher und für das Entladen ein nicht vollständig entladener Kraftspeicher Voraussetzung sind.

In der Figur 25 ist das Laden des Kraftspeichers im Verlauf einer Flexionsbewegung an einem künstlichen Kniegelenk dargestellt. Zunächst wirkt nur das Moment Ms des Kraftspeichers und das Kniemoment erhöht sich mit zunehmender Kniebeugung. Ab dem Zeitpunkt ti wird durch ein entgegengerichtetes Moment MA des Motors das Gesamtmoment MS begrenzt, wobei der Kraftspeicher weiter geladen wird. Alternativ kann der Kraftspeicher ohne Einsatz des Motors geladen werden, wobei in diesem Fall ein weiterer Momentenanstieg auftreten würde. Ein vollständig oder teilweise geladener Kraftspeicher kann von dem Gelenk entkoppelt werden, sodass unabhängig von dem Kniewinkel keine Veränderung in dem Kraftspeicher auftritt. Zu einem beliebigen Zeitpunkt kann der Kraftspeicher wieder eingekoppelt werden, um entweder den Kraftspeicher zu laden oder zur Unterstützung einer Bewegung zu entladen.

In der Figur 26 ist das Entladen des Kraftspeichers bei einer Streckbewegung dargestellt. Während der Kraftspeicher Arbeit verrichtet, wird gleichzeitig an dem Motor Arbeit verrichtet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Motor in dem Generatorbetrieb betrieben wird. In dem Generatorbetrieb kann die von dem Kraftspeicher geleistete Arbeit in elektrische Energie umgewandelt und in einem Akkumulator gespeichert werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die in dem Kraftspeicher gespeicherte Energie nicht für die Unterstützung der Bewegung benötigt wird. In der dargestellten Ausführungsform der Figur 26 wird der Motor so betrieben, dass das von dem Motor erzeugte Moment betragsmäßig im Wesentlichen so groß wie das Moment des Kraftspeichers ist, jedoch entgegengesetzt wirkt, wodurch sich die beiden Momente aufheben. Dadurch wird während des Entladens des Kraftspeichers die Bewegung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung nicht beeinflusst. Statt einer vollständigen Kompensation kann das Moment des Kraftspeichers auch abgeschwächt oder überkompensiert werden. Grundsätzlich ist es nicht notwendig, dass die von dem Motor im Bremsbetrieb erzeugte elektrische Energie gespeichert und zum Laden eines Akkumulators verwendet wird. Die Energie kann auch über Widerstände in Wärme umgewandelt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass für den Bremsbetrieb des Motors elektrische Energie aufgewendet wird. In diesem Fall dient das Moment des Motors vor allem dazu, das Streckmoment beim Entladen des Kraftspeichers hinreichend abzuschwächen, um ein kontrolliertes Entladen des Kraftspeichers zu erreichen. Ein Entladen des Kraftspeichers auf diese Art und Weise kann notwendig sein, wenn die gespeicherte Energie nicht benötigt wird und der Kraftspeicher für eine darauf folgende Bewegungsphase teilweise oder vollständig entladen sein muss.

Das Rekuperieren von Energie über einen Generator ist insbesondere bei hohen Drehzahlen des Generators effizient. Es ist daher vorgesehen, in Phasen möglichst hoher Drehzahl des Generators oder des Motors im Generatorbetrieb elektrische Energie zu rekuperieren, dies können Phasen mit hoher Kniewinkelgeschwindigkeit sein. Bei einer Ausführung mit einer variablen Übersetzung können auch Phasen mit einer hohen Übersetzung genutzt werden. Das Entladen des Kraftspeichers unter Nutzung der Rekuperation kann zeitverzögert erfolgen, sodass während der Rekuperation durch den Motor entsprechend hohe Drehzahlen des Motors vorliegen. Insbesondere das Aufladen des Kraftspeichers in der Standphase sowie das Entladen und Rekuperieren in der Schwungphase sind vorteilhaft. Auch für das Entladen sowie das Rekuperieren gemäß der Figuren 25 und 26 können die dargestellten Ansteuerungen unabhängig voneinander oder in Kombination angewendet werden.

Insbesondere ist es möglich, einen Energieaustausch zwischen dem Antrieb 60 und dem Kraftspeicher 90 da Energiespeicher herbeizuführen, wobei insbesondere der Kraftspeicher 90 über den Antrieb 60 geladen wird oder die beim Rekuperieren erzeugte elektrische Energie in dem Energiespeicher aufbewahrt wird, bis sie benötigt wird.

In der Figur 27 ist die Veränderung des Momentenverlaufes auf der Basis weiterer Eingangsvariablen dargestellt. Die Erzeugung eines Momentes über einen motorischen Antrieb ermöglicht es, das Moment nicht nur mit den gekoppelten Freiheitsgraden des Gelenkes zu variieren, sondern alternativ oder ergänzend ein anderes oder weiteres Eingangssignal oder mehrere andere oder weitere Eingangssignale für die Modulation zu benutzen. Insbesondere können Sensorwerte verwendet werden, um eine Modulation des Momentes vorzunehmen. Beispielsweise können der Absolutwinkel des Oberteils und/oder Unterteils und/oder Belastungsgrößen wie Kräfte, Momente und Hebelarme als weitere Eingangsvariable oder Eingangsvariablen verwendet werden. Es können auch Signale eines Mensch- Maschine-Interfaces oder einer künstlichen Intelligenz herangezogen werden. In der Figur 27 ist die Momentenkennlinie Mz als Superposition von parallel angeordnetem Kraftspeicher mit dem Moment MS und dem motorischen Antrieb mit dem Moment MA in einer Bewegungsphase dargestellt. Die Kennlinie Mz hängt dabei sowohl von dem aktuierten Freiheitsgrad, in dem dargestellten Beispiel dem Kniewinkel <p, als auch von einem zusätzlichen Signal X ab, zum Beispiel dem Absolutwinkel des Unterteils. Während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das von dem Kraftspeicher generierte Moment Ms nur von dem Gelenkwinkel <p abhängt, kann das Motormoment MA sowohl mit dem Gelenkwinkel <p als auch mit dem Absolutwinkel X variiert werden. Dargestellt in der Figur 27 ist eine Veränderung der Steifigkeit in der M- <p -Ebene mit dem zusätzlichen Eingangssignal X, also dem Absolutwinkel. Bei Xo wird das Moment Ms des Kraftspeichers durch den Motor mit dem Motormoment MA verstärkt (MA, XO) sodass sich in der Summe die Kennlinie Mz, Xo ergibt, während bei einem Absolutwinkel Xi eine Abschwächung des Gesamtmomentes (Mz, Xi) durch das Motormoment MA bei der Winkelstellung Xi erfolgt. Zwischen den beiden Werten von X kann die Kennlinie kontinuierlich angepasst werden, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anpassung linear ausgeführt. Die Abhängigkeit des Motormomentes MA mit der Eingangsvariable X kann jede beliebige stetige oder unstetige Form annehmen, auch ist es möglich, dass das Motormoment MA nur von der Eingangsvariable X abhängt. In der Figur 28 ist der Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen Absolutwinkel X, Gelenkwinkel cp, den Momenten MA von dem Antrieb und MS von dem Kraftspeicher sowie dem Gesamtmoment für die in der Figur 27 dargestellte Kennfläche aufgezeigt.

In der Figur 29 sind zwei Darstellungen einer weiteren Ausgestaltung der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung dargestellt. Die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung weist ein Oberteil 10 und ein Unterteil 20 auf, wobei das Unterteil 20 nur teilweise dargestellt ist. Es fehlen seitliche Strukturelemente, die zur Aufnahme von Zapfen oder Achselementen ausgebildet sind, sodass sich das Oberteil 10 um die Schwenkachse 15 relativ zu dem Unterteil 20 verschwenken lässt. Dem Oberteil 10 zugeordnet ist eine Rotationshydraulik als Widerstandseinrichtung 30. Innerhalb der Rotationshydraulik 30 ist eine Hydraulikkammer angeordnet, in der ein Schwenkkolben gelagert ist. Die Hydraulikkammer ist beispielsweise mit dem Unterteil 20 gekoppelt, während der Schwenkkolben mit dem Oberteil 10 gekoppelt ist, sodass bei einer Verschwenkung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 der Kolben innerhalb der Hydraulikkammer bewegt wird. Der Scheinkolben kann beispielsweise Star an einer Schwenkachse ausgebildet sein, die mit den Zapfen oder Achselementen zusammenfällt. Der Schwenkkolben unterteilt die Kammer in eine Extensionskammer und eine Flexionskammer, und Hydraulikfluid wird bei einer Verschwenkung von der einen Kammer in die andere Kammer bewegt.

Selbstverständlich kann der Schwenkkolben auch mit dem Unterteil 20 drehfest gekoppelt sein, während das Gehäuse mit dem Oberteil 10 drehfest gekoppelt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Ventileinheit der Rotationshydraulik 30 zugeordnet, in der Ventile 50 angeordnet sind, die das Strömungsverhalten des Fluides von der einen Kammer in die andere Kammer beeinflussen. Neben einem Stellventil kann ein Rückschlagventil oder können mehrere Stellventile bzw. Rückschlagventile vorhanden sein. Die Rotationshydraulik als Widerstandseinrichtung 30 kann über Servoventile angesteuert werden, um eine präzise Steuerung der Widerstandseinrichtung 30 zu ermöglichen. Innerhalb der Hydraulik kann ein Kraftspeicher angeordnet sein, beispielsweise eine Feder, die über ein weiteres Ventil angesteuert werden kann. Alternativ zu einer hydraulischen Dämpfereinrichtungen kann auch eine magnetorheologische Hydraulikbremse als rotatorisch wirkende Widerstandseinrichtung 30 oder eine reibungsbasierte Bremse eingesetzt werden. Innerhalb des Unterteils 20 ist ein Antrieb 60 in Gestalt eines Elektromotors angeordnet, der über eine Getriebeeinrichtung 70 mit dem Oberteil 10 gekoppelt ist. Die Getriebeeinrichtung 70 weist eine Kraftübertragungseinrichtung beispielsweise in Gestalt eines Zahnriemens, eines Keilriemens, einer Kette oder eines Seiles oder Zahnräder auf, um Kräfte von dem Antrieb 60 auf das Oberteil 10 übertragen zu können. Über die Getriebeeinrichtung 70 kann eine Übersetzung erreicht werden, wodurch das Antriebsmoment des Antriebes 60 für die jeweiligen Bedürfnisse anpassbar ist. Beispielsweise kann das Antriebsmoment erhöht werden, sodass kleine Antriebe 30 mit einer hohen Drehzahl eingesetzt werden können, um ein hohes Antriebsmoment zu erzeugen. Die Getriebeeinrichtung 70 ist schematisch dargestellt; die Antriebsräder oder Antriebscheiben zur Übertragung von Kräften und Momenten sowie die Riemen, Ketten, Zahnräder oder dergleichen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.

Der zusätzlich zu der Widerstandseinrichtung 30 vorhandene aktive Antrieb 60 liefert nicht nur Energie, um zusätzliche, aktive Funktion für den Anwender zur Verfügung zu stellen, sondern kann vorhandene konstruktive Nachteile der Widerstandseinrichtung 30 kompensieren. Beispielsweise kann die Grundreibung innerhalb der Widerstandseinrichtung 30 aufgehoben oder überkompensiert werden. Dadurch kann eine sehr gute interne Abdichtung des Schwenkkolbens in der Rotationshydraulik durch eine zusätzliche Dichtlippen realisiert werden, um das maximale Bremsmoment der Widerstandseinrichtung 30 in Gestalt einer Rotationshydraulik zu erhöhen. Die zusätzliche Dichtlippe innerhalb der Rotationshydraulik ohne aktiven Antrieb 60 würde dazu führen, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung aufgrund des hohen Grundwiderstandes nur schwer verschwenkbar ist, wodurch die Alltagstauglichkeit eingeschränkt wäre. Mit der Kompensation der zweiten Dichtlippe durch den Antrieb 60 können geringere Toleranzanforderungen an die übrigen Komponenten gestellt werden, ohne dass die Funktionsfähigkeit leidet, wodurch Herstellkosten eingespart werden können.

Mit dem dargestellten Konzept der Widerstandseinrichtung 30 im Bereich des Oberteils 10 oder des Gelenkskopfes und der Anordnung des Antriebs 60 distal beabstandet dazu kann der Bauraum in der Gelenkeinrichtung besser ausgenutzt werden. Zwischen dem Antrieb 60 und der Widerstandseinrichtung 30 ist zusätzlicher Bauraum vorhanden, um Energiespeicher oder dergleichen aufzunehmen. Ebenfalls kann die elektronische Steuerungseinrichtung dort untergebracht werden. Die Getriebeeinrichtung 70 ermöglicht eine weitgehend unabhängige Positionierung des Antriebs 60 von dem Gelenkkopf, sodass sich die fertigungstechnische Komplexität verringert. Die Kniegelenksachse kann durchgehend ausgebildet sein, beispielsweise mit der Achse, auf der der Schwenkkolben angeordnet oder ausgebildet ist, zusammenfallen, wodurch sich eine höhere Stabilität der Konstruktion ergibt.

In der Figur 30 ist ein Ausführungsbeispiel eines Kraftspeichers 90 dargestellt, mit dem ein progressives Einfederverhalten bereitgestellt werden kann. Der Kraftspeicher 90 ist aus mehreren Modulen 90 A, 90 B ausgebildet, die beiden seitlichen Module 90 A umgeben ein zentrales Modul 90 B. Die Module 90 A, 90 B sind in einer Ausgestaltung aus einem Polyurethan-Elastomer auf Polyesterbasis ausgebildet. Die Module 90 A, 90 B weisen unterschiedliche Längen auf, die äußeren Module 90 A sind länger als das zentrale Modul 90 B. Bei einer zylindrischen Ausgestaltung der Module 90 A, 90 B ist das äußere Modul 90 A mit einem ringförmigen Querschnitt ausgebildet, das zentrale Modul 90 B weist einen vorzugsweise zylindrischen Querschnitt auf, der dem Hohlraum oder zylindrischen Freiraum innerhalb des Moduls 60 A entspricht und diesen zumindest teilweise ausfüllt. Auch hier sind unterschiedliche Längen vorhanden, sodass zunächst das äußere Modul 90 A bei einer Krafteinwirkung in axialer Richtung komprimiert wird und bei Erreichen der Oberseite des inneren Moduls 90 B ein erhöhter Widerstand aufgrund der Kompression des inneren Moduls 90 B bereitgestellt wird. Dies führt zu einem Sprung in dem Widerstandsverhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung. Je nach Ausgestaltung der Module wird die Zunahme des Einfederwiderstandes größer oder kleiner sein, wenn das Innere Modul 90 B komprimiert wird. Durch Anpassung des Materials bzw. der Dimensionierung der Module 90 A, 90 B werden die Federcharakteristiken ebenso wie die Kraftspeicherfähigkeiten eingestellt.

Neben einem progressiven Federverhalten sind Kraftspeicher 90 aus einem Elastomermaterial dazu geeignet, ein lineares, oder bei entsprechender Formgebung und hoher Verformung degressives Federverhalten zu verwirklichen. Kraftspeicher 90 als Elastomermodule zeichnen sich durch eine hohe Überlastfestigkeit aus, sodass in vielen Anwendungen auf eine Wegbegrenzung oder einen Endanschlag verzichtet werden kann, um den Kraftspeicher zu schützen. Ein Elastomermaterial kann auch als Endanschlag für die Gelenkeinrichtung verwendet werden. Insbesondere bei einem Einsatz im Bereich eines Endanschlages für eine Gelenkeinrichtung kann ein progressives Federverhalten vorteilhaft sein, um Unstetigkeiten in einem Kraftverlauf zu vermeiden. Dadurch werden Kraftsprünge oder Momentensprünge vermieden und die mechanischen Belastungen verringert. Darüber hinaus verringert sich dadurch die Regelbarkeit des Systems und Geräuschentwicklungen werden reduziert.

Ein progressives Federverhalten kann in einem Ausführungsbeispiel durch eine gezielte Begrenzung der Verformung des Kraftspeichers in Gestalt eines Elastomermoduls erreicht werden, beispielsweise durch eine umliegende Begrenzungsstruktur. Wird ein zylindrisches Elastomermodul in einer zylindrischen Bohrung, die einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des unverformten Elastomermoduls hat, angeordnet, so wird nach der Überwindung des Spaltmaßes oder Freiraumes die natürliche Ausbauchung des Elastomermoduls begrenzt. Das Material des Elastomermoduls wird dadurch in eine andere Form gezwungen, nämlich in die Form der äußeren Begrenzung, wodurch der innere, lokale Verformungszustand in dem Elastomermaterial beeinflusst wird. Dies hat eine Versteifung des Elastomermoduls zur Folge. Neben einer außenliegenden Hülse mit einer Form des Innenraumes korrespondierend zur der Außenkontur des Elastomerelementes kann dieses Prinzip der Verformungsbegrenzung auch für beliebige, nicht zylindrische Außenkonturen und/oder Innenkonturen gelten. Durch gezielte Abweichungen zwischen der Außenkontur des Elastomermoduls und der Begrenzungsstruktur kann das Progressionsverhalten beeinflusst, insbesondere abgeschwächt werden.

In der Figur 31 ist eine schematische Darstellung eines Kraftspeicherelementes 90 in Gestalt eines Elastomermoduls innerhalb einer Hydraulik dargestellt. Die Hydraulik kann Teil einer passiven Widerstandseinrichtung 30 sein. Innerhalb eines Gehäuses 32 ist ein Zylinder 34 ausgebildet, in dem das Elastomermodul 90 angeordnet ist. Ein Ventil kann dem Zylinder 34 und dem Elastomermodul 90 vorgelagert sein. Das Elastomermodul 90 stützt sich auf einem Träger ab, sodass bei Aufbringen eines Druckes mit der Hydraulikflüssigkeit das Elastomerelement 90 komprimiert wird und sich an die Innenseite des Zylinders 34 angelegt. Dadurch wird der Abdichteffekt des Elastomerelementes erhöht, gegebenenfalls bis das Hydraulikfluid aus der zusätzlichen Ölkammer 34 nicht entweichen kann. Dadurch wird der Progressionseffekt weiterhin verstärkt. Um eine übermäßige Progression zu vermeiden und gegebenenfalls einen minimalen Hydraulikstrom aufrechtzuerhalten, können Überströmkanäle für das Hydraulikfluid an dem seitlichen Umfang und/oder innerhalb des Elastomermoduls in Gestalt einer Bohrung oder mehrerer Bohrungen ausgebildet sein. In der Figur 32 ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen Elastomermoduls als Kraftspeicherelement 90 gezeigt. Das Kraftspeicherelement 90 ist als im Wesentlichen zylindrisches Elastomermodul ausgebildet und weist an dem Außenumfang drei Überstromkanäle 690 für das Hydraulikfluid auf. Ein solches

Kraftspeicherelement 90, insbesondere auch in Kombination mit einem Hydrauliksystem, das über Ventile gesteuert ist, kann sowohl bei Linearhydrauliken als auch bei Rotationshydrauliken eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20) die um eine Schwenkachse (15) verschwenkbar zueinander aneinander gelagert sind und zumindest einer Widerstandseinrichtung (30), die zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet ist, die Widerstandseinrichtung (30) ist zur Beeinflussung einer Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils (10) relativ zu dem Unterteil (20) eingerichtet, dadurch gekennzeichnet, dass ein motorischer Antrieb (60) und zumindest ein Kraftspeicher (90) zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet sind, die ausgebildet und eingerichtet sind, eine Verschwenkung oder Verschwenkbarkeit des Oberteils (10) relativ zu dem Unterteil (20) zu bewirken, zu unterstützen oder zu behindern.

2. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (30) und/oder der Kraftspeicher (90) einstellbar und/oder entkoppelbar ausgebildet sind.

3. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (30) ein Gehäuse (32) mit einem Zylinder (34) aufweist, in dem ein Kolben (36) verlagerbar gelagert ist und den Zylinder (34) in zwei Kammern (341 , 342) unterteilt, zwischen denen zumindest eine strömungstechnische Verbindung (40) ausgebildet ist, in der zumindest ein verstellbares Ventil (50) angeordnet ist, insbesondere ein Mehrwege-Ventil mit einer geschlossenen Schaltstellung, einer geöffneten Schaltstellung und zumindest einer teilweise geöffneten Schaltstellung.

4. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinrichtung (30) als Lineardämpfer oder Rotationsdämpfer ausgebildet ist.

5. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) als Elektromotor ausgebildet und über ein Getriebe (70) mit dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) gekoppelt ist.

6. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandseinrichtung (30) und/oder dem Kraftspeicher (90) und/oder dem Antrieb (60) eine Steuerung (80) zugeordnet ist, die mit zumindest einem Sensor (95) gekoppelt und eingerichtet ist, die Widerstandseinrichtung (30) und/oder den Kraftspeicher (90) und/oder den Antrieb (60) auf Grundlage der Sensorwerte zu aktivieren, zu deaktivieren und/oder zu modulieren.

7. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) als Feder oder Druckspeicher ausgebildet ist.

8. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feder eine Einstellvorrichtung zur Verstellung der Federvorspannung und/oder Federsteifigkeit zugeordnet ist.

9. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckspeicher als Einstellvorrichtung eine Pumpe und/oder ein Ventil zugeordnet sind.

10. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung der Antrieb (60) ist.

11. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) und der Antrieb (60) parallel wirksam zueinander angeordnet sind.

12. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) und die Widerstandseinrichtung (30) in Serie geschaltet sind.

13. Verfahren zur Steuerung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) zur Beeinflussung des Widerstandes parallel zu der Widerstandseinrichtung (60) und dem Kraftspeicher (90) betrieben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) und/oder der Kraftspeicher (90) und/oder die Widerstandseinrichtung (30) auf der Grundlage von Sensordaten aktiviert, deaktiviert und/oder moduliert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Gesamtcharakteristik ausgehend von der Charakteristik der Widerstandseinrichtung (30) und/oder Kraftspeichers (90) durch den Antrieb (60) erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwandlung von im Kraftspeicher (90) gespeicherter Energie in elektrische Energie über den Antrieb (60) und umgekehrt erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher (90) entkoppelt und in einem geladenen Zustand gehalten wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (60) so betrieben wird, dass die Wirkung der Widerstandseinrichtung (30) aufgehoben wird.