DE29723632U1 - Computer controlled hydraulic resistance device for a prosthesis and other devices - Google Patents
Computer controlled hydraulic resistance device for a prosthesis and other devicesInfo
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Description
SCHROETER FLEUCHAUS LEHMANN & dALLCJ *!SCHROETER FLEUCHAUS LEHMANN & dALLCJ *!
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WOLFRATSHAUSER STR. 145 ■ D-81479 MUNICH
Mauch, Inc. 14. September 1998 Mauch, Inc. September 14, 1998
Unser Zeichen: jx-ma-10 AL/ho/pe Our reference: jx-ma-10 AL/ho/pe
Computergesteuerte hydraulische Widerstandseinrichtung
für eine Prothese und andere VorrichtungenComputer-controlled hydraulic resistance device
for a prosthesis and other devices
Die vorliegende Erfindung ist ideal geeignet zur Verwendung mit einem künstlichen Bein oder einer Prothese, die von einem bis über das Knie Amputierten getragen wird, wobei sie aber auch andere Anwendungen und Verwendungen ermöglicht. Normalerweise umfaßt diese Art von Prothesen ein künstliches Kniegelenk, das eine Fassung zum Aufnehmen und Ergreifen des Stumpfs des Benutzers, eine Knieklammer, die starr mit der Fassung verbunden ist, sowie einen Rahmen aufweist, der sich von der Klammer nach unten erstreckt und durch einen waagerechten Schaft verschwenkbar mit der Klammer verbunden ist. Ein Stamm und ein künstlicher Fuß sind mit dem Grundteil des Rahmens verbunden, und eine Steuerungseinheit ist angeschlossen, um das Kniegelenk zu verriegeln, um zu verhindern, daß es unter Belastung in der Stellungs- oder Haltungsphase eines Schritts einknickt, und um das Kniegelenk in der Schwingphase des Schritts freizugeben. Vorzugsweise steuert die Prothese das Kniegelenk in einer solchen Weise, daß der Amputierte mit einer normalen oder natürlich erscheinenden Gangart gehen kann. Diese Gangart ist gekennzeichnet durch nahezu identische Bewegungen, die bei veränderlichen Gehgeschwindigkeiten von beiden unteren Gliedern ausgeführt werden.The present invention is ideally suited for use with an artificial leg or prosthesis worn by a above-the-knee amputee, but also allows for other applications and uses. Typically, this type of prosthesis comprises an artificial knee joint having a socket for receiving and gripping the user's stump, a knee brace rigidly connected to the socket, and a frame extending downward from the brace and pivotally connected to the brace by a horizontal shaft. A trunk and an artificial foot are connected to the base of the frame, and a control unit is connected to lock the knee joint to prevent it from collapsing under load in the stance or posture phase of a step and to release the knee joint in the swing phase of the step. Preferably, the prosthesis controls the knee joint in such a way that the amputee can walk with a normal or natural-appearing gait. This gait is characterized by almost identical movements performed by both lower limbs at varying walking speeds.
Das biologische oder natürliche Kniegelenk wird durch die Wirkungen von Muskeln angetrieben. Jeder Muskel entwickelt eine aktive Kraft durch Kontraktion und ermöglicht außerdem eine veränderliche Steifigkeit oder einen Widerstand. Es ist nicht möglich gewesen, die Muskelkontraktion bei Beinprothesen nachzuahmen, bedingt durch das Gewicht und dasThe biological or natural knee joint is powered by the actions of muscles. Each muscle develops an active force through contraction and also allows for variable stiffness or resistance. It has not been possible to imitate muscle contraction in leg prostheses due to the weight and
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Volumen, die erforderlich wären, um diese Funktion nachzuahmen. Die Forschung hat sich darauf konzentriert, eine Steifigkeit oder einen Widerstand auf die Drehung des Kniegelenks auszuüben. Normalerweise umfaßt dieses ein Umschalten des Kniegelenks in eine von zwei Betriebsarten, nämlich verriegelt oder frei für ein Drehen. Die verriegelte Betriebsart tritt während der Stellungsphase des Gehzyklus auf, und die für ein Verdrehen freie Betriebsart tritt während der Schwingphase des Gehzyklus auf. Die Stellungsphase ist gegeben, wenn sich der Fuß der Prothese auf dem Boden befindet, und die Schwingphase ist während der Zeit gegeben, wenn der Fuß der Prothese vom Boden abgehoben ist.volumes that would be required to mimic this function. Research has focused on applying a stiffness or resistance to rotation of the knee joint. Typically, this involves switching the knee joint into one of two modes, namely locked or free to rotate. The locked mode occurs during the stance phase of the walking cycle, and the free to rotate mode occurs during the swing phase of the walking cycle. The stance phase is when the prosthetic foot is on the ground, and the swing phase is when the prosthetic foot is off the ground.
Ein Großteil der Forschung in vergangenen Jahren hat Verbesserungen bei der Steuerung eines künstlichen Kniegelenks in der Art gesucht, den Gang zu verbessern und es dem Amputierten zu ermöglichen, mit Situationen wie beispielsweise dem Herabsteigen von Treppen oder Rampen oder dem Herablassen in eine sitzende Position umzugehen. Wenn ein Kniegelenk als einfaches Gelenk angesehen wird, gibt es zwei verschiedene Vorgänge, die auftreten. Während des Beugens bewegen sich der obere und der untere Abschnitt während der Drehung des Kniegelenks näher zueinander hin. Während des Streckens richtet sich das Bein gerade aus und die Abschnitte bewegen sich auseinander. Damit ein prothetisches Kniegelenk ein biologisches Knie kopiert, ist es erforderlich, den Widerstand gegenüber der Drehung in jeder Richtung unabhänig und veränderlich zu steuern. Dieser Widerstand gegenüber der Drehung während der Schwingphase kann durch einen mechanischen Dämpfer oder eine Reibungseinrichtung, einen pneumatischen Dämpfer oder einen hydraulischen Dämpfer bewerkstelligt werden. In der Prothetik ist es allgemein anerkannt, daß ein hydraulischer Dämpfer den reibungslosesten Vorgang über einen größeren Bereich von Gehgeschwindigkeiten ermöglicht.Much of the research in recent years has sought improvements in the control of an artificial knee joint in ways that improve gait and enable the amputee to cope with situations such as descending stairs or ramps or lowering into a sitting position. If a knee joint is considered a simple joint, there are two distinct processes that occur. During flexion, the upper and lower sections move closer together as the knee joint rotates. During extension, the leg straightens and the sections move apart. In order for a prosthetic knee joint to replicate a biological knee, it is necessary to independently and variably control the resistance to rotation in each direction. This resistance to rotation during the swing phase can be accomplished by a mechanical damper or friction device, a pneumatic damper, or a hydraulic damper. It is generally accepted in prosthetics that a hydraulic damper provides the smoothest operation over a wider range of walking speeds.
Die Stellungsphasensteuerung muß einen sehr großen Widerstand gegen das Beugen ausüben oder jegliche Drehung gegenüber einem Beugen vollständig verriegeln. Die Stellungssteuerung wird normalerweise durch einen gewichtsaktivierten mechanischen Verriegelungsbremsmechanismus bewerkstelligt oder durch ein stellungsaktiviertes polyzentrisches Verbindungssystem oder durch einen stellungsaktivierten hydraulischen Dämpfer. Bei mechanischen Bremsmechanismen kann es schwierig sein, diese korrekt eingestellt zu halten, und sie können bewirken, daß der Amputierte mit einer etwas unnatürlichen Gangart geht. Stellungsaktivierte polyzentrische Mechanismen erfordern mehr Konzentration, und für Amputierte kann es schwierig sein, diese in bestimmten Situationen zu verwenden. Hydraulische Dämpfer erfordern mehr Konzentration und Training bei dem Amputierten, wobei sie eine natürlichere Gangart ermöglichen.The stance phase control must provide very high resistance to bending or completely lock any rotation against bending. The stance control is usually accomplished by a weight-activated mechanical locking brake mechanism or a position-activated polycentric linkage system or a position-activated hydraulic damper. Mechanical brake mechanisms can be difficult to keep correctly adjusted and can cause the amputee to walk with a somewhat unnatural gait. Position-activated polycentric mechanisms require more concentration and can be difficult for amputees to use in certain situations. Hydraulic dampers require more concentration and training from the amputee while allowing a more natural gait.
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US-Patente 5,405,409 und 5,443,521, die für den Anmelder der vorliegenden Erfindung erteilt wurden, offenbaren einen hydraulischen Dämpfer linearer Art zum Steuern einer oberhalb des Knies ansetzenden Prothese, Dieser hydraulische Dämpfer hat einen unabhängig einstellbaren und veränderlichen Widerstand in der Beugung und der Streckung während der Schwingphase des Gehzyklus. Aufgrund der turbulenten Strömung des Hydraulikfluids während der Schwingphase kann sich dieser Dämpfer einem großen Bereich von Gehgeschwindigkeiten anpassen. Der Steuerungsdämpfer hat eine einzige Dämpfungsrate in der Stellungsphase, die für die Bedürfnisse jedes einzelnen Amputierten manuell eingestellt werden kann. Wenn das Kniegelenk vollständig ausgestreckt ist, nimmt der Dämpfer eine Nicht-Stellungswiderstandsbetriebsart ein. Diese positionsaktivierte Stellungsphase kann anfänglich zusätzliches Gehtraining und Konzentration auf Seiten des Amputierten erfordern, um den vollständigen Vorteil des Dämpfers zu erhalten.U.S. Patents 5,405,409 and 5,443,521, issued to the assignee of the present invention, disclose a linear type hydraulic damper for controlling an above-the-knee prosthesis. This hydraulic damper has an independently adjustable and variable resistance in flexion and extension during the swing phase of the walking cycle. Due to the turbulent flow of hydraulic fluid during the swing phase, this damper can accommodate a wide range of walking speeds. The control damper has a single damping rate in the stance phase that can be manually adjusted to suit the needs of each individual amputee. When the knee joint is fully extended, the damper enters a non-stance resistance mode of operation. This position-activated stance phase may initially require additional walking training and concentration on the part of the amputee to obtain the full benefit of the damper.
In jüngerer Zeit wurde Elektronik in der Prothetik der unteren Extremitäten eingeführt, in einem Versuch, das Gehen für den Amputierten einfacher zu machen. Beispielsweise offenbaren US-Patente 5,062,856, 5,383,939 und 5,571,205 zwei Systeme, die eine Mikroprozessorsteuerung verwenden, um den Widerstand in einem pneumatischen oder hydraulischen Zylinder während der Schwingphase einzustellen, in einem Versuch, eine Steuerung der Drehung des Kniegelenks über einen größeren Bereich von Gehgeschwindigkeiten zu bewerkstelligen, als es mit herkömmlichen pneumatischen oder Reibungsdämpfern möglich ist.More recently, electronics have been introduced into lower limb prosthetics in an attempt to make walking easier for the amputee. For example, US patents 5,062,856, 5,383,939 and 5,571,205 disclose two systems that use microprocessor control to adjust the resistance in a pneumatic or hydraulic cylinder during the swing phase in an attempt to provide control of the rotation of the knee joint over a wider range of walking speeds than is possible with conventional pneumatic or friction dampers.
Eine weitere Verbesserung in dem Gang des Amputierten könnte von einem Mechanismus kommen, der am Anfang der Stellungsphase einen kleinen Betrag an Kniebeugung zulassen würde und dann gegen weitere Beugung verriegeln würde, während gleichzeitig eine Kniestreckung zugelassen würde, wenn sich das Bein aufgrund der Körperbewegung ausstreckt. Ein derartiger Mechanismus wird beschrieben von Siegmar et al. in "Design Principles, Biomechanical Data and Clinical Experience with a Polycentric Knee Offering Controlled Stance Phase Knee Flexion: A Preliminary Report", Journal of Prosthetics and Ortho tics, Vol. 9, Nr. 1, Seiten 18-24, Winter 1997, und von Popvic et al. in "Optimal Control for an Above-knee Prosthesis with Two Degrees of Freedom", J. Biomechanics, Vol. 28, Nr. 1, Seiten 89 - 98, 1995.A further improvement in the amputee's gait could come from a mechanism that would allow a small amount of knee flexion at the beginning of the stance phase and then lock against further flexion while allowing knee extension as the leg extends due to body motion. Such a mechanism is described by Siegmar et al. in "Design Principles, Biomechanical Data and Clinical Experience with a Polycentric Knee Offering Controlled Stance Phase Knee Flexion: A Preliminary Report", Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol. 9, No. 1, pp. 18-24, Winter 1997, and by Popvic et al. in "Optimal Control for an Above-knee Prosthesis with Two Degrees of Freedom", J. Biomechanics, Vol. 28, No. 1, pp. 89-98, 1995.
Ein Amputierter benötigt während des Heruntergehens einer Treppe einen anderen Widerstand gegenüber einer Kniebeugung, als er erforderlich ist, wenn er sich in einen Stuhl setzt. Demnach ist es wünschenswert, daß eine Steuerungseinrichtung in der Lage ist, diese unterschiedlichen Widerstände gegenüber einer Kniebeugung automatisch zu liefern. Die Steue-An amputee requires a different resistance to knee flexion when going down stairs than is required when sitting down in a chair. It is therefore desirable for a control device to be able to automatically provide these different resistances to knee flexion. The control
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rungseinrichtung sollte außerdem einen Schwingungswiderstand über einen großen Bereich von Gehgeschwindigkeiten ermöglichen. Alles dieses sollte automatisch erfolgen, so daß der Amputierte gehen kann, ohne über seine Prothese nachdenken zu müssen.The device should also provide vibration resistance over a wide range of walking speeds. All of this should be automatic so that the amputee can walk without having to think about his prosthesis.
Die gleiche Art eines computergesteuerten hydraulischen Dämpfungssystems, das bei Amputierten verwendet werden kann, kann auch bei anderen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise bei Robotersystemen, Bremssystemen und Trainingsgeräten. Diese Anwendungen unterscheiden sich lediglich in der Größe des Antriebs, um den aufgebrachten Maximalwiderstand zu steuern. Sie können alle die gleichen Sensoren, mikroprozessorgesteuerte Elektronik und Ventiltechnologie verwenden. Computergesteuerte Trainingsgeräte sind offenbart in den US-Patenten 4,354,676, 4,711,450, 4,919,418, 5,230,672 und 5,397,287. Bei jeder derartigen Vorrichtung ist es jedoch wünschenswert, in der Lage zu sein, einen genau aufgebrachten Widerstand über einen großen Bereich von Temperatur- und Herstellungstoleranzen aufrecht zu erhalten. Es ist außerdem wünschenswert, eine geeignete Rückkopplungssteuerung . sowie ein hydraulisches Ventil und einen Regler zu haben, die für relativ niedrige Betriebsgeschwindigkeiten ausgelegt sind.The same type of computer-controlled hydraulic damping system that can be used in amputees can also be used in other applications, such as robotic systems, braking systems, and exercise equipment. These applications differ only in the size of the actuator to control the maximum resistance applied. They can all use the same sensors, microprocessor-controlled electronics, and valve technology. Computer-controlled exercise equipment is disclosed in U.S. Patents 4,354,676, 4,711,450, 4,919,418, 5,230,672, and 5,397,287. However, in any such device it is desirable to be able to maintain an accurately applied resistance over a wide range of temperature and manufacturing tolerances. It is also desirable to have an appropriate feedback control and a hydraulic valve and regulator designed for relatively low operating speeds.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine computergesteuerte geschlossene (closed-loop) elektromechanische Widerstandseinrichtung gerichtet. Eine Anwendung der Vorrichtung ist es, einen Schwingungswiderstand für die Knieeinheit einer Prothese für die unteren Gliedmaßen zu schaffen, wie sie von einem bis über das Knie Amputierten getragen wird. Andere Anwendungen der Erfindung umfaßen Rehabilitationseinrichtungen, Trainingsgeräte, Bremsvorrichtungen oder verschiedene andere Dämpfungsanwendungen.The present invention is directed to a computer controlled closed-loop electromechanical resistance device. One application of the device is to provide vibration resistance for the knee unit of a lower limb prosthesis as worn by an above-the-knee amputee. Other applications of the invention include rehabilitation devices, exercise equipment, braking devices, or various other dampening applications.
Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung weist die Einrichtung einen Rotationsschaufel- oder Flügelrotor oder -antrieb auf. Wenn das Rotationsflügelrad gedreht wird, wird Hydraulikfluid durch ein elektronisch gesteuertes Ventil von einer Seite des Flügelrads zu der gegenüberliegenden Seite des Flügelrads gedrückt. Wenn die Drehung umgekehrt wird, kehrt sich die Richtung des Hydraulikfluids um, und es fließt zurück durch das gleiche Ventil. Die Computersteuerung des Ventils bewirkt ein veränderliches Druckdifferential von einer Seite des Rotationsflügels zu der anderen Seite. Das veränderliche Druckdifferential wird als ein veränderlicher Widerstand an dem Rotationsflügel aufgenommen. Die Widerstandsvorrichtung der Erfindung kann jedoch auch mit gleicher Wirksamkeit bei einem Antrieb linearer Art angewendet werden.According to a preferred embodiment of this invention, the device comprises a rotary vane or blade rotor or drive. When the rotary vane is rotated, hydraulic fluid is forced through an electronically controlled valve from one side of the impeller to the opposite side of the impeller. When rotation is reversed, the direction of the hydraulic fluid is reversed and it flows back through the same valve. Computer control of the valve causes a variable pressure differential from one side of the rotary vane to the other side. The variable pressure differential is received as a variable resistance on the rotary vane. However, the resistance device of the invention can also be applied with equal effectiveness to a linear type drive.
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Das in der Vorrichtung verwendete Ventil ist ein proportional geregeltes, Solenoid-betätigtes, ausgeglichenes Spulen- oder Steuerventil. Die Form der Spule oder Trommel ist derart, daß eine Strömung quer über die Fläche der Spule nur eine kleine oder keine Auswirkung auf die Spulenbewegung hat, wodurch jegliche Möglichkeit unausgeglichener strömungsinduzierter Kräfte beseitigt wird. Die Ventilspule ist außerdem druckausgeglichen, um jegliche Möglichkeit eines hydraulischen Blockierens zu beseitigen. Der magnetische Kern des Ventils ist so ausgebildet, daß eine nahezu konstante Kraft in dem Arbeitstakt der Spule erzeugt wird, wenn konstante Leistung zugeführt wird. Die Ventilsteuerung umfaßt ein Hochfrequenz-Zittersignal, um ein Zurückbleiben der Spule zu verhindern, und eine Proportionalregelung ist vorgesehen, um jegliche große Verschleißrate zu minimieren, wie sie normalerweise mit einer pulsbreitenmodulierten Regelung verbunden ist.The valve used in the device is a proportionally controlled, solenoid operated, balanced spool or control valve. The shape of the spool or barrel is such that flow across the face of the spool has little or no effect on spool movement, thus eliminating any possibility of unbalanced flow induced forces. The valve spool is also pressure balanced to eliminate any possibility of hydraulic locking. The magnetic core of the valve is designed to produce a nearly constant force in the duty cycle of the spool when constant power is supplied. The valve control includes a high frequency dither signal to prevent spool lag and proportional control is provided to minimize any large wear rate normally associated with pulse width modulated control.
Die in der Vorrichtung verwendete Ventilsteuerung ist eine mikroprozessorgestützte, geschlossene, adaptive Regelung. Der Mikroprozessor nimmt das Druckdifferential an dem Antrieb oder Rotorflügelrad, die Rotorstellung, eine Hilfskraft sowie einen Druckdifferentialfehler in Intervallen von 1 ms (1.000 Hz) auf. Der Mikroprozessor berechnet die Rotorstellung, die Rotorgeschwindigkeit sowie die Rotorrichtung in Intervallen von 10 ms (100 Hz). Auf der Grundlage dieser Information berechnet der Mikroprozessor den erforderlichen Rotorwiderstand (Druckdifferential) auf der Grundlage von Zustandsgieichungen, wodurch eine sich automatisch einstellende Widerstandseinrichtung geschaffen wird. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential groß ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in großen Schritten, um diesen großen Fehler zu kompensieren. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential klein ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in kleinen Schritten, um diesen kleinen Fehler zu kompensieren. Indem eine Druckrückkopplung für den geschlossenen Regelkreis verwendet wird, ist das Regelsystem in der Lage, Bearbeitungstoleranzen, Ventilsolenoid-Widerstandsveränderungen, eine unterschiedliche Fluidviskosität, Temperaturauswirkungen und Verschleiß zu kompensieren. Konstante in den Zustandsgieichungen passen sich für eine adaptive Regelung mit Veränderungen in der Systembetriebsumgebung an.The valve control used in the device is a microprocessor-based, closed-loop, adaptive control. The microprocessor receives the pressure differential across the drive or rotor impeller, the rotor position, an auxiliary force, and a pressure differential error at 1 ms intervals (1,000 Hz). The microprocessor calculates the rotor position, the rotor speed, and the rotor direction at 10 ms intervals (100 Hz). Based on this information, the microprocessor calculates the required rotor resistance (pressure differential) based on state equations, thereby creating an automatically adjusting resistance device. If the difference between the actual and the required pressure differential is large, the microprocessor changes the valve in large steps to compensate for this large error. If the difference between the actual and the required pressure differential is small, the microprocessor changes the valve in small steps to compensate for this small error. By using pressure feedback for the closed loop, the control system is able to compensate for machining tolerances, valve solenoid resistance changes, varying fluid viscosity, temperature effects and wear. Constants in the equations of state adjust for adaptive control with changes in the system operating environment.
Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung als eine Kniesteuerungseinheit für eine bis über das Knie amputierte Person verwendet wird, ermittelt die Steuerungseinheit fünf nennenswerte Punkte in einem typischen Gehzyklus. Die zwei Hauptbereiche eines Gehzyklus sind die Haltungs- oder Stellungsphase und die Schwingphase. Die Stellungsphase ist der Zeitbereich, in dem sich die Prothese in Kontakt mit dem Boden befindet. Die Schwingphase ist der Zeitbereich, in dem sich die Prothese nicht in Kontakt mit dem Boden befindet. Der ersteWhen the device according to the invention is used as a knee control unit for a person with an above-the-knee amputation, the control unit determines five significant points in a typical walking cycle. The two main areas of a walking cycle are the stance or posture phase and the swing phase. The posture phase is the time period in which the prosthesis is in contact with the ground. The swing phase is the time period in which the prosthesis is not in contact with the ground. The first
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betrachtete Hauptpunkt ist der Fersenschlag bzw. das Fersenaufsetzen, was den Beginn der Stellungsphase darstellt. Dieses ist der Punkt, an dem die Prothese den Boden zum ersten Mal berührt und nicht länger in der Luft schwingt. An diesem Punkt muß die Prothese stabil sein, so daß sie nicht einbricht, wenn das Gewicht der amputierten Person von dem anderen Bein übertragen wird.The main point considered is the heel strike, which is the beginning of the stance phase. This is the point at which the prosthesis first touches the ground and no longer swings in the air. At this point the prosthesis must be stable so that it does not collapse when the amputee's weight is transferred to the other leg.
Eine nachgebende Stellung ist für diese Situation ideal, in der ein großer Widerstand aufgebracht wird, um den Amputierten zu unterstützen, wobei es der Prothese jedoch gestattet wird, sich leicht zu biegen. Idealerweise sollte sich die Prothese um 10° verbiegen, so daß der Amputierte nicht über eine vollständig ausgestreckte Prothese springen muß. Diese Beugung von 10° während der Stellung ist der zweite Punkt der Betrachtung. An diesem Punkt beginnt sich die Prothese auszustrecken, während sich der Amputierte selbst vorwärts bewegt. Während dieser Vorwärtsbewegung streckt sich die Prothese vollständig aus. Nach der Vorwärtsbewegung ist der dritte Punkt die Einleitung der Beugung, bei der der Amputierte beginnt, die Prothese durch ein Beugen der Hüfte vorwärts zu bewegen. Der vierte Punkt liegt vor, wenn der Zeh entfernt wird, wobei die Prothese den Boden verläßt. Dieses ist der Beginn der Schwingphase.A yielding stance is ideal for this situation, where a great deal of resistance is applied to support the amputee, but the prosthesis is allowed to flex slightly. Ideally, the prosthesis should flex 10° so that the amputee does not have to jump over a fully extended prosthesis. This 10° flexure during the stance is the second point of consideration. At this point, the prosthesis begins to extend as the amputee moves himself forward. During this forward movement, the prosthesis fully extends. After the forward movement, the third point is the initiation of flexion, where the amputee begins to move the prosthesis forward by flexing the hip. The fourth point is when the toe is removed, with the prosthesis leaving the ground. This is the beginning of the swing phase.
Während der Schwingphase liefert die Kniesteuerungseinheit einen beträchtlichen Widerstand, um die Schwinggeschwindigkeit und den Betrag der Winkelbewegung des unteren Abschnitts der Prothese zu begrenzen. Idealerweise sollte sich das Knie während der Schwingphase nicht mehr als 65° verbiegen. Dieses kann bewerkstelligt werden, indem ein großer Widerstand ausgeübt wird, um den Betrag des Fersenanhebens zu begrenzen. Aufgrund der Bewegungsenergie der Prothese beginnt sich die Kniesteuerungseinheit auszustrecken, während sie durch die Luft schwingt. Der fünfte Punkt der Betrachtung ist die abschließende Verzögerung. Diese tritt kurz vor dem Fersenschlag während der letzten wenigen Grade des Ausstreckens auf, während denen ein großer Widerstand aufgebracht werden muß, um jeglichen harten Knieschlag zu begrenzen, wenn die Prothese die Ausstreckungsanschläge beruht.During the swing phase, the knee control unit provides a significant amount of resistance to limit the swing speed and amount of angular movement of the lower portion of the prosthesis. Ideally, the knee should not bend more than 65° during the swing phase. This can be accomplished by applying a large amount of resistance to limit the amount of heel lift. Due to the kinetic energy of the prosthesis, the knee control unit begins to extend as it swings through the air. The fifth point to consider is the final deceleration. This occurs just before heel strike during the last few degrees of extension, during which a large amount of resistance must be applied to limit any hard knee strike as the prosthesis rests the extension stops.
Um die Kniesteuerungseinheit zu regeln, nimmt der Mikroprozessor der Erfindung das Druckdifferential an dem Rotorflügelrad, die Kniestellung, den Druckdifferentialfehler und die prothetische Kraft in Intervallen von 1 ms (1.000 Hz) auf. Der Mikroprozessor berechnet die Kniestellung, die Kniegeschwindigkeit, die Knierichtung und nimmt Benutzereinstellungen (1-10) für die Beugung und Ausstreckung in Intervallen von 10 ms (100 Hz) auf. Die Benutzereinstellungen für die Beugung und Streckung bilden einen Nutzungsbereich, und die adaptive Regelung nimmt eine Feinabstimmung der Einheit von dieser Grundlinie aus vor.To control the knee control unit, the microprocessor of the invention records the pressure differential on the rotor impeller, knee position, pressure differential error and prosthetic force at 1 ms intervals (1,000 Hz). The microprocessor calculates knee position, knee velocity, knee direction and records user settings (1-10) for flexion and extension at 10 ms intervals (100 Hz). The user settings for flexion and extension form a range of use and the adaptive control fine-tunes the unit from this baseline.
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Auf der Grundlage dieser Informationen berechnet der Mikroprozessor den erforderlichen Kniewiderstand (Druckdifferential) auf der Grundlage von Zustandsgieichungen, wodurch eine sich automatisch einstellende Kniesteuerungseinheit geschaffen wird.Based on this information, the microprocessor calculates the required knee resistance (pressure differential) based on state equations, creating an automatically adjusting knee control unit.
Konstante in den Zustandsgieichungen sind in der Lage, sich an Veränderungen in der Systembetriebsumgebung anzupaßen. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential groß ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in großen Schritten, um diesen großen Fehler zu kompensieren. Wenn die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem geforderten Druckdifferential klein ist, verändert der Mikroprozessor das Ventil in kleineren Schritten, um diesen kleinen Fehler zu kompensieren. Wenn sich der Kniewinkel streckt und einer vollständigen Streckung annähert, beginnt der Mikroprozessor, das Ventil zu schließen, um einen großen Widerstand zu erzeugen und die Prothese in der Streckrichtung zu verlangsamen. Wenn sich der Kniewinkel beugt und der idealen Fersenanhebung annähert, beginnt der Mikroprozessor, das Ventil zu schließen, um einen großen Widerstand zu erzeugen und die Prothese in der Beugungsrichtung zu verlangsamen. Die gemessene prothetische Kraft gestattet es dem Mikroprozessor, zwischen den Zuständen Fersenschlag, Stellungsmitte oder Zehabheben zu unterscheiden. Dieses unterstützt den Amputierten beim Herabsteigen von Treppen, indem ein großer Kniewiderstand erzeugt wird und der Amputierte zu der nächsten Stufe herabgelassen wird, indem sein eigenes Gewicht eingesetzt wird.Constants in the state equations are able to adapt to changes in the system operating environment. If the difference between the actual and the required pressure differential is large, the microprocessor changes the valve in large increments to compensate for this large error. If the difference between the actual and the required pressure differential is small, the microprocessor changes the valve in smaller increments to compensate for this small error. As the knee angle extends and approaches full extension, the microprocessor begins to close the valve to create a large resistance and slow the prosthesis in the extension direction. As the knee angle flexes and approaches the ideal heel lift, the microprocessor begins to close the valve to create a large resistance and slow the prosthesis in the flexion direction. The measured prosthetic force allows the microprocessor to distinguish between heel strike, mid-stance or toe-off states. This assists the amputee in descending stairs by creating a large knee resistance and lowering the amputee to the next step using his or her own weight.
Das Abfangen eines Stolperns wird bewerkstelligt, indem die Kraft und die Knieschwenkgeschwindigkeit aufgenommen werden. Wenn die Kraftsensoren eine Stellungsphase angeben und die Kniegeschwindigkeit groß ist, könnte dieses einen Stolperzustand angeben, so daß das System einen großen Widerstand bewirkt, um dem Amputierten zu helfen, die Kontrolle wieder zu erlangen. In dem Fall einer längeren NichtVerwendung von mehr als fünf Sekunden kehrt der Mikroprozessor in einen Ruhezustand zurück, in dem alle Komponenten mit Ausnahme der Knie winkel-Sensorschaltung abgeschaltet sind. Dieses spart Batterieenergie, aber gestattet es dem Steuerungssystem, den Betrieb bei einer Veränderung des Kniewinkels wieder aufzunehmen. Das Steuerungssystem wird von vier 3,6-Volt Lithium-Ionen-Batterien in einer austauschbaren Batteriepackung mit Energie versorgt, die innerhalb von zwei Stunden auf eine Kapazität von 90 % wieder aufladbar ist. Die Batterielebensdauer beträgt ungefähr 30 Stunden zwischen vollständigen Wiederaufladungen.Trip recovery is accomplished by recording force and knee pivot speed. If the force sensors indicate a stance phase and knee velocity is high, this could indicate a trip condition, so the system applies a large amount of resistance to help the amputee regain control. In the event of prolonged non-use of more than five seconds, the microprocessor returns to a sleep state where all components except the knee angle sensor circuit are turned off. This conserves battery power, but allows the control system to resume operation if the knee angle changes. The control system is powered by four 3.6-volt lithium-ion batteries in a removable battery pack that is rechargeable to 90% capacity in two hours. Battery life is approximately 30 hours between full recharges.
Die Kniesteuerungseinheit arbeitet vorzugsweise mit einem Rotationsflügelrotor, der im Inneren eines Rotorgehäuses an der Knieachse angeordnet ist, wobei die Knieklammer mitThe knee control unit preferably works with a rotary vane rotor which is arranged inside a rotor housing on the knee axis, wherein the knee clamp with
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dem Rotationsflügelrad verbunden ist. Wenn das Knie gebeugt wird, dreht sich das Flügelrad, wobei Hydraulikfluid aus dem Gehäuse hinaus durch das Solenoid-Steuerventil gedrückt wird, das wiederum die Fluidströmung und den Druck steuert. Diese Steuerung der Fluidströmung und des Drucks liefert den an der Knieachse zur Verfugung stehenden Widerstand. Fluid, das aus dem Solenoid-Steuerventil austritt, fließt durch ein gewichtsbetätigtes Stellungsventil. Dieses Ventil begrenzt die Fluidströmung immer dann, wenn ein Gewicht auf die Prothese aufgebracht wird. Das Stellungsventil ist einstellbar, um verschiedene Nachgiebigkeitsstufen in Abhängigkeit von dem Gewicht oder dem Wunsch des Amputierten zuzulassen. Das aus dem Stellungsventil austretende Fluid tritt in einen Streckungsvorspannzylinder ein. Dieser Zylinder besteht aus einem federbelasteten Kolben, der zusammengedrückt ist, wenn die Kniesteuereinheit gebeugt ist. Fluid auf der gegenüberliegenden Seite des Vorspannkolbens wird zu der gegenüberliegenden Seite des Rotationsflügelrads geleitet, wodurch die Fluidbahn geschlossen wird. Während des Streckens wird die Strömung umgekehrt, wobei die gespeicherte potentielle Energie des federgespannten Kolbens zur Verfügung steht, um zu dem Strecken der Prothese beizutragen.connected to the rotary impeller. When the knee is flexed, the impeller rotates, forcing hydraulic fluid out of the housing through the solenoid control valve, which in turn controls fluid flow and pressure. This control of fluid flow and pressure provides the resistance available at the knee axis. Fluid exiting the solenoid control valve flows through a weight-operated position valve. This valve limits fluid flow whenever a weight is applied to the prosthesis. The position valve is adjustable to allow different levels of compliance depending on the weight or desire of the amputee. Fluid exiting the position valve enters an extension bias cylinder. This cylinder consists of a spring-loaded piston that is compressed when the knee control unit is flexed. Fluid on the opposite side of the biasing piston is directed to the opposite side of the rotating impeller, closing the fluid path. During extension, the flow is reversed, with the stored potential energy of the spring-loaded piston available to contribute to the extension of the prosthesis.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description, the accompanying drawings and the appended claims.
Figur 1 ist eine Seitenansicht einer Prothese der unteren Extremitäten für eine bis überFigure 1 is a side view of a lower limb prosthesis for up to
das Knie amputierte Person, wobei sie eine Widerstandseinrichtung oder Kniesteuerungseinheit aufweist, die entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;the knee amputee, comprising a resistance device or knee control unit constructed according to the invention;
Figur 2 ist eine vergrößerte, bruchstückartige Seitenansicht der in Figur 1 dargestelltenFigure 2 is an enlarged fragmentary side view of the device shown in Figure 1.
Kniesteuerungseinheit;knee control unit;
Figur 3 ist die Vorderansicht der Kniesteuerungseinheit;Figure 3 is the front view of the knee control unit;
Figur 4 ist die Hinteransicht der Kniesteuerungseinheit;Figure 4 is the rear view of the knee control unit;
Figur 5 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 5-5 aus Figur 3, wobeiFigure 5 is a section taken substantially along line 5-5 of Figure 3, wherein
Komponenten im Inneren dargestellt sind;components inside are shown;
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Figur 6 ist ein Teilschnitt im wesentlichen entlang der Linie 6-6 aus Figur 3, wobeiFigure 6 is a partial sectional view taken substantially along line 6-6 of Figure 3, wherein
der Kniewinkel-Sensormechanismus dargestellt ist;the knee angle sensor mechanism is shown;
Figur 7 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 7-7 aus Figur 2, wobei derFigure 7 is a section taken substantially along line 7-7 of Figure 2, wherein the
Widerstandsrotor und das Rotorgehäuse dargestellt sind;resistance rotor and the rotor housing are shown;
Figur 8 ist ein Schnitt im wesentlichen entlang der Linie 8-8 aus Figur 2, wobei derFigure 8 is a section taken substantially along line 8-8 of Figure 2, with the
Streckungsdrucksensor dargestellt ist;Extension pressure sensor is shown;
Figur 9 ist eine Draufsicht auf das Solenoid-Steuerventil;Figure 9 is a plan view of the solenoid control valve;
Figur 10 ist ein Axialschnitt des in Figur 9 gezeigten Solenoid-Steuerventils;Figure 10 is an axial section of the solenoid control valve shown in Figure 9;
Figur 1IA ist eine gesprengte Schnittansicht des in Figur 8 dargestellten Kapazitätsdrucksensors; Figure 1IA is an exploded sectional view of the capacitance pressure sensor shown in Figure 8;
Figur HB ist ein Axialschnitt des zusammengebauten Sensors;Figure HB is an axial section of the assembled sensor;
Figuren 12A bis 12D sind Ansichten des Kapazitätskraftsensors, der in der Kniesteuerungseinheit verwendet wird;Figures 12A to 12D are views of the capacitance force sensor used in the knee control unit;
Figuren 13A bis 13C sind Ansichten des in den Figuren 5 und 7 dargestellten Widerstandsrotors; Figures 13A to 13C are views of the resistance rotor shown in Figures 5 and 7;
Figur 14 ist ein Blockdiagramm der hydraulischen Schaltung für die Kniesteuerungseinheit; Figure 14 is a block diagram of the hydraulic circuit for the knee control unit;
Figur 15 ist ein Gesamtblockdiagramm einer computergesteuerten elektromechanischen Closed-Loop-Widerstandsvorrichtung, die entsprechend der Erfindung aufgebaut ist;Figure 15 is an overall block diagram of a computer controlled electromechanical closed loop resistance device constructed in accordance with the invention;
Figur 16 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung der Vorrichtung für eine Trainings- oder Roboter- oder Dämpfungseinrichtung darstellt;Figure 16 is a block diagram illustrating an application of the device to a training or robotic or cushioning device;
Figur 17 ist ein Blockdiagramm, das eine Anwendung der Vorrichtung für eine Kniesteuerungsprothese für einen Amputierten darstellt;Figure 17 is a block diagram illustrating an application of the device for a knee control prosthesis for an amputee;
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Figur 18 ist ein Schaltungsdiagramm der Elektronik zur Steuerung des Solenoid-Steuerventils in der Widerstandseinrichtung;Figure 18 is a circuit diagram of the electronics for controlling the solenoid control valve in the resistance device;
Figur 19 ist ein Schaltungsdiagramm für die Elektronik des Hall-Positionssensors in der Widerstandsvorrichtung;Figure 19 is a circuit diagram for the Hall position sensor electronics in the resistive device;
Figur 20 ist ein Schaltungsdiagramm für die Kraftsensoren der Kniesteuerungseinheit; Figur 21 ist ein Gang-Rniewinkel-Diagramm für die Kniesteuerungseinheit;Figure 20 is a circuit diagram for the force sensors of the knee control unit; Figure 21 is a gait-nod angle diagram for the knee control unit;
Figur 22 ist ein Blockdiagramm eines Software-Hauptprogramms für die Kniesteuerungseinheit; Figure 22 is a block diagram of a main software program for the knee control unit;
Figur 23 ist ein Blockdiagramm für das Software-Programm für die Unterbrechung von 1 ms für die Kniesteuerungseinheit; undFigure 23 is a block diagram for the 1 ms interrupt software program for the knee control unit; and
Figuren 24A und 24B zeigen das Blockdiagramm für das Software-Programm für die Unterbrechung von 10 ms für die Kniesteuerungseinheit.Figures 24A and 24B show the block diagram for the 10 ms interrupt software program for the knee control unit.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 umfaßt eine typische Prothese für die unteren Gliedmaßen für einen bis über das Knie Amputierten eine Aufnahme 1 für das Restglied, die als eine Schnittstelle zwischen dem Amputierten und der Prothese fungiert, eine Kniesteuerungsanordnung oder -einheit 2, die eine Kniedrehung und einen Widerstand ermöglicht, um das Gehen zu unterstützen, einen Befestigungsstamm 3 sowie einen Fuß 4. Die Komponenten 1, 3 und 4 sind bekannt und kommerziell erhältlich.Referring to Figure 1, a typical lower limb prosthesis for a above-the-knee amputee includes a residual limb socket 1 which acts as an interface between the amputee and the prosthesis, a knee control assembly or unit 2 which allows knee rotation and resistance to assist walking, an attachment stem 3, and a foot 4. The components 1, 3 and 4 are known and commercially available.
Die Kniesteuerungsanordnung oder -einheit 2 wird in Verbindung mit den Figuren 2 bis 14 beschrieben und weist eine Rahmenanordnung 5 sowie eine Knieklammer 6 in der Form eines umgedrehten U auf, die an der Aufnahme 1 befestigt ist. Die Knieklammer 6 weist eine Halteplatte 7 auf der rechten Seite und eine Halteplatte 8 auf der linken Seite auf. Die Knieklammer 6 schiebt sich über eine Rotorwelle 9 (Figur 5), die parallele Flächen an jedem Ende hat, um die Welle mit der Klammer zu verriegeln. Die seitlichen Halteplatten 7 und 8 sind mittels Schrauben an der Klammer 6 befestigt, und die Welle 9 dreht sich mit derThe knee control assembly or unit 2 is described in connection with Figures 2 to 14 and comprises a frame assembly 5 and a knee bracket 6 in the shape of an inverted U which is secured to the receiver 1. The knee bracket 6 has a retaining plate 7 on the right hand side and a retaining plate 8 on the left hand side. The knee bracket 6 slides over a rotor shaft 9 (Figure 5) which has parallel surfaces at each end to lock the shaft to the bracket. The side retaining plates 7 and 8 are secured to the bracket 6 by screws and the shaft 9 rotates with the
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Knieklammer 6 relativ zu dem Rahmen 5. Die Halteplatte 8 der linken Seite hat außerdem eine äußere Nockenoberfläche (Figur 6), um einen Kniewinkel-Sensormechanismus zu betätigen.knee bracket 6 relative to the frame 5. The left side retaining plate 8 also has an external cam surface (Figure 6) to actuate a knee angle sensing mechanism.
Figur 6 zeigt den Kniewinkel-Sensormechanismus, der aus einer Rolle 10 besteht, die mittels eines Stiftes 11 an einem Kniewinkel-Hebelarm 12 angebracht ist. Der Kniewinkel-Hebelarm 12 verschwenkt sich um einen Kreuzzapfen 13, der in ein Gehäuse 15 eingedrückt ist. Ein Magnet 14 ist mittels eines Klebstoffes an das untere Ende des Kniewinkel-Hebelarmes 12 angebracht. Wenn sich die Knieklammer 6 relativ zu dem Gehäuse 15 und dem Rahmen 5 verdreht, bewegt sich die Rolle 10 auf der Nockenoberfläche der Halteplatte 8 der linken Seite. Eine Feder 16 bewirkt, daß sich der Hebelarm 12 auf dem Stift 13 verschwenkt, was wiederum den Abstand zwischen dem Magneten 14 und einem Hall-Effekt-Sensor 18 verändert, der auf einer PC-Plattenanordnung 17 angebracht ist. Wenn dieser Abstand verändert wird, verändert sich das Ausgangssignal des Hall-Effekt-Sensors 18, um den wirklichen Kniewinkel des Rahmens 5 und des Gehäuses 15 relativ zu der Klammer 6 anzugeben. Durch eine Packung 19 mehrerer Batterien wird der PC-Platte 17 Energie zugeführt.Figure 6 shows the knee angle sensor mechanism which consists of a roller 10 attached to a knee angle lever arm 12 by a pin 11. The knee angle lever arm 12 pivots about a cross pin 13 which is pressed into a housing 15. A magnet 14 is attached to the lower end of the knee angle lever arm 12 by an adhesive. As the knee bracket 6 rotates relative to the housing 15 and frame 5, the roller 10 moves on the cam surface of the left side support plate 8. A spring 16 causes the lever arm 12 to pivot on the pin 13 which in turn changes the distance between the magnet 14 and a Hall effect sensor 18 mounted on a PC board assembly 17. When this distance is changed, the output of the Hall effect sensor 18 changes to indicate the actual knee angle of the frame 5 and the housing 15 relative to the bracket 6. Power is supplied to the PC board 17 by a pack 19 of several batteries.
Figur 5 zeigt die inneren Komponenten der Kniesteuerungseinheit oder -anordnung 2. Hydraulikfluid ist das Arbeitsfluid, das für den Kniesteuerungswiderstand sorgt. Auf die Knieklammer 6 wird ein Widerstand über die Rotorwelle 9 (Figur 7) und einen flügelartigen Rotor 20 (Figuren 5, 7, 13A bis 13C) ausgeübt, der über zwei Kreuzzapfen 21 an der Rotorwelle angebracht ist. Die Rotorkammer ist durch eine Rotorkappe 22 auf der rechten Seite (Figur 7) und eine Rotorkappe 23 auf der linken Seite definiert. Zwei endlose Teflon-Dichtungen 24 dichten den Rotor 20 gegen die Rotorkappen 22 und 23 ab, wodurch zwei getrennte Rotorkammern 25 und 26 (Figur 5) gebildet werden. Wie in Figur 7 dargestellt ist, wird die Rotorwelle 9 von Rollenlagern 27 getragen, um das Gewicht des Amputierten zu tragen, während seitliche Axialbelastungen von flachen Teflon-Druckscheiben zwischen den Kappen 22 und 23 und den Seiten oder Beinen der Klammer 6 aufgenommen werden. Die Rotorwelle 9 ist gegen eine hydraulische Fluidleckage mittels federgespannter Lippendichtungen 28 neben den Lagern 27 abgedichtet.Figure 5 shows the internal components of the knee control unit or assembly 2. Hydraulic fluid is the working fluid that provides the knee control resistance. Resistance is applied to the knee bracket 6 via the rotor shaft 9 (Figure 7) and a vane-like rotor 20 (Figures 5, 7, 13A to 13C) attached to the rotor shaft via two cross pins 21. The rotor chamber is defined by a rotor cap 22 on the right side (Figure 7) and a rotor cap 23 on the left side. Two endless Teflon seals 24 seal the rotor 20 against the rotor caps 22 and 23, forming two separate rotor chambers 25 and 26 (Figure 5). As shown in Figure 7, the rotor shaft 9 is supported by roller bearings 27 to support the weight of the amputee, while lateral axial loads are taken up by flat Teflon thrust washers between the caps 22 and 23 and the sides or legs of the bracket 6. The rotor shaft 9 is sealed against hydraulic fluid leakage by means of spring-loaded lip seals 28 adjacent to the bearings 27.
Während des Kniebeugens wird der Rotor 20 mit der Knieklammer 6 und der Rotorwelle 9 gedreht, wodurch Hydraulikfluid aus der Rotorkammer 26 (Figur 5) heraus und durch einen gekrümmten Durchgang 29 gedrückt wird, der sich zwischen den Rotorkappen 22 und 23 und dem Gehäuse 15 befindet. Von dem Durchgang 29 wird das Hydraulikfluid in Durchgänge 30a und 30b gedrückt. Der Durchgang 30a bildet eine Verbindung zu einem Beugungs-During flexion, the rotor 20 is rotated with the knee clamp 6 and the rotor shaft 9, forcing hydraulic fluid out of the rotor chamber 26 (Figure 5) and through a curved passage 29 located between the rotor caps 22 and 23 and the housing 15. From the passage 29, the hydraulic fluid is forced into passages 30a and 30b. The passage 30a forms a connection to a flexure
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drucksensor 31, der durch einen O-Ring abgedichtet und durch einen Haltering festgehalten ist. Der Durchgang 30b führt in einen Ventilhohlraum. Die Fluiddurchgänge 30a und 30b sowie der Ventilhohlraum sind durch maschinelle Bearbeitung in dem Gehäuse 15 ausgebildet. Von dem Durchgang 30b tritt das Hydraulikfluid durch ein Solenoid-Steuerventil 32 hindurch, das die Strömung und den Druck des Hydraulikfluids in den Arbeitskammern 25 und 26 elektronisch regelt. Das Hydraulikfluid tritt aus dem Solenoid-Steuerventil 32 aus und in einen Fluiddurchgang 33 (Figur 8) ein.pressure sensor 31 sealed by an O-ring and held in place by a retaining ring. The passage 30b leads into a valve cavity. The fluid passages 30a and 30b and the valve cavity are machined into the housing 15. From the passage 30b, the hydraulic fluid passes through a solenoid control valve 32 which electronically controls the flow and pressure of the hydraulic fluid in the working chambers 25 and 26. The hydraulic fluid exits the solenoid control valve 32 and enters a fluid passage 33 (Figure 8).
Der Durchgang 33 erstreckt sich zu einem Streckungsdrucksensor 34 (Figuren 5 und 8), der in dem Gehäuse 15 ebenfalls durch einen O-Ring abgedichtet und mittels eines Halterings festgehalten ist. Der Durchgang 33 ist außerdem mit einem Vorspannungsrohr 35 (Figur 4) verbunden, und das Hydraulikfluid läuft durch das Vorspannungsrohr 35 und in einen Hohlraum 36 (Figur 5) hinein, der durch maschinelle Bearbeitung in einer oberen Vorspannungskappe 37 ausgebildet ist. Das Hydraulikfluid läuft dann durch ein Stellungsventilrohr 38 und ein röhrenförmiges Stellungsventilelement 39 in eine Kammer 40 hinein. Das in die Kammer 40 strömende Fluid übt einen Druck auf eine ringförmige Dichtung 41 und einen benachbarten ringförmigen Kolben 42 aus, der sich aufwärts bewegt, um eine Vorspannungsfeder 43 zu komprimieren, die gegen ein Federsitzelement 44 gelagert ist, das an der Kappe 37 befestigt ist. Die Feder 43 ist in einer Ölkammer 45 angeordnet, die durch einen Zylinder 46 definiert wird, der an einem unteren Kappenelement 47 befestigt ist, das einen Stellungsventilkolben 48 für eine axiale Bewegung trägt.The passage 33 extends to a stretch pressure sensor 34 (Figures 5 and 8) which is also sealed in the housing 15 by an O-ring and held in place by a retaining ring. The passage 33 is also connected to a bias tube 35 (Figure 4) and the hydraulic fluid passes through the bias tube 35 and into a cavity 36 (Figure 5) machined in an upper bias cap 37. The hydraulic fluid then passes through a position valve tube 38 and a tubular position valve element 39 into a chamber 40. The fluid flowing into the chamber 40 exerts pressure on an annular seal 41 and an adjacent annular piston 42 which moves upward to compress a bias spring 43 mounted against a spring seat member 44 secured to the cap 37. The spring 43 is disposed in an oil chamber 45 defined by a cylinder 46 secured to a lower cap member 47 which carries a position valve piston 48 for axial movement.
Ein ringförmiger Träger 50 definiert die Kammer 40 und bildet einen Bodensitz für die ringförmige Dichtung 41 und den Kolben an dem Stellungsventilrohr 38, bei dem ein oberes Ende in eine Buchse in dem Federsitzelement 44 gepreßt ist. Eine Leckage des Vorspannungszylinders wird durch eine Serie von O-Ringen (Figur 5) gesteuert, und das Hydraulikfluid wird in Reaktion auf eine Aufwärtsbewegung des ringförmigen Kolbens 42 aufwärts aus der Kammer 45 herausgedrückt. Das Fluid läuft durch Öffnungen in dem Federsitzelement 44 und der oberen Kappe 37, durch ein Rückführungsrohr 57 (Figur 4) und Durchgänge 58 und 59 in die Rotorkammer 25 hinein, wodurch ein Strömungskreislauf gebildet wird. Der Durchgang 58 ist durch maschinelle Bearbeitung in dem Widerstandsgehäuse 15 ausgebildet, und der gekrümmte Durchgang 59 ist durch die Rotorkappen 22 und 23 und das Widerstandsgehäuse 15 definiert und durch geeignete O-Ringe abgedichtet. Ein federvorgespanntes Druckentlastungsventil (nicht dargestellt) kann in die obere Vorspannungskappe 37 integriert sein, um eine hydraulische Strömung von dem Vorspannungsrohr 35 direkt zu dem Rückführungsrohr 57 zu ermöglichen, für den Fall, daß aufgrund einer schnellen Beugung ein extremAn annular support 50 defines the chamber 40 and forms a bottom seat for the annular seal 41 and the piston on the position valve tube 38, having an upper end pressed into a socket in the spring seat member 44. Leakage of the preload cylinder is controlled by a series of O-rings (Figure 5) and the hydraulic fluid is forced upwardly out of the chamber 45 in response to upward movement of the annular piston 42. The fluid passes through openings in the spring seat member 44 and the top cap 37, through a return tube 57 (Figure 4) and passages 58 and 59 into the rotor chamber 25, thereby forming a flow circuit. The passage 58 is machined into the resistor housing 15, and the curved passage 59 is defined by the rotor caps 22 and 23 and the resistor housing 15 and sealed by suitable O-rings. A spring-loaded pressure relief valve (not shown) may be incorporated into the upper bias cap 37 to allow hydraulic flow from the bias tube 35 directly to the return tube 57 in the event that an extremely high pressure is generated due to rapid flexure.
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großer Fluiddruck auftritt. Während des Streckens wird die Strömung aufgrund des Rotors 20 umgekehrt, wobei das Hydraulikfluid aus der Kammer 25 heraus und zurück durch das System geleitet wird. In diesem Fall trägt die Vorspannungsfeder 43 dazu bei, die Strömung von unterhalb des Kolbens 42 zu der Kammer 26 zu bewegen, wodurch eine vollständige Ausstreckung der Prothese sichergestellt wird.high fluid pressure occurs. During extension, the flow is reversed due to the rotor 20, directing the hydraulic fluid out of the chamber 25 and back through the system. In this case, the bias spring 43 helps to move the flow from below the piston 42 to the chamber 26, thereby ensuring full extension of the prosthesis.
Während der Stellungs- oder Haltungsphase des Gehzyklus wird das Gewicht des Amputierten durch den Stamm 3 und den Fuß 4 an einer Bodenplatte 64 (Figur 5) auf den Boden der Kniesteuereinheit 2 aufgebracht. Die Bodenplatte 64 wird durch röhrenförmige Hülsen 66 und' Schrauben 67 festgehalten. Die Bodenplatte 64 wird außerdem von einem Kraftsensor 68 und einem elastomeren Polster 74 unterstützt. Das elastomere Polster 74 verformt sich, wodurch es der Bodenplatte 64 und einer Stellungsjustierschraube 69 gestartet wird, sich um eine geringe Distanz vertikal zu bewegen. Das elastomere Polster 74 kann effektiv durch Federn, Tellerfedern oder Wellenscheiben ersetzt sein, wobei jedoch die gleichen Betätigungseigenschaften aufrecht erhalten werden. Die Stellungsjustierschraube 69 betätigt den Stellungsventilkolben 48, der auf eine Stellungsventilkappe 70 drückt, um das Stellungsventil 39 aufwärts in das Stellungsventilrohr 38 hinein zu bewegen, um die radialen Öffnungen in dem Stellungsventil 39 zu verschließen. Wenn diese Öffnungen geschlossen sind, wird die Kniesteuerungseinheit in jeglicher Beugungsbewegung eingeschränkt.During the stance or posture phase of the walking cycle, the amputee's weight is applied to the bottom of the knee control unit 2 by the trunk 3 and foot 4 at a base plate 64 (Figure 5). The base plate 64 is held in place by tubular sleeves 66 and screws 67. The base plate 64 is also supported by a force sensor 68 and an elastomeric pad 74. The elastomeric pad 74 deforms, causing the base plate 64 and a position adjustment screw 69 to move vertically a small distance. The elastomeric pad 74 can be effectively replaced by springs, disc springs or wave washers, but maintaining the same actuation characteristics. The position adjustment screw 69 actuates the position valve piston 48 which presses on a position valve cap 70 to move the position valve 39 upwardly into the position valve tube 38 to close the radial openings in the position valve 39. When these openings are closed, the knee control unit is restricted from any flexion movement.
Durch Einstellen der Stellungsjustierschraube 69 können die radialen Öffnungen in dem Stellungsventil 39 eingestellt werden, um das Schließen der Öffnungen während der Stellungsphase zu begrenzen, wodurch eine gesteuerte Leckage in der Beugungsrichtung zugelassen wird, was dem Amputierten eine nachgiebige Stellung gibt. Aufgrund einer Tellerfeder 71 über einer Stellungskontrollventilscheibe 72, die axiale Öffnungen in der Stellungsventilkappe 70 bedeckt, wird ein Ausstrecken während der Stellungsphase nicht beeinflußt. Wenn ein Ausstrecken während der Stellungsphase ausgeführt wird, hebt die hydraulische Strömung die Stellungsscheibe 72 an, während die Tellerfeder 71 zusammengedrückt wird, um die axialen Öffnungen in der Stellungsventilkappe 70 zu öffnen. Wenn ein Beugen während der Stellungsphase versucht wird, zwingt hydraulischer Druck die Stellungsscheibe 72 dazu, die Löcher in der Stellungsventilkappe 70 zu bedecken, wodurch verhindert wird, daß sich eine Beugungsströmung durch die Stellungsventilendkappe 70 bewegt. Wenn die Belastung von der Bodenplatte 64 weggenommen wird, wird das Stellungsventil 39 durch eine Rückzugfeder 73 innerhalb des Rohrs 38 in die offene Stellung gedrückt (Figur 5), um es der Strömung zu gestatten, sich durch die Kammer 40 fortzusetzen.By adjusting the position adjustment screw 69, the radial openings in the position valve 39 can be adjusted to limit the closing of the openings during the position phase, allowing controlled leakage in the direction of flexion, giving the amputee a compliant position. Due to a Belleville spring 71 over a position control valve disc 72 covering axial openings in the position valve cap 70, extension during the position phase is not affected. When extension is performed during the position phase, the hydraulic flow lifts the position disc 72 while compressing the Belleville spring 71 to open the axial openings in the position valve cap 70. When flexure is attempted during the stance phase, hydraulic pressure forces the stance disk 72 to cover the holes in the stance valve cap 70, thereby preventing flexure flow from moving through the stance valve end cap 70. When the load is removed from the base plate 64, the stance valve 39 is urged to the open position (Figure 5) by a return spring 73 within the tube 38 to allow flow to continue through the chamber 40.
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Ein Blockdiagramm für eine allgemeine Illustration des hydraulischen Systems ist in Figur 14 dargestellt. Durch ein Drehen des Rotors 20 im Uhrzeigersinn innerhalb des Gehäuses 15 wird Hydraulikfluid aus der Kammer 26 durch eine Öffnung zu dem Solenoid-Steuerventil 32 gedrückt. Das Solenoid-Steuerventil 32 wird elektronisch betrieben, um den Strömungsbereich der Fluidbahn variabel zu verändern. Durch eine Verringerung des Strömungsbereichs in dem Ventil 32 wird die hydraulische Strömung verringert, während ein rückwärts gerichteter Druck erhöht wird. Dieses wird als Rotationswiderstand an der Rotorwelle 9 gefühlt. Das Fluid tritt durch einen Durchlaß aus dem Solenoid-Steuerventil 32 aus, der zu dem Stellungsventilelement 39 führt.A block diagram for a general illustration of the hydraulic system is shown in Figure 14. By rotating the rotor 20 clockwise within the housing 15, hydraulic fluid is forced from the chamber 26 through an opening to the solenoid control valve 32. The solenoid control valve 32 is electronically operated to variably change the flow area of the fluid path. By reducing the flow area in the valve 32, the hydraulic flow is reduced while increasing a reverse pressure. This is felt as rotational resistance on the rotor shaft 9. The fluid exits the solenoid control valve 32 through a passage leading to the position valve element 39.
Das Stellungsventilelement 39 wird betätigt, wenn eine äußere Kraft aufgebracht wird. Parallel zu dem Stellungsventil 39 ist das Kontrollventilelement 72 angeordnet, das eine Strömung bei einer Drehung des Rotors 20 im Uhrzeigersinn verhindert, wenn das Stellungsventilelement 39 betätigt wird, während eine Strömung bei einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn jedoch zugelassen wird. Ebenfalls parallel zu dem Stellungsventilelement 39 ist eine einstellbare Öffnung 78 vorgesehen, die eine kleine geregelte Strömung während einer Drehung im Uhrzeigersinn zuläßt, wenn das Stellungsventilelement 39 betätigt wird. Das Hydraulikfluid tritt aus dem Stellungsventilelement 39 durch die radialen Öffnungen aus, was es dem Fluid ermöglicht, den Kolben 42 zu bewegen oder zu betätigen.The position valve element 39 is actuated when an external force is applied. Parallel to the position valve 39 is the control valve element 72 which prevents flow during clockwise rotation of the rotor 20 when the position valve element 39 is actuated, but allows flow during counterclockwise rotation. Also parallel to the position valve element 39 is an adjustable orifice 78 which allows a small regulated flow during clockwise rotation when the position valve element 39 is actuated. The hydraulic fluid exits the position valve element 39 through the radial orifices, allowing the fluid to move or actuate the piston 42.
Der Kolben 42 trennt zwei Kammern 40 und 45 in dem Zylinder 46 voneinander. Wenn Fluid in die Kammer 40 eintritt, komprimiert der Kolben 42 die Feder 43. Der Kolben zwingt das Fluid in der Kammer 45 dann, aus dem Zylinder 46 auszutreten. Diese Strömung kehrt zu der Rotorkammer 25 zurück, um den Rotor im Uhrzeigersinn zu drehen. Wenn die Drehung des Rotors 20 und der Welle 9 im Uhrzeigersinn gelöst wird, drücken die Vorspannungsfeder 43 und der Kolben 42 das Hydraulikfluid aus der Kammer 40 durch das Stellungsventil 39 heraus und zurück durch das Solenoid-Steuerventil 32 und in die Kammer 26 hinein, was in einer Drehung des Rotors 20 und der Rotorwelle 9 entgegen dem Uhrzeigersinn resultiert.The piston 42 separates two chambers 40 and 45 in the cylinder 46. When fluid enters the chamber 40, the piston 42 compresses the spring 43. The piston then forces the fluid in the chamber 45 to exit the cylinder 46. This flow returns to the rotor chamber 25 to rotate the rotor clockwise. When the clockwise rotation of the rotor 20 and shaft 9 is released, the bias spring 43 and the piston 42 force the hydraulic fluid out of the chamber 40 through the position valve 39 and back through the solenoid control valve 32 and into the chamber 26, resulting in a counterclockwise rotation of the rotor 20 and rotor shaft 9.
Die Figuren 13A bis 13C zeigen den Rotor 20 und seinen Aufbau. Der Rotor 20 hat zwei endlose Nuten 82 und 83 zum Aufnehmen der endlosen Dichtungen 24. Die Dichtungen 24 der Wahl sind extrudierte, gedrehte, Teflon-beschichtete Dichtungen, obwohl geformte, elastomere Lippendichtungen ähnliche Ergebnisse liefern. Jede Endlosdichtung ist nahtlos und umgibt den vollen Umfang des Rotors 20. Diese Art der Abdichtung hat den Vorteil eines doppelten Wischens der Dichtungsoberfläche, und sie wirkt als eine Vordichtung zu denFigures 13A through 13C show the rotor 20 and its construction. The rotor 20 has two endless grooves 82 and 83 for receiving the endless seals 24. The seals 24 of choice are extruded, machined, Teflon coated seals, although molded, elastomeric lip seals provide similar results. Each endless seal is seamless and surrounds the full circumference of the rotor 20. This type of seal has the advantage of double wiping the seal surface and acts as a pre-seal to the
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Dichtungen 28 (Figur 7) um die Welle 9 herum in der Nähe der Beine der Klammer 6, um jegliche äußere Leckage zu minimieren. Zwei Löcher 84 (Figuren 13A und 13B) sind in der Mitte des Rotors 20 vorgesehen, um die Stifte 21 aufzunehmen, die den Rotor 20 an der Rotorwelle 9 befestigen.Seals 28 (Figure 7) around the shaft 9 near the legs of the bracket 6 to minimize any external leakage. Two holes 84 (Figures 13A and 13B) are provided in the center of the rotor 20 to receive the pins 21 which secure the rotor 20 to the rotor shaft 9.
Eine Außenansicht des Solenoid-Steuerventils 32 ist in Figur 9 dargestellt, und eine Querschnittsansicht des Solenoid-Steuerventils 32 ist in Figur 10 dargestellt. Eine Spulenrolle 100 ist mit einer Drahtspule 101 mit einer radialen Stufe gewickelt (Figur 10). Die Anzahl von Umläufen des Spulendrahts 101 ist abhängig von den gewünschten elektrischen und magnetischen Eigenschaften, die für einen Betrieb des Ventils gewünscht sind. Leitungsdrähte 102 sind an den Spulendrähten angebracht, und Epoxidharz 103 ist als Zugentlastung vorgesehen. Ein Flußkern 104 ist durch die Mitte der Rolle 100 hindurch eingesetzt, und eine metallische tassenartige Ummantelung 105 nimmt die Rolle 100, die Spule 101 und den Flußkern 104 auf. Eine Einstellschraube 106 ist über ein Gewinde in die Mitte des Flußkerns 104 eingeschraubt und ist mit einem O-Ring 107 abgedichtet.An external view of the solenoid control valve 32 is shown in Figure 9 and a cross-sectional view of the solenoid control valve 32 is shown in Figure 10. A coil spool 100 is wound with a wire coil 101 with a radial step (Figure 10). The number of turns of the coil wire 101 depends on the desired electrical and magnetic properties required for operation of the valve. Lead wires 102 are attached to the coil wires and epoxy 103 is provided for strain relief. A flux core 104 is inserted through the center of the spool 100 and a metallic cup-like casing 105 houses the spool 100, coil 101 and flux core 104. An adjusting screw 106 is threaded into the center of the flux core 104 and is sealed with an O-ring 107.
Ein Ventilelement oder eine Ventilspule 108 sitzt an der Oberseite einer Rückzugfeder 109, und ein röhrenförmiger Spulensitz 110 ruht auf dem Flußkern 104 und wird durch eine röhrenförmige Hülse 111 an Ort und Stelle gehalten. Der Spulensitz 110 begrenzt die Verschiebung oder axiale Bewegung der Spule 108. Ein Hülsenstöpsel 112 ist in die Hülse 111 gepreßt, die über ein Gewinde in die Ummantelung 105 geschraubt ist. Ein magnetisches Material, wie beispielsweise kohlenstoffarmer Stahl, wird für den Flußkern 104, die Ummantelung 105, die Justierschraube 106 und die Spule 108 verwendet. Diese Metallteile sind für beste Wirkungsgrade vorzugsweise hyper-vergütet. Ein nichtmagnetisches Material, wie beispielsweise ein rostfreier Stahl aus der Serie 300, wird für den Spulensitz 110, den Hülsenstöpsel 112 und die Hülse 111 verwendet.A valve element or valve coil 108 is seated on top of a return spring 109, and a tubular coil seat 110 rests on the flux core 104 and is held in place by a tubular sleeve 111. The coil seat 110 limits the displacement or axial movement of the coil 108. A sleeve plug 112 is pressed into the sleeve 111, which is threaded into the shell 105. A magnetic material, such as low carbon steel, is used for the flux core 104, the shell 105, the adjusting screw 106 and the coil 108. These metal parts are preferably hyper-annealed for best efficiency. A non-magnetic material, such as 300 series stainless steel, is used for the coil seat 110, the sleeve plug 112 and the sleeve 111.
Das Solenoid-Steuerventil 32 ist normalerweise offen, wenn der Spule 101 keine Energie zugeführt wird. Wenn Energie zugeführt wird, erzeugt die Spule 101 einen magnetischen Fluß, der die Spule 108 gegen die steigende Kraft der Feder 109 weiter in den Flußkern 104 hineinzieht. Die spezielle Form des Flußkerns 104 und der Spule 108 zusammen mit der Federkonstante der Feder 109 ist derart, daß die Spulenbewegung proportional zu der zugeführten Energie ist, was sich in eine proportionale Strömungssteuerung übersetzt. Wenn Hydraulikfluid in den Durchgang 30b aus der Kammer 29 eintritt, wird das Fluid von der Öffnung 113 zu der Öffnung 114 geleitet, die durch die Hülse 111 und die Hülsenmuffe 112 gebildet werden. Wenn die Spule 101 vollständig erregt ist, wird die Spule 108 die Öff-The solenoid control valve 32 is normally open when no power is supplied to the coil 101. When power is supplied, the coil 101 generates a magnetic flux which draws the coil 108 further into the flux core 104 against the increasing force of the spring 109. The special shape of the flux core 104 and the coil 108 together with the spring constant of the spring 109 is such that the coil movement is proportional to the power supplied, which translates into proportional flow control. When hydraulic fluid enters the passage 30b from the chamber 29, the fluid is directed from the opening 113 to the opening 114 formed by the sleeve 111 and the sleeve sleeve 112. When the coil 101 is fully energized, the coil 108 will open the
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nungen 113, 117, 114 und 116 absperren, und die Strömung wird aufhören. Wenn die Spule 101 teilweise erregt oder nicht erregt ist, wird die Strömung dann in die Spulenkammer 115 eintreten, um die Spule 108 herumfließen und durch die Öffnung 114 und den Durchgang 34 zu dem Rohr 35 austreten.ings 113, 117, 114 and 116 will close off and the flow will cease. If the coil 101 is partially energized or de-energized, the flow will then enter the coil chamber 115, flow around the coil 108 and exit through the opening 114 and the passage 34 to the tube 35.
Das Paar der Öffnungen 113 und 117 und das Paar der Öffnungen 114 und 116 befinden sich auf der gleichen Höhe, wobei die Öffnungen jedes Paares mit einem Abstand von 180° voneinander angeordnet sind, und wobei jedes Paar der Öffnungen mit einem Abstand von 90° von dem anderen Paar angeordnet ist. Das Solenoid-Steuerventil 32 hat zwei Einlaßöffnungen 113 und 117 und zwei Auslaßöffnungen 114 und 116, obwohl mehr Öffnungen verwendet werden können, falls gewünscht. Obwohl die Öffnungen 113 und 117 als Einlaß und die Öffnungen 114 und 116 als Auslaß beschrieben sind, kann die Strömung mit den gleichen Ergebnissen in einer Richtung oder in zwei Richtungen erfolgen. Die Form der Spule 108 in dem Strömungsbereich 115 sorgt für einen Ausgleich jeglicher Fluidkräfte, die dazu neigen können, die Spule zu öffnen oder zu schließen. Eine axiale Bohrung oder ein Loch verläuft durch die Mitte der Spule 108, um ein hydraulisches Blockieren zu verhindern. Die Vorteile eines optimierten magnetischen Flußes, der zu der Federkonstante paßt, sowie einer optimierten Spule, die zu den Fluidkräften paßt, verringern die für einen Betrieb des Ventils benötigte Energie erheblich. Eine Leckage zwischen den Einlaß- und Auslaßöffnungen wird durch einen O-Ring 120 gesteuert, der an der Hülse 111 angebracht ist. Eine externe Leckage des Hydraulikfluids wird durch O-Ringe 121 und 122 gesteuert. Obwohl das Solenoid-Steuerventil 32 vorzugsweise proportional geregelt wird, kann es auch mit einer Pulsbreitenmodulation betrieben werden.The pair of ports 113 and 117 and the pair of ports 114 and 116 are located at the same height, with the ports of each pair spaced 180° apart, and with each pair of ports spaced 90° from the other pair. The solenoid control valve 32 has two inlet ports 113 and 117 and two outlet ports 114 and 116, although more ports may be used if desired. Although ports 113 and 117 are described as inlet and ports 114 and 116 as outlet, the flow may be unidirectional or bidirectional with the same results. The shape of the spool 108 in the flow region 115 provides for balancing of any fluid forces that may tend to open or close the spool. An axial bore or hole passes through the center of the coil 108 to prevent hydraulic jamming. The advantages of an optimized magnetic flux to match the spring rate and an optimized coil to match the fluid forces significantly reduce the energy required to operate the valve. Leakage between the inlet and outlet ports is controlled by an O-ring 120 attached to the sleeve 111. External leakage of the hydraulic fluid is controlled by O-rings 121 and 122. Although the solenoid control valve 32 is preferably proportionally controlled, it can also be operated with pulse width modulation.
Wie oben erwähnt wurde, hat die computergesteuerte hydraulische Widerstandseinrichtung gemäß der Erfindung vielfältige Anwendungen, wie beispielsweise die Kniesteuerung, die oben für bis über das Knie amputierte Personen beschrieben wurde, fortgeschrittene Trainingssysteme, die einen computergeregelten Widerstand verwenden, sowie Roboter- oder Dämpfungsanwendungen. Während hier eine vollständige Anwendung einer elektronischen Knieregelung offenbart wird, ist die Verwendung der Vorrichtung bei anderen Anwendungen offensichtlich.As mentioned above, the computer controlled hydraulic resistance device according to the invention has a variety of applications, such as the knee control described above for above-the-knee amputees, advanced training systems using computer controlled resistance, and robotic or cushioning applications. While a full application of electronic knee control is disclosed here, the use of the device in other applications is obvious.
Figur 15 zeigt das Steuerdiagramm des Gesamtsystems, das sich auf alle oben genannten Anwendungen bezieht. Das System wird von einem herkömmlichen Mikroprozessor 200 gesteuert, der einen RAM-Speicher, einen Programmspeicher, Zeitglieder und Unterbrechungssteuerungen, Mehrkanal-Analog-Digital-Konverter sowie Eingangs/Ausgangs-Steuerlei-Figure 15 shows the control diagram of the overall system, which relates to all the above applications. The system is controlled by a conventional microprocessor 200, which includes a RAM memory, a program memory, timers and interrupt controllers, multi-channel analog-digital converters and input/output control lines.
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tungen aufweist. Der Mikroprozessor verwendet einen externen Taktimpuls, der von einem Zeitsteuerungsgenerator 201 erzeugt wird. Für eine Produktionsprüfbarkeit der inneren Schaltung und für eine Datenübertragung zu anderen Einrichtungen enthält ein Systemblock 202 serielle, asynchrone und synchrone Anschlüsse sowie einen Anschluß für eine Echtzeit-Hintergrund-Betriebsart. The microprocessor uses an external clock pulse generated by a timing generator 201. For production testability of the internal circuitry and for data transfer to other devices, a system block 202 contains serial, asynchronous and synchronous ports as well as a port for a real-time background mode of operation.
In allen Anwendungen der Vorrichtung führt der Mikroprozessor 200 sein Programm aus, was sowohl ein Abtasten als auch eine Regelung in der Art und Weise eines geschlossenen Regelkreises (closed-loop-control) erfordert. Die Systemprogramme bewirken, daß ein Widerstand auf die Vorrichtung in Abhängigkeit von der aufgenommenen Stellung und Geschwindigkeit aufgebracht wird. Unter Verwendung eines Hydraulikfluidsystems wird der Widerstand durch eine hydraulische Betätigungseinrichtung 211 aufgebracht, die entweder ein Rotationsflügelrad, wie beispielsweise der Rotor 20, oder ein innerhalb eines Zylinders linear bewegbarer Kolben sein kann. Der Widerstand wird aufgebracht, indem die Strömung in einem geschlossenen Fluidsystem durch ein Solenoid-Steuerventil 210, wie beispielsweise dem Ventil 32, begrenzt wird, das durch den Mikroprozessor 200 und seine Steuerschaltung 207 betrieben wird. Der mechanische Widerstand wird durch einen Koppler 214 auf eine Vorrichtung 215 aufgebracht. Die beaufschlagte Vorrichtung kann beispielsweise ein Kniegelenk einer Prothese oder ein Teil einer Trainingsvorrichtung oder eine Roboterplattform sein, das/die eine Begrenzung der Bewegung und/oder der Geschwindigkeit erfordert.In all applications of the device, the microprocessor 200 executes its program, which requires both sensing and closed-loop control. The system programs cause a resistance to be applied to the device depending on the sensed position and speed. Using a hydraulic fluid system, the resistance is applied by a hydraulic actuator 211, which can be either a rotary impeller such as rotor 20 or a piston linearly movable within a cylinder. The resistance is applied by limiting the flow in a closed fluid system by a solenoid control valve 210, such as valve 32, which is operated by the microprocessor 200 and its control circuit 207. The mechanical resistance is applied to a device 215 through a coupler 214. The device being acted upon may, for example, be a knee joint of a prosthesis or a part of a training device or a robotic platform that requires a limitation of movement and/or speed.
Die Stellung der beaufschlagten Vorrichtung wird durch einen Sensor 216 aufgenommen, der ein Potentiometer, ein Entfemungsdetektor oder ein linearer Hall-Effekt-Sensor sein kann, wie beispielsweise der Sensor 18. Das Ausgangssignal des Stellungssensors ist ein Signal, das durch die Schaltung 204 konditioniert und skaliert ist. Das analoge Stellungssignal, das die Schaltung 204 verläßt, wird durch den A/D-Konverter des Mikroprozessors oder eine externe A/D-Vorrichtung zur Verwendung in dem Hauptprogramm in eine digitale 8-16-Bitnummer konvertiert. Die Stellung wird in festen Intervallen zeitlich abgetastet. Die Differenz in der Stellung zwischen den festen Zeitintervallen dividiert durch die zeitliche Abtastdauer ist die Geschwindigkeit der Bewegung der Vorrichtung, die auch von dem Hauptprogramm verwendet werden muß, sowie die Bewegungsrichtung.The position of the actuated device is sensed by a sensor 216 which may be a potentiometer, a distance detector or a linear Hall effect sensor such as sensor 18. The output of the position sensor is a signal conditioned and scaled by circuit 204. The analog position signal leaving circuit 204 is converted to an 8-16 bit digital number by the microprocessor's A/D converter or an external A/D device for use in the main program. The position is sampled in time at fixed intervals. The difference in position between the fixed time intervals divided by the time sampling period is the speed of movement of the device, which must also be used by the main program, as well as the direction of movement.
Um den berechneten, gewünschten, auf die Vorrichtung aufgebrachten Widerstand reproduzierbar und unabhängig von Herstellungstoleranzen, Fluidviskosität und/oder Temperaturveränderungen zu erzeugen, wird ein geschlossener Regelkreis (closed-loop-control) verwendet, und die internen Fluiddrücke 212 und 213 der rotierenden oder linearen, hydraulischenIn order to produce the calculated desired resistance applied to the device in a reproducible manner and independent of manufacturing tolerances, fluid viscosity and/or temperature variations, a closed-loop control is used and the internal fluid pressures 212 and 213 of the rotating or linear hydraulic
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Betätigungseinrichtung 211 werden aufgenommen. In einem geschlossenen hydraulischen System erzeugt die Betätigungseinrichtung 211 einen Hochdruck und einen Niederdruck an gegenüberliegenden Seiten des Rotationsflügelrades oder des Kolbens, wenn das Steuerventil betätigt wird, um die Fluidströmung zu begrenzen. Wenn die Richtung umgekehrt wird, werden die Hoch- und Niederdruckseiten umgekehrt. Die aufgenommenen Drücke 212 und 213 werden durch eine Schaltung 206 auf ein brauchbares Analogniveau signal-konditioniert und -skaliert. Die verarbeiteten, analogen, hydraulischen Drücke werden durch den Mikroprozessor 200 oder einen externen A/D-Konverter in ein brauchbares, digitales 8-16-Bit-Ventilsignal konvertiert. Bei den oben genannten Anwendungen werden ein logisches Verzweigen der Programmzustandssteuerung in verschiedene Abschnitte des Hauptprogramms sowie verschiedene Variationen in den Berechnungen in dem anwendungsabhängigen Programm 209 durch zusätzliche analoge Kraftsensoren und/oder digitale Schalter oder Knöpfe 208 und 224 bewerkstelligt, wobei ein zusätzliches Abtasten verwendet wird. Bei einer Trainingsgerät- oder Roboteranwendung erfolgt das zusätzliche Abtasten durch eine Benutzertastatur und/oder durch Fernsteuerungsschalter. In dem Anwendungsfall der Kniesteuerungsprothese verwendet die Zusatzabtastfunktion zwei Körpergewichtssensoren und zwei Rotationsauswahlschalter mit 16 Positionen.Actuator 211 are received. In a closed hydraulic system, actuator 211 creates a high and low pressure on opposite sides of the rotary impeller or piston when the control valve is actuated to restrict fluid flow. When the direction is reversed, the high and low pressure sides are reversed. The received pressures 212 and 213 are signal conditioned and scaled to a usable analog level by circuit 206. The processed analog hydraulic pressures are converted to a usable 8-16 bit digital valve signal by microprocessor 200 or an external A/D converter. In the above applications, logical branching of the program state control into different sections of the main program as well as different variations in the calculations in the application dependent program 209 are accomplished by additional analog force sensors and/or digital switches or buttons 208 and 224 using additional sensing. In an exercise machine or robot application, the additional sensing is accomplished by a user keyboard and/or by remote control switches. In the knee control prosthesis application case, the additional sensing function uses two body weight sensors and two 16-position rotation selector switches.
Die Figuren 16 und 17 zeigen die Anwendung des Steuerungssystems der Erfindung bei Protheseneinrichtungen, Trainingsgeräten und Robotervorrichtungen. Die Vorrichtung der Erfindung kann auch als computerisierte Dämpfungsvorrichtung verwendet werden, wie beispielsweise für einen Stoßfänger eines Lastwagensitzes, der das Steuerungs- und Komponentendiagramm der Figur 16 verwenden würde. Aufgrund der hoch auflösenden Mikroprozessorsteuerung, die durch die Sensoren sowie die hydraulische Betätigungseinrichtung und das Steuerventil der Erfindung geschaffen wird, kann die gleiche Art einer implementierten Trainingseinrichtung für medizinische Rehabilitationszwecke verwendet werden, programmiert auf die kleinen Schritte der aufgebrachten Gewichtsveränderungen in so kleinen Schritten wie 45,4 Gramm (0,1 pound) bis insgesamt 226,8 Kilogramm (500 pounds). Die zusätzliche Eingangsfunktion teilt dem Hauptprogramm mit, die Belastung für den Patienten zu begrenzen oder zu verringern, wenn er von dem Training erschöpft wird. Das in Figur 16 dargestellte Blockdiagramm ist dem Blockdiagramm der gesamten Erfindung gemäß Figur 15 sehr ähnlich, und es zeigt die Anwendung der Vorrichtung bei einer Trainingseinrichtung, einer Robotereinrichtung oder einer computerisierten Dämpfungseinrichtung. Die Anwendung zeigt einen Mikroprozessor 200, Kommunikations- und Testschaltungen 202, einen Zeitsteuerungsgenerator 201, eine Rücksetzschaltung 219, eine Ventilsteuerschaltung 207 sowie ein Solenoid-Steuerventil 210, einen Stellungssensor 226 und eine Schaltung 204, eineFigures 16 and 17 show the application of the control system of the invention to prosthetic devices, exercise machines and robotic devices. The device of the invention can also be used as a computerized cushioning device, such as for a truck seat bumper, which would use the control and component diagram of Figure 16. Due to the high resolution microprocessor control provided by the sensors and hydraulic actuator and control valve of the invention, the same type of implemented exerciser can be used for medical rehabilitation purposes, programmed to make small increments of applied weight changes in increments as small as 45.4 grams (0.1 pound) to a total of 226.8 kilograms (500 pounds). The additional input function tells the main program to limit or reduce the load on the patient as he becomes exhausted from the exercise. The block diagram shown in Figure 16 is very similar to the block diagram of the entire invention shown in Figure 15 and shows the application of the device to a training device, a robotic device or a computerized dampening device. The application shows a microprocessor 200, communication and test circuits 202, a timing generator 201, a reset circuit 219, a valve control circuit 207, as well as a solenoid control valve 210, a position sensor 226 and a circuit 204, a
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Sensor schaltung 206 für die hydraulische innere Kraft sowie Stromversorgungsschaltungen 203.Hydraulic internal force sensor circuit 206 and power supply circuits 203.
Figur 17 offenbart die Komponenten der Anwendung für die elektronische Kniesteuerungsprothese. Der Mikroprozessor 200 führt sein Anwendungsprogramm aus, was sowohl ein Abtasten als auch eine Regelung nach Art eines geschlossenen Kreises (closed-loop) erfordert, wie es oben in Verbindung mit Figur 15 beschrieben wurde. Der bei dieser typischen Anwendung verwendete Mikroprozessor ist ein Motorola MC68HC912B32 eingebetteter-16-Bit-Signal-Chipprozessor. Die von dem Mikroprozessor 200 ausgeführte Anwendungssoftware steuert den Widerstand proportional, der während des Gehzyklus eines Patienten an das Kniegelenk der Prothese angelegt werden soll, wobei die Ventilsteuerungsschaltung 207 verwendet wird, um das proportionale, Solenoid-betätigte Ventil 210 oder 32 zu regeln. Eine Pulsbreitenmodulationstechnik arbeitet bei den meisten Anwendungsrallen genauso gut. Das proportionale Regelventil beschränkt die hydraulische Strömung des geschlossenen Systems, die von dem sich bewegenden Knie des Patienten erzeugt wird, sowie die hydraulische Rotationsflügelrad-Betätigungseinrichtung 211, die durch eine Verbindung 214 mit dem Kniegelenk 215 verbunden ist. Der Anwendungssoftware-Algorithmus sagt anfänglich vorher, in welcher Höhe eine Regelstrom an das Solenoid-Ventil 210 oder 32 angelegt werden soll, wenn die Stellung, die Richtung und die Geschwindigkeit des Kniegelenks gegeben ist. Der genaue Widerstandsfehler wird in der Art und Weise eine geschlossenen Kreises ermittelt, wobei die erfaßten hydraulischen Hoch- und Niederdruckseiten 212 und 213 verwendet werden, die durch die Schaltung 206 konditioniert und skaliert werden sollen, und er wird dann in Bezug auf das Steuerniveau durch den Mikroprozessor 200 in ein digitales Ventilsignal konvertiert. Der innere Kreis des Mikroprozessors erfaßt die hydraulischen Hoch- und Niederdrücke auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors 20 und aktualisiert das über das Steuersolenoid aufgebrachte Spannungsniveau mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde. Der Hauptregelkreis des Programms arbeitet bei einer Rate von 100 mal pro Sekunde.Figure 17 discloses the components of the application for the electronic knee control prosthesis. The microprocessor 200 executes its application program, which requires both sensing and closed-loop control, as described above in connection with Figure 15. The microprocessor used in this typical application is a Motorola MC68HC912B32 embedded 16-bit signal chip processor. The application software executed by the microprocessor 200 proportionally controls the resistance to be applied to the prosthesis knee joint during a patient's walking cycle, using the valve control circuit 207 to control the proportional solenoid-operated valve 210 or 32. A pulse width modulation technique works equally well in most applications. The proportional control valve restricts the closed system hydraulic flow generated by the patient's moving knee and the hydraulic rotary vane actuator 211 connected to the knee joint 215 by a connection 214. The application software algorithm initially predicts what level of control current to apply to the solenoid valve 210 or 32 given the position, direction and speed of the knee joint. The exact resistance error is determined in a closed loop manner using the sensed high and low pressure hydraulic sides 212 and 213 to be conditioned and scaled by the circuit 206 and is then converted to a digital valve signal relative to the control level by the microprocessor 200. The inner loop of the microprocessor senses the high and low hydraulic pressures on opposite sides of the rotor 20 and updates the voltage level applied across the control solenoid at a rate of 1,000 times per second. The main control loop of the program operates at a rate of 100 times per second.
Der Kniestellungssensor 216 wird durch einen linearen Honeywell-Hall-Effekt-Sensor 18 realisiert, der die Veränderung des magnetischen Felds in Bezug auf den Sensor mißt. Der Magnet 14 wird in Bezug zu dem Sensor 18 oder 216 proportional zu dem Kniewinkel der Prothese bewegt. Das Ausgangssignal des Sensors 216 wird durch die Sensorschaltung 204 konditioniert, verschoben und skaliert. Der Mikroprozessor 200 konvertiert dieses 0 bis 5 Volt-Analogniveau in einen 8-Bit-Digitalwert. Das Anwendungsprogramm tastet den Stellungssensor mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde ab. Das Anwendungsprogramm ermittelt bei dieser Rate Informationen über die Knierichtung und die Ablaufgeschwindigkeit.The knee position sensor 216 is implemented by a linear Honeywell Hall effect sensor 18 that measures the change in the magnetic field relative to the sensor. The magnet 14 is moved relative to the sensor 18 or 216 in proportion to the knee angle of the prosthesis. The output of the sensor 216 is conditioned, shifted and scaled by the sensor circuit 204. The microprocessor 200 converts this 0 to 5 volt analog level to an 8-bit digital value. The application program samples the position sensor at a rate of 1,000 times per second. The application program determines information about the knee direction and the speed of travel at this rate.
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Die genaue Geschwindigkeit wird mit der Steuerrate von 100 mal pro Sekunde ermittelt. Für Unterschiede zwischen Patienten hinsichtlich ihrer Größe, ihres Gewichts und ihrer Geheigenschaften stellt der Prothetiker die Rotations-Zusatzschalter 224 mit 16 Positionen für die Beugung und Streckung ein. Weitere Zusatzschaltungen, die für die Programm-Zustandssteuerung verwendet werden, sind die zwei Gewichtskraftsensoren 220 und 221, die durch die Schaltung 206 moduliert, konditioniert, demoduliert und skaliert werden. Diese Gewichtskraftsensoren sind in dem Boden der Prothese angeordnet (Figuren 5 und 12A bis 12D), um die während des Gehzyklus aufgebrachte Kraftverteilung zu messen, um zu ermitteln, wenn die Zustände des abgehobenen Zehs, des flachen Fußes und des Fersenaufsetzens zusammen mit ihren Variationen vorliegen. Diese Informationen werden bei dem adaptiven, geschlossenen Regelkreis-Algorithmus bei der Kniestellung, der Kniegeschwindigkeit, der Knierichtung und gelernten Eigenschaften eines früheren Gehzyklus verwendet, um die augenblickliche Widerstandsregelung über sich veränderndem Gelände zu überwachen.The exact speed is determined at the control rate of 100 times per second. For differences between patients in their size, weight and walking characteristics, the prosthetist adjusts the 16-position rotary auxiliary switches 224 for flexion and extension. Other auxiliary circuits used for program state control are the two weight force sensors 220 and 221, which are modulated, conditioned, demodulated and scaled by the circuit 206. These weight force sensors are located in the bottom of the prosthesis (Figures 5 and 12A-12D) to measure the force distribution applied during the walking cycle to determine when the toe-off, flat foot and heel strike states, along with their variations, are present. This information is used in the adaptive closed-loop algorithm with knee position, knee velocity, knee direction, and learned characteristics of a previous walking cycle to monitor instantaneous resistance control over changing terrain.
Da diese Knieprothese an dem Körper getragen wird, wird das Steuersystem von vier wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien 218 oder 19 mit Energie versorgt, die 14,4 Volt liefern. Die Energie wird aufgespalten in zwei an die Schaltung angelegte Spannungen von 7,2 Volt für die Versorgung der Systemlogik und in 14,4 Volt für die Solenoid-Steuerschaltungen der Proportionalregelung. Die Rohspannung wird durch die Schaltung 222 überwacht, um einen niedrigen Batteriezustand zu ermitteln, die die Batteriespannung in ein 0 bis 5 Volt-Niveau skaliert, das von dem Mikroprozessor 200 unter Verwendung seines A/D-Konverters aufgenommen werden soll. Der Mikroprozessor und die zugehörigen Logikschaltungen benötigen 5 Volt, was durch die Energieversorgungsschaltungen 203 aus dem 7,2 Volt Eingangssignal eingestellt wird, die eine herkömmliche integrierte dreipolige Reglerschaltung mit niedrigem Ausfall aufweisen. Die Lithium-Ionen-Batterien werden in einer Zeitspanne von zwei Stunden wieder aufgeladen und dann von einer integrierten LM3420-16.8-Schaltung in einen Pufferladungsmodus geschaltet, die von National Semiconductor hergestellt wird.Since this knee prosthesis is worn on the body, the control system is powered by four rechargeable lithium-ion batteries 218 or 19 that provide 14.4 volts. The power is split into two voltages applied to the circuitry of 7.2 volts to power the system logic and 14.4 volts to power the proportional control solenoid control circuits. The raw voltage is monitored by low battery detection circuitry 222, which scales the battery voltage to a 0 to 5 volt level to be received by microprocessor 200 using its A/D converter. The microprocessor and associated logic circuits require 5 volts, which is set by power supply circuitry 203 from the 7.2 volt input signal, which comprises a conventional low dropout three-terminal integrated regulator circuit. The lithium-ion batteries are recharged over a period of two hours and then switched to a trickle charge mode by an LM3420-16.8 integrated circuit manufactured by National Semiconductor.
Figur 18 zeigt die Schaltungsanordnung 207 für den Solenoid-Steuerventilantrieb 210 oder 32. Das proportionale Solenoid-Steuerventil benötigt nur eine sehr niedrige Energie von maximal 1 Watt. Den Antrieb des Solenoids bildet eine Art konstanter Strom über einen Bereich von 0 bis 83 Milliampere. Die Auflösung in dieser Anwendung des Niveaus von 0 bis 83 Milliampere ist ein Teil in 255 oder 0,325 Milliampere pro Schritt unter Verwendung des 8-Bit-Digitalpotentiometers 243. Diese Schaltung AD8400AR10 ist eine integrierte Schaltung, die von Analog Devices hergestellt wird. Der Mikroprozessor 200 aktualisiert dieses Geräteniveau mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde. Die Referenz zu demFigure 18 shows the circuitry 207 for the solenoid control valve drive 210 or 32. The proportional solenoid control valve requires only very low power, 1 watt maximum. The drive of the solenoid is a type of constant current over a range of 0 to 83 milliamps. The resolution in this application of the level of 0 to 83 milliamps is one part in 255 or 0.325 milliamps per step using the 8-bit digital potentiometer 243. This circuit AD8400AR10 is an integrated circuit manufactured by Analog Devices. The microprocessor 200 updates this device level at a rate of 1,000 times per second. The reference to the
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digitalen Potentiometer ist die Logikversorgung von 5 Volt. Wenn das Niveau in den 256 Niveaus eingestellt wird, verändert sich das Ausgangssignal des Schleifers von 0 auf 4,9 Volt. Das Spannungssignal wird von dem Operationsverstärker Ul, dem Transistor Ql und drei Widerständen Rl, R2, R3, R4 und R5 in einen konstanten Stromantrieb konvertiert. Der von einem Differentialeingangs-Operationsverstärker mit einer Verstärkung von 0,169 gesehene Ausgang des digitalen Potentiometers wird von den Widerständen Rl, R2, R3 und R4 gesehen. Der NPN-Transistor Ql wird als Stromverstärker in einem Emitter-Folger-Modus verwendet. Die Diode Dl wird in der Schaltung verwendet, um die umgekehrten EMF-Effekte der Solenoid-Steuerventilspule zu beseitigen. Ein elektrolytischer Kondensator C2 wird als Teil eines Tiefpaßfilters mit der Solenoidspule verwendet, um die Hochfrequenz-Bandbreite der Schaltung zu verringern. Cl wird als ein Hochfrequenz-Energieversorgungsbypaß verwendet.digital potentiometer is the logic supply of 5 volts. When the level is adjusted in the 256 levels, the output of the wiper changes from 0 to 4.9 volts. The voltage signal is converted to a constant current drive by the op-amp Ul, transistor Ql and three resistors Rl, R2, R3, R4 and R5. The output of the digital potentiometer seen by a differential input op-amp with a gain of 0.169 is seen by resistors Rl, R2, R3 and R4. The NPN transistor Ql is used as a current amplifier in an emitter follower mode. The diode Dl is used in the circuit to eliminate the reverse EMF effects of the solenoid control valve coil. An electrolytic capacitor C2 is used as part of a low-pass filter with the solenoid coil to reduce the high frequency bandwidth of the circuit. Cl is used as a high frequency power supply bypass.
Wenn die Spannung des digitalen Potentiometers erhöht wird, legt die Schaltung eine Spannung über die Solenoidspule an. Der Strom durch die Spule liegt in Serie mit dem Abtastwiderstand R5 von 10 Ohm. Diese Konstantstromschaltung erhöht oder verringert die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers, bis die an der Spitze des Abtastwiderstands gesehene Spannung gleich der gesteuerten Spannung ist. Um einen Steuerstrom von 0 bis 83 Milliampere an die Solenoidspule anzulegen, wird somit eine Eingangsspannung von 0 bis 4,9 Volt benötigt. Die Konstantstromschaltung kompensiert Herstellungsschwankungen und Temperatureffekte des Spulenwiderstands automatisch.When the digital potentiometer voltage is increased, the circuit applies a voltage across the solenoid coil. The current through the coil is in series with the 10 ohm sense resistor R5. This constant current circuit increases or decreases the output voltage of the op-amp until the voltage seen at the tip of the sense resistor is equal to the controlled voltage. Thus, to apply a control current of 0 to 83 milliamps to the solenoid coil, an input voltage of 0 to 4.9 volts is required. The constant current circuit automatically compensates for manufacturing variations and temperature effects of the coil resistance.
Unter Bezugnahme auf Figur 19 ist die Schaltungsanordnung für den linearen Hall-Effekt-Stellungssensor 216 oder 18 bezüglich des Signals durch die Kniestellungs-Schaltungsanordnung 204 konditioniert, versetzt und verstärkt. Ein Magnet 228 oder 14 ist an dem Hebelarm 12 angebracht, der durch eine Nockenoberfiäche an der Halteplatte 8 verschwenkt wird, so daß sich der Hebelarm 12 direkt proportional zu dem Kniewinkel bewegt. Während sich der Magnet 14 zu dem Sensor 18 hin oder von diesem weg bewegt, verändert der Sensor 216 oder 18 vom Typ Honeywell SS94A1B seine Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem magnetischen Nordpol- oder Südpol-Feld. Der Sensor 18 gibt ein Signal von 2,5 Volt ab, das von der Amplitude des magnetischen Feldes und der Magnetpolarität abhängt. In diesem Anwendungsfall ist die Polarität des Magneten derart gewählt, daß eine Abnahme des Abstands, bis der Magnet den Sensor berührt, 0 Volt liefert, und daß ein vollständiges Entfernen des Magneten von dem Sensor ein Ausgangssignal von 2,5 Volt liefert. Der minimale Abstand bei einer Kniestreckung von 0° beträgt 2,54 mm (0,10 inches), was eine minimale Spannung von 1 Volt liefert. In Figur 19 puffert und Tiefpaß-filtert der Block 229Referring to Figure 19, the circuitry for the linear Hall effect position sensor 216 or 18 is conditioned, offset and amplified with respect to the signal by the knee position circuitry 204. A magnet 228 or 14 is attached to the lever arm 12 which is pivoted by a cam surface on the support plate 8 so that the lever arm 12 moves in direct proportion to the knee angle. As the magnet 14 moves toward or away from the sensor 18, the Honeywell SS94A1B sensor 216 or 18 changes its output voltage in response to the north or south magnetic field. The sensor 18 outputs a 2.5 volt signal which depends on the amplitude of the magnetic field and the magnet polarity. In this application, the polarity of the magnet is chosen such that decreasing the distance until the magnet touches the sensor produces 0 volts, and completely removing the magnet from the sensor produces an output of 2.5 volts. The minimum distance at 0° knee extension is 2.54 mm (0.10 inches), which produces a minimum voltage of 1 volt. In Figure 19, block 229 buffers and low-pass filters
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das Hall-Stellungssignal von 1 bis 2,5 Volt bei einer Eckfrequenz von 100 Hz, um jegliche hochfrequente Komponenten zu entfernen. Der Operationsverstärker 230 der zweiten Stufe erhöht das Signalniveau um 3,33 mal, wobei der Versatz von 1 Volt von der Referenz 231 entfernt wird, um ein Ausgangssignal von 0 bis 5 Volt zu liefern. Dieses analoge Ausgangssignal wird dann in ein digitales Ausgangssignal konvertiert zur Verwendung durch das Hauptprogramm durch den Mikroprozessor 200.the Hall position signal from 1 to 2.5 volts at a corner frequency of 100 Hz to remove any high frequency components. The second stage operational amplifier 230 increases the signal level by 3.33 times, removing the 1 volt offset from the reference 231, to provide an output signal of 0 to 5 volts. This analog output signal is then converted to a digital output signal for use by the main program by the microprocessor 200.
Figur 20 zeigt den Kraftsensor 232 oder 68 und seine zugehörige Schaltungsanordnung. Wie in Figur 17 dargestellt ist, wird die Gewichtssensorschaltung 206 für eine geschlossene Regelung des proportionalen Solenoid-Steuerventils 210 oder 32 verwendet. Der Gewichtskraftsensor 220 und 221 (Figur 12A) und die Gewichtssensorschaltung 206 werden für die Programmzustandssteuerung verwendet. Die Schaltungsanordnung ist identisch mit Ausnahme der abschließenden Verstärkung von U4, R3 und R4 in Figur 20. Dieses stellt eine verbesserte Version eines Kapazitätssensors dar. Die Figuren 12A und B zeigen die tatsächlichen Sensoren 220 und 221, die im Rahmen der Kniesteuerungsanwendung verwendet werden. Der vergrößerte Sensor 232 (Figur 12D) ist aus zwei doppelseitigen gedruckten Schaltungskarten und einem elastomeren Zwischenstück aufgebaut. Wenn eine Kraft aufgebracht wird, um die Platten zusammenzudrücken, wird das auf die Seite des Elastomers aufgebrachte Signal proportional an die Platte auf der anderen Seite gekoppelt. Wenn die Kraft erhöht wird, wird das an die zweite Platte übertragene Referenzsignalniveau durch die Steigerung der Kapazität zwischen den Platten verstärkt. Der Kraftbetrag, der von dem Sensor gemessen werden kann, ist eine Funktion der verwendeten Elastomerdichte und der Verstärkung der Demodulationsschaltung. Je steifer das Elastomer ist, desto mehr Kraft kann aufgebracht werden, bevor die Platten vollständig zusammengedrückt werden. Eine zu große Steifigkeit in dem Elastomer verringert den dynamischen Bereich des Sensors. Ein Elastomer mit einer bestimmten Härte wird für jede Anwendung ausgewählt.Figure 20 shows the force sensor 232 or 68 and its associated circuitry. As shown in Figure 17, the weight sensor circuit 206 is used for closed loop control of the proportional solenoid control valve 210 or 32. The weight force sensor 220 and 221 (Figure 12A) and the weight sensor circuit 206 are used for program state control. The circuitry is identical except for the final amplification of U4, R3 and R4 in Figure 20. This represents an improved version of a capacitance sensor. Figures 12A and B show the actual sensors 220 and 221 used in the knee control application. The enlarged sensor 232 (Figure 12D) is constructed from two double-sided printed circuit boards and an elastomeric spacer. When a force is applied to compress the plates together, the signal applied to one side of the elastomer is proportionally coupled to the plate on the other side. As the force is increased, the reference signal level transmitted to the second plate is amplified by the increase in capacitance between the plates. The amount of force that can be measured by the sensor is a function of the elastomer density used and the gain of the demodulation circuit. The stiffer the elastomer, the more force can be applied before the plates are fully compressed. Too much stiffness in the elastomer reduces the dynamic range of the sensor. An elastomer with a specific hardness is selected for each application.
In Figur 20 verwendet die Sensoranwendung den Mikroprozessor 200, um ein Rechteckwellen-Referenzsignal von 100 kHz zu erzeugen. Dieses Signal wird durch den Operationsverstärker Ul gepuffert. Die Emitterseite des Sensors mit vergrößerter Kapazität ist auf einer doppelseitigen gedruckten Schaltungskarte ausgebildet. Ein leitender Reflektor 236 befindet sich auf der Außenseite, und eine leitende Referenzfläche 238 befindet sich auf der anderen Seite. Die isolierte gedruckte Schaltungskarte 237 ist aus Epoxidglas hergestellt. Das 100 kHz Referenzsignal wird über das Elastomer 239 an die Empfängerplatte 240 auf einer anderen Karte 237 gekoppelt, die durch eine weitere Abschirmplatte 236 gegen äußere Abstrahlungen geschützt ist. Das empfangene, gekoppelte 100 kHz-Signal ist proportional zu der Korn-In Figure 20, the sensor application uses the microprocessor 200 to generate a 100 kHz square wave reference signal. This signal is buffered by the operational amplifier Ul. The emitter side of the sensor with increased capacitance is formed on a double-sided printed circuit board. A conductive reflector 236 is on the outside and a conductive reference surface 238 is on the other side. The isolated printed circuit board 237 is made of epoxy glass. The 100 kHz reference signal is coupled via the elastomer 239 to the receiver plate 240 on another board 237 which is protected from external radiation by another shield plate 236. The received, coupled 100 kHz signal is proportional to the grain
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pression der Platten und wird über den Widerstand Rl angelegt. Das Signal wird dann von dem Operationsverstärker U2 gepuffert. Das empfangene Signal wird von der RMS-Konverterschaltung, die aus Dl, R2, Cl und dem Operationsverstärker U3 besteht, in ein proportionales Gleichstromniveau konvertiert. Das Gleichstromniveau wird von dem Operationsverstärker U4 sowie R3 und R4 in ein Maximalniveau von 5 Volt skaliert. Der Mikroprozessor 200 konvertiert dieses analoge Signal durch seinen auf der Platine angeordneten Analog-Digital-Konverter in ein brauchbares Digitalsignal.pression of the plates and is applied across the resistor Rl. The signal is then buffered by the operational amplifier U2. The received signal is converted to a proportional DC level by the RMS converter circuit, which consists of Dl, R2, Cl and the operational amplifier U3. The DC level is scaled to a maximum level of 5 volts by the operational amplifier U4 and R3 and R4. The microprocessor 200 converts this analog signal into a usable digital signal by its on-board analog-to-digital converter.
In der Kniesteuerungsanwendung (Figur 17) sind zwei Konfigurationen dieser Sensortechnologie dargestellt. Dieses sind die hydraulischen Öldrucksensoren 206 und die Körpergewichtssensoren 208. Die Figuren HA und B zeigen einen der zwei Öldrucksensoren 206 oder 31 oder 34, die für die geschlossene Regelung (closed-loop control) der proportionalen Einstellung des Solenoid-Steuerventils verwendet werden. Ölöffnungen 30a und 30b innerhalb des Gehäuses 15 stehen in einer Druckverbindung mit den Kammern 25 und 26 auf gegenüberliegenden Seiten des hydraulischen Flügelrotors 20. Interne Druckveränderungen werden durch eine Endkappe 243 (Figuren HA und HB) und eine Membran 242 an jeden Sensor 206 übertragen. Der Membrandruck komprimiert die gedruckte Referenzschaltungskarte 237, die die Referenzplatte 240 und die Reflektorplatte 236 enthält, gegen das Elastomer 239. Das Signal wird an die Empfängerplatte 238 und eine Abschirmplatte 236 auf einer weiteren Schaltungskarte 237 gekoppelt. Die Anordnung ist in dem Sensorverschlußbehälter 241 untergebracht und arbeitet mit ihrer zugeordneten Schaltungsanordnung wie oben beschrieben.In the knee control application (Figure 17), two configurations of this sensor technology are shown. These are the hydraulic oil pressure sensors 206 and the body weight sensors 208. Figures HA and B show one of the two oil pressure sensors 206 or 31 or 34 used for closed-loop control of the proportional adjustment of the solenoid control valve. Oil ports 30a and 30b within the housing 15 are in pressure communication with chambers 25 and 26 on opposite sides of the hydraulic vane rotor 20. Internal pressure changes are communicated to each sensor 206 through an end cap 243 (Figures HA and HB) and a diaphragm 242. The diaphragm pressure compresses the printed reference circuit board 237, which contains the reference plate 240 and the reflector plate 236, against the elastomer 239. The signal is coupled to the receiver plate 238 and a shield plate 236 on another circuit board 237. The assembly is housed in the sensor closure container 241 and operates with its associated circuitry as described above.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 12A bis 12D ist der Körpergewichtskraftsensor 208 oder 68 der Kniesteuerungsanwendung aus zwei doppelseitigen, gedruckten Leiterplatten 237 der Größe 50,8 mm mal 50,8 mm (2 inch mal 2 inch) aufgebaut, die durch eine Elastomerschicht 239 voneinander getrennt sind. Die Kapazitätsplatten 220 und 221 haben eine Größe von 12,7 mm mal 31,75 mm (0,5 inch mal 1,25 inch), und zwei Referenzplatten und Empfängerplatten 238 und 240 werden dazu verwendet, einen Gewichtsverteilungssensor 68 zu bilden. Dieser Sensor 208 oder 68 ist in dem Grundteil der Kniesteuerung angeordnet. Aus der Kompression in den vorderen, mittleren oder hinteren Kraftverteilungen kann die Systemsoftware die Zustände Zehabheben, flacher Fuß oder Fersenaufsetzen für die Programmzustandssteuerung ermitteln. Diese Anordnung mit ihrer zugehörigen Schaltungsanordnung arbeitet ebenfalls wie oben beschrieben.Referring to Figures 12A through 12D, the body weight force sensor 208 or 68 of the knee control application is constructed of two 50.8 mm by 50.8 mm (2 inches by 2 inches) double-sided printed circuit boards 237 separated by an elastomer layer 239. The capacitance plates 220 and 221 are 12.7 mm by 31.75 mm (0.5 inches by 1.25 inches) and two reference plates and receiver plates 238 and 240 are used to form a weight distribution sensor 68. This sensor 208 or 68 is located in the base of the knee control. From the compression in the front, middle or rear force distributions, the system software can determine toe-off, flat foot or heel strike conditions for program state control. This arrangement with its associated circuitry also works as described above.
In der Kniesteuerungsanwendung (Figur 17) ist die Systemsoftware in einem Assembler-Code für einen Mikroprozessor 200 des Typs Motorola MC68HC912B32 geschrieben. DieserIn the knee control application (Figure 17), the system software is written in assembly code for a microprocessor 200 of the type Motorola MC68HC912B32. This
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Mikroprozessor 200 umfaßt eine 16-Bit-CPU, eine Unterbrechungssteuerung, einen 8-Kanal-8-Bit-A/D-Konverter, ein RAM mit 1 Kilobyte, 32 Kilobyte eines EPROM-Programm-Kurzzeitspeichers, ein EEPROM mit 756 Byte, eine Echtzeit-Zeitgliedunterbrechung, 6 Zeitglied-Zähler, eine Überwachungsschaltung sowie eine Anordnung von Kommunikationseinrichtungen zur Wechselwirkung mit anderen Systemen, wie beispielsweise einem seriellen RS-232-Peripheriegerät, einem synchronen, seriellen Peripheriegerät, einem synchronen, seriellen BDLC-Peripheriegerät sowie einer Schnittstelle für eine Echtzeit-Hintergrund-Betriebsart. Microprocessor 200 includes a 16-bit CPU, an interrupt controller, an 8-channel 8-bit A/D converter, a 1 kilobyte RAM, 32 kilobytes of EPROM program short-term storage, a 756-byte EEPROM, a real-time timer interrupt, 6 timer counters, a supervisory circuit, and an array of communications facilities for interaction with other systems such as an RS-232 serial peripheral, a synchronous serial peripheral, a synchronous BDLC serial peripheral, and a real-time background mode interface.
Die Kniesteuerungssoftware-Anwendung enthält Unterprogramme, die bei Roboteranwendungen und Trainingsgeräten üblich sind. Unter Bezugnahme auf das allgemeine Blockdiagramm der Figur 15 gibt der Mikroprozessor 200 ein Signal an eine Ventilsteuerschaltung 207 ab, um das proportionale Solenoid-Steuerventil 210, wie beispielsweise das Ventil 32, zu betreiben, das wiederum einen Widerstand aufbringt, indem die Fluidbetätigungseinrichtung 211, wie beispielsweise der Rotor 20, begrenzt wird. Zwei Drucksensoren 212 und 213, wie beispielsweise die Sensoren 31 und 34, werden von dem Mikroprozessor 200 aufgenommen, um bei seiner geschlossenen Regelung des Ventils verwendet zu werden, um eine korrekt auf die mit der Betätigungseinrichtung gekoppelte Einrichtung aufgebrachte Kraft aufrecht zu erhalten, unabhängig von Herstellungstoleranzen, Temperaturveränderungen und Fluidviskositäten. Die Drucksensoren messen den Differentialdruck über die Betätigungseinrichtung, unabhängig von der Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung. Die Vorrichtung 215, auf die der Widerstand aufgebracht wird, enthält einen Stellungssensor 216, wie beispielsweise den Sensor 18, der es der Systemsoftware gestattet, den äußeren Regelkreis hinsichtlich der Ermittlung der Stellung, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Bewegungsrichtung der Vorrichtung zu schließen. In den meisten Fällen verwendet die Systemsoftware außerdem eine zusätzliche Analogschaltung 208 sowie Schalteingänge 224 für eine Programmzustandssteuerung. The knee control software application includes subroutines common to robotic applications and training devices. Referring to the general block diagram of Figure 15, the microprocessor 200 provides a signal to a valve control circuit 207 to operate the proportional solenoid control valve 210, such as valve 32, which in turn applies resistance by limiting the fluid actuator 211, such as rotor 20. Two pressure sensors 212 and 213, such as sensors 31 and 34, are incorporated by the microprocessor 200 for use in its closed-loop control of the valve to maintain a correct force applied to the device coupled to the actuator, regardless of manufacturing tolerances, temperature variations, and fluid viscosities. The pressure sensors measure the differential pressure across the actuator, regardless of the direction of movement of the actuator. The device 215 to which the resistor is applied includes a position sensor 216, such as sensor 18, which allows the system software to close the external control loop in determining the position, velocity, acceleration and direction of movement of the device. In most cases, the system software also uses an additional analog circuit 208 and switch inputs 224 for program state control.
Unter Bezugnahme auf die Kniesteuerungs-Software, die oben in Verbindung mit Figur 17 erläutert worden ist, gibt die in dem Mikroprozessor 200 ausgeführte Systemsoftware das erforderliche 8-Bit-Steuerventilniveau der Ventilsteuerschaltungsanordnung 207 ab. Das digitale Potentiometer verwendet drei I/O-Stifte des Mikroprozessores. Die Niedrigniveau-Treiberroutine der Software erzeugt die erforderliche synchrone, serielle 10-Bit-Verbindung, die den erforderlichen Eingangsantrieb von 0 bis 4,9 Volt für den Konstantstrom-Ventilsteuerungsverstärker einstellt. Die Fluiddruckkraftsensoren 212 und 213, wie beispielsweise die Sensoren 31 und 34, werden von der Fluiddrucksensorschaltung 208 analog verarbeitetReferring to the knee control software discussed above in connection with Figure 17, the system software executing in the microprocessor 200 provides the required 8-bit control valve level to the valve control circuitry 207. The digital potentiometer uses three I/O pins of the microprocessor. The low level driver routine of the software generates the required synchronous 10-bit serial connection that sets the required input drive of 0 to 4.9 volts for the constant current valve control amplifier. The fluid pressure force sensors 212 and 213, such as sensors 31 and 34, are analog processed by the fluid pressure sensor circuitry 208.
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und skaliert. Das demodulierte Proportionalsignal von 0 bis 5 Volt wird von dem Mikroprozessor 200 gelesen, wobei die Niedrigniveau-Treiberroutine des A/D-Fluidsensors verwendet wird. Alle Fluiddruck- und Gewichtssensoren verwenden ein Rechteckwellen-Referenzsignal von 100 kHz, das von den auf der Platte des Mikroprozessors befindlichen Zähler-Zeitgliedern erzeugt und in der Energiezufuhr-Rücksetz-Routine der Software initialisiert wird. Dieses Signal wird von der Hardware gepuffert und zu den Sensoren gesendet.and scaled. The demodulated 0 to 5 volt proportional signal is read by the microprocessor 200 using the low level A/D fluid sensor driver routine. All fluid pressure and weight sensors use a 100 kHz square wave reference signal generated by the counter timers located on the microprocessor board and initialized in the software power reset routine. This signal is buffered by the hardware and sent to the sensors.
Die äußere Regelkreisrückkopplung wird durch den linearen Hall-Effekt-Stellungssensor 216 erzielt, wie beispielsweise den Sensor 18, der an das bewegliche Kniegelenkgehäuse 15 angebracht ist. Das analoge Ausgangssignal des Hall-Effekt-Sensors 18 ist nicht linear. Ein Teil der Linearisierung wird durch die Nockenoberfläche auf der Halteplatte 8 (Figur 6) bewerkstelligt. Der Großteil der Stellungsinterpretation wird durch eine Software-Nachschlagtabellen-Treiberroutine bewerkstelligt, die die Rohstellung in einen tatsächlichen Kniewinkel in Graden und Zehnteln konvertiert. Die Rohstellungsinformation wird durch die Stellungssensorschaltung 204 skaliert und versetzt, die von dem Mikroprozessor 200 abgelesen wird, wobei die A/D-Stellungstreiber-Softwareroutine verwendet wird.The external loop feedback is achieved by the linear Hall effect position sensor 216, such as sensor 18, attached to the movable knee joint housing 15. The analog output of the Hall effect sensor 18 is non-linear. Part of the linearization is accomplished by the cam surface on the support plate 8 (Figure 6). Most of the position interpretation is accomplished by a software look-up table driver routine that converts the raw position to an actual knee angle in degrees and tenths. The raw position information is scaled and offset by the position sensor circuit 204, which is read by the microprocessor 200 using the A/D position driver software routine.
Zwei Arten von Hilfsprogramm-Entscheidungs-Zustandssteuerfunktionen werden verwendet. Von diesen ist eine analog und die andere digital. Die analogen Programmzustandssensoren 220 und 221 bilden den dualen Körpergewichtssensor 68, der an das Grundteil des Kniesteuerrahmens 5 angebracht ist. Die Sensoren 220 und 221 nehmen das Gewicht der amputierten Person auf, das auf den Zeh oder den flachen Fuß oder die Ferse aufgebracht wird, um die Software-Hauptprogrammsteuerung zu unterstützen. Die zwei Sensoren 220 und 221 verwenden außerdem das Referenzsignal von 100 kHz. Die resultierenden, demodulierten und skalierten analogen Signale werden über A/D-Softwaretreiber von dem Mikroprozessor 200 gelesen. Variationen in der Größe, dem Gewicht, dem Alter und der Stärke der amputierten Person werden durch die Einstellung von zehn Niveaus von Beuge- und zehn Niveaus von Streckprofilen angepaßt. Diese Einstellungen werden von dem Prothetiker während der Kniesteuerungsanpassung vorgenommen. Die übergeordnete, gedruckte Kleinst-Schaltkreiskarte enthält zwei digitale hexadezimale Miniaturrotationsschalter mit sechzehn Positionen. Die ersten zehn Positionen werden für die prothetischen Einstellungen des Beugens und des Streckens verwendet, und die anderen sechs Positionen werden für spezielle Betriebsarten verwendet, die für Sport und Geriatrie zugeschnitten sind. Die zwei 4-Bit-Hilfsschaltereingänge 224 werden direkt von dem Mikroprozessor eingelesen, wobei die Softwaretreiber-Eingangsroutine des Schalters sowie die I/O-Eingangsstifte und die zugehörigen internen Widerstände zum Hochsetzen der Spannung verwendet werden. Die Eingangssignale werdenTwo types of auxiliary program decision state control functions are used. One of these is analog and the other is digital. The analog program state sensors 220 and 221 form the dual body weight sensor 68 which is attached to the base of the knee control frame 5. The sensors 220 and 221 sense the weight of the amputee applied to the toe or flat foot or heel to assist the main software program control. The two sensors 220 and 221 also use the 100 kHz reference signal. The resulting demodulated and scaled analog signals are read by the microprocessor 200 via A/D software drivers. Variations in the amputee's height, weight, age and strength are accommodated by setting ten levels of flexion and ten levels of extension profiles. These settings are made by the prosthetist during the knee control fitting. The master micro printed circuit board contains two miniature sixteen-position digital hexadecimal rotary switches. The first ten positions are used for the prosthetic settings of flexion and extension, and the other six positions are used for special modes of operation tailored for sports and geriatrics. The two 4-bit auxiliary switch inputs 224 are read directly by the microprocessor using the switch's software driver input routine and the I/O input pins and associated internal resistors to step up the voltage. The input signals are
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normalerweise als digitales oberes TTL-Niveau gesehen, außer wenn sie durch den Schalter geerdet sind.normally seen as a digital upper TTL level unless they are grounded through the switch.
Da diese Kniesteuerungsanwendung batteriebetrieben ist, sind zusätzliche Niedrigniveau-Softwaretreiber für diese Anwendung erforderlich. Die Batteriepackung 218 wie die Batteriepackung 19 wird durch die Energieversorgungsschaltungen 203 in 5, 7,2 und 14,4 Volt konditioniert und aufgespalten. Das Batterieniveau wird von dem Mikroprozessor 200 durch das aufgenommene Signal 222 der konditiomerten Batterie überwacht. Das analoge, gefilterte Niveau von 0 bis 5 Volt wird von dem Mikroprozessor 200 durch die A/D-Batterietreiberroutine der Niedrigniveau-Software eingelesen. Wenn die Programme feststellen, daß sich die Batterie innerhalb eines Bereichs von 30 Minuten eines minimalen Sicherheitsbetriebsniveaus befindet, werden die zwei Sicherheitssoftwareroutinen aktiviert, um zu bewirken, daß eine Vibratorschaltung 226 ein Warnsignal erzeugt, um dem Benutzer eine Mitteilung über ein bevorstehendes Abschalten zu geben. Die Verbindung mit der Außenwelt zu oder von der Kniesteuerung erfolgt über interne Kommunikationsanschlüsse des Mikroprozessors und eine Hardware-Schnittstellenschaltung 202. Die asynchronen (SCI) und synchronen (SPI) seriellen Datenanschlüsse werden für die Aufnahme und Steuerung spezieller klinischer Daten verwendet. Der Anschluß für die Hintergrund-Betriebsart (BDM) wird während des Herstellungsprozesses sowie während der Software-Entwicklung für die Fabrik als Testschnittstelle verwendet. Die Hauptprogrammierung des 32-Kilobytes-Kurzzeitspeichers wird über den BDM-Anschluß programmiert.Since this knee control application is battery powered, additional low level software drivers are required for this application. The battery pack 218, like the battery pack 19, is conditioned and split into 5, 7.2 and 14.4 volts by the power supply circuits 203. The battery level is monitored by the microprocessor 200 through the conditioned battery sensed signal 222. The analog filtered level of 0 to 5 volts is read by the microprocessor 200 through the low level software A/D battery driver routine. When the programs determine that the battery is within 30 minutes of a minimum safe operating level, the two safety software routines are activated to cause a vibrator circuit 226 to generate a warning signal to give the user notice of an impending shutdown. The connection to or from the outside world to the knee controller is made through internal microprocessor communication ports and a hardware interface circuit 202. The asynchronous (SCI) and synchronous (SPI) serial data ports are used for the acquisition and control of special clinical data. The background mode (BDM) port is used as a test interface during the manufacturing process and during software development for the factory. The main programming of the 32 kilobyte short-term memory is done through the BDM port.
Figur 22 zeigt die Kniesteuerungs-Hauptprogrammsoftware. Wenn der Mikroprozessor 200 mit Energie versorgt wird, wird der Mikroprozessor an das Rücksetz-(RESET)-Unterprogramm übergeben. Diese Routine initialisiert die programmierbaren Datenanschlüsse und Peripherieeinrichtungen auf das gewünschte analoge und digitale Niveau, wie beispielsweise die zwei Gewichtssensoren und die zwei Fluiddrucksensoren, die ihr 100 kHz-Referenzsignal für einen korrekten Betrieb benötigen. Das proportionale Steuerventil-Antriebsniveau wird auf Null gesetzt, bis es erforderlich ist, daß es sich durch das Anwendungsprogramm ändert. Wenn das System initialisiert ist, wird ein in das System eingebautes Testprogramm ausgeführt, um festzustellen, ob die Kniesteuerungselektronik entsprechend den Herstellerspezifikationen arbeitet. Falls das nicht der Fall ist, wird der Systemvibrator für eine halbe Sekunde eingeschaltet und für eine Sekunde ausgeschaltet aktiviert, um den Benutzer zu warnen, daß das System einem Fehler begegnet ist und daß seine Benutzung nicht sicher ist. Bis der Fehler korrigiert wird, wird die Ausführung einer normalen Systemanwendung deaktiviert. Während eines normalen Betriebs wird die Ermittlung der Systemsteuerung und -betriebsartFigure 22 shows the knee control main program software. When the microprocessor 200 is powered, the microprocessor is passed to the reset (RESET) subroutine. This routine initializes the programmable data ports and peripherals to the desired analog and digital level, such as the two weight sensors and the two fluid pressure sensors, which require their 100 kHz reference signal for proper operation. The proportional control valve drive level is set to zero until required to be changed by the application program. Once the system is initialized, a test program built into the system is executed to determine if the knee control electronics are operating according to the manufacturer's specifications. If not, the system vibrator is activated on for half a second and off for one second to warn the user that the system has encountered a fault and that it is not safe to use. Until the error is corrected, execution of a normal system application is disabled. During normal operation, determination of system control and operating mode
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durch die zwei Unterbrechungsroutinen bewerkstelligt, die mit einer Rate von 100 und 1.000 mal pro Sekunde auftreten.accomplished by the two interrupt routines that occur at a rate of 100 and 1,000 times per second.
Das Hauptprogramm führt während der Systemleerlaufzeit eine Überprüfung hinsichtlich der Zustände einer schwachen Batterie und hinsichtlich äußerer Kommunikationsverbindungen durch, während der die durch die Unterbrechung angetriebene, adaptive, geschlossen geregelte, zeitabhängige Anwendung nicht ausgeführt wird. Das Hauptprogramm überprüft zwei Niedrigniveau-Batteriezustände, von denen einer vorliegt, wenn sich das Niveau bei weniger als 30 Minuten eines sicheren Betriebes befindet, und von denen der andere gegeben ist, wenn sich die Batterie in einem Zustand befindet, in dem weniger als 10 Minuten sicherer Betriebszeit verbleiben. Der Nutzer wird über den unmittelbaren Verlust der Systemverwendung, bedingt durch eine schwache Batterie, informiert entweder für den 30-Minuten-Fall durch eine Vibration, die eine Sekunde eingeschaltet und zehn Sekunden ausgeschaltet ist, oder die für den 10-Minuten-Fall eine Sekunde eingeschaltet und eine Sekunde ausgeschaltet ist. Bei normaler Verwendung hält die Lithium-Ionen-Batteriepackung 22 bis 30 Stunden, bevor sie wieder aufgeladen werden muß. Normalerweise wird die Kniesteuerungsprothese jede Nacht von dem Nutzer wieder aufgeladen. Falls erforderlich, kann der Nutzer die Batteriepackung während des Betriebs in zwei Stunden auf 90 % ihres Niveaus aufladen.The main program checks for low battery and external communication link conditions during system idle time, during which the interrupt driven adaptive closed loop time dependent application is not running. The main program checks for two low level battery conditions, one of which is when the level is at less than 30 minutes of safe operation, and the other of which is when the battery is in a state with less than 10 minutes of safe operation remaining. The user is notified of the immediate loss of system use due to a low battery by either a vibration that is on for one second and off for ten seconds for the 30 minute case, or one second on and one second off for the 10 minute case. With normal use, the lithium ion battery pack lasts 22 to 30 hours before needing to be recharged. Typically, the knee control prosthesis is recharged by the user each night. If necessary, the user can recharge the battery pack to 90% of its level in two hours during operation.
Figur 23 zeigt die 1-Millisekunden-Software-Unterbrechungsroutine der Kniesteuerungseinheit. Diese Routine nimmt die Sensorrohdaten auf und aktualisiert die Ventilsteuerung mit einer Rate von 1.000 mal pro Sekunde. Die Sensorrohdaten werden von den individuellen A/D-Kanälen eingelesen. Diese 8-Bit-Ventilsignale werden durch die Niedrigniveau-Softwaretreiberroutinen unter Verwendung von Nachschlagekonvertierungstabellen und numerischen Berechnungen in tatsächliche skalierte Fluiddrücke in psi, in vordere und hintere Gewichtsverteilungen des Amputierten in Pfund (pounds) und in einen Kniewinkel in Grad konvertiert. Das Ventil wird außerdem in der Art und Weise eines geschlossenen Regelkreises bei dieser Rate von 1.000 mal pro Sekunde geregelt, indem ein neues Regelniveau berechnet wird, das in die elektronische Schaltung des Solenoid-Steuerventils geschrieben werden soll. Eine Berechnung wird aus der Fehlerdifferenz zwischen der erforderlichen Kraft und dem aufgenommenen hydraulischen Fluiddruck durchgeführt. Diese Differenz wird in einer nicht linearen Verstärkungsgleichung und einer Nachschlagtabelle verwendet, um die nächstbeste Abschätzung an der Ventilniveausteuerung zu ermitteln, um den gewünschten augenblicklichen Widerstand mit dem geringsten Fehler oder der geringsten Verzögerung zu erzielen. Die erhaltenen Steuer-Byte-Werte werden durch die Niedrigniveau-Treibersoftwareroutine in das digitale Potentiometer geschrieben, wobei die Bytes in die erforderlichen seriellen 10-Bit-Figure 23 shows the knee control unit's 1 millisecond software interrupt routine. This routine takes the raw sensor data and updates the valve control at a rate of 1,000 times per second. The raw sensor data is read from the individual A/D channels. These 8-bit valve signals are converted by the low-level software driver routines using lookup conversion tables and numerical calculations to actual scaled fluid pressures in psi, to front and rear amputee weight distributions in pounds, and to knee angle in degrees. The valve is also controlled in a closed-loop manner at this rate of 1,000 times per second by calculating a new control level to be written into the solenoid control valve electronic circuit. A calculation is made from the error difference between the required force and the received hydraulic fluid pressure. This difference is used in a non-linear gain equation and a look-up table to determine the next best estimate at the valve level control to achieve the desired instantaneous resistance with the least error or delay. The obtained control byte values are written to the digital potentiometer by the low level driver software routine, converting the bytes into the required 10-bit serial
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Daten konvertiert werden und wobei der Taktimpuls und die Aktivierungsbits in einer Bitum-Bit-Weise gesteuert werden.data is converted and the clock pulse and the activation bits are controlled in a bit-by-bit manner.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 24A und 24B hat die Kniesteuerungseinheit eine 10 Millisekunden-Unterbrechungsroutine, die den Hauptregelkreis darstellt, in dem der Großteil der Berechnungen und die Programmsteuerung ausgeführt werden. Diese Routine arbeitet mit einer Rate von 100 mal pro Sekunde. Die Softwareanwendung benötigt die Kniestellung, die Kniegeschwindigkeit, die Knierichtung, Schaltereinstellungen des Patienten für das Strecken und Beugen sowie die vordere und hintere Körpergewichtsverteilung. Die Aufnahme der Stellung ist der wichtigste Parameter. Um eine glatte und genaue Stellungsinformation zu erhalten, werden die zehn l-Millisekunden-Unterbrechungs-Stellungsabtastwerte in einer Gruppe gespeichert. Diese geordneten Abtastwerte werden zeitlich gewichtet und in einem Ausschnitt gemittelt, um die verwendete Kniestellung des Systems zu erhalten. Die vorhergehende alte Stellung wird von der neuen Stellung subtrahiert und durch 10 Millisekunden dividiert, um eine Kurzzeit-Kniegeschwindigkeit zu berechnen.Referring to Figures 24A and 24B, the knee control unit has a 10 millisecond interrupt routine that is the main control loop in which the majority of the calculations and program control are performed. This routine operates at a rate of 100 times per second. The software application requires knee position, knee velocity, knee direction, patient switch settings for extension and flexion, and anterior and posterior body weight distribution. The recording of the position is the most important parameter. To obtain smooth and accurate position information, the ten 1 millisecond interrupt position samples are stored in a group. These ordered samples are time weighted and averaged in a slice to obtain the system's used knee position. The previous old position is subtracted from the new position and divided by 10 milliseconds to calculate a short term knee velocity.
Die neue Stellung wird außerdem von einer alten Stellung subtrahiert, die 50 Millisekunden zurückliegt, und sie wird durch 50 Millisekunden dividiert, um eine Langzeit-Kniegeschwindigkeit zu berechnen. Die Kurzzeit-Kniegeschwindigkeit wird für die Ermittlung der Knierichtung verwendet. Die Langzeit-Kniegeschwindigkeit wird für die Ermittlung des aufzubringenden Kniewiderstandes verwendet. Die Berechnungen des aufgebrachten Kniewiderstandes basieren auf der mathematischen Übertragungsfunktion einer nicht-elektronischen hydraulischen Kniesteuerung, die durch eine umfangreiche technische Charakterisierung erhalten wird. Ein Satz von Tabellen und Gleichungen wird verwendet, um den erforderlichen aufgebrachten Widerstand, ausgedrückt in PSI, für jede augenblickliche Kniestellung, Kniegeschwindigkeit, Knierichtung und Schaltereinstellung des Patienten für Beugen oder Strecken zu berechnen. Wenn die normalen Schwingphasen-Berechnungen ausgeführt worden sind, wird der normale Schwingphasen-Widerstand in dem RAM für eine spätere Verwendung gespeichert.The new position is also subtracted from an old position 50 milliseconds ago and divided by 50 milliseconds to calculate a long-term knee velocity. The short-term knee velocity is used to determine knee direction. The long-term knee velocity is used to determine the knee resistance to be applied. The applied knee resistance calculations are based on the mathematical transfer function of a non-electronic hydraulic knee controller obtained through extensive engineering characterization. A set of tables and equations are used to calculate the required applied resistance, expressed in PSI, for each instantaneous knee position, knee velocity, knee direction, and patient switch setting for flexion or extension. Once the normal swing phase calculations have been performed, the normal swing phase resistance is stored in RAM for later use.
Der Programmablauf ermittelt dann, ob zusätzliche Betriebsarten ausgeführt werden müssen. Der erste Entscheidungsweg betrifft eine Grenzverzögerung (Terminal Deceleration = T.D.). Wenn das prothetische Knie sich einer vollständigen Streckung annähert, bringt die Systemsoftware einen zusätzlichen großen Widerstand bei weniger als 10° auf, um eine Überstreckung des Knies zu vermeiden. Gleichermaßen wird eine andere Routine verwendet, um das prothetische Knie während des Beugens zu verlangsamen. Dieses wird BeugeverzögerungThe program flow then determines if additional modes of operation need to be performed. The first decision path involves a terminal deceleration (T.D.). As the prosthetic knee approaches full extension, the system software applies an additional large resistance at less than 10° to prevent hyperextension of the knee. Similarly, another routine is used to slow the prosthetic knee during flexion. This is called flexion deceleration
• ··
• ··
• f• f
jx-ma-10 - 29 -jx-ma-10 - 29 -
(Flexion Decelaration = F.D.) genannt. Diese Routine wird dazu verwendet, das Knie von einem zu starken Beugen abzuhalten. Die F.D.-Routine steigert den Widerstand proportional bis über eine Beugung von 65° hinaus und beendet die Kniesteuerung bei 70° vollständig. Andere zusätzliche Betriebsarten umfaßen die Ermittlung des Herabgehens von Treppen und die Ermittlung eines Stolperns. Die Betriebsart des Treppenherabsteigens wird durch den Kniewinkel und die Gewichtsverteilung ermittelt, wie sie von den zwei Gewichtskraftsensoren 220 und 221 erfahren wird. Die elektronische Steuerung dehnt den abklingenden Stellungsmodus des mechanischen Teils der Steuerung aus. Wenn das Abfangen eines Stolperns erforderlich ist, bringt sie einen großen Widerstand auf die Kniesteuerung für eine bestimmte Zeitdauer auf und verzögert ihn dann auf Null. Diese Betriebsart versucht, den Patienten gegen ein Fallen zu schützen, und sie wird durch die Kniegeschwindigkeit, den Kniewinkel und die Gewichtskraftverteilung erfaßt.(Flexion Decelaration = F.D.). This routine is used to prevent the knee from bending too much. The F.D. routine increases resistance proportionally beyond 65° of flexion and terminates knee control completely at 70°. Other additional modes include stair descent detection and trip detection. The stair descent mode is determined by the knee angle and weight distribution as sensed by the two weight force sensors 220 and 221. The electronic controller extends the decaying position mode of the mechanical portion of the controller. When trip arrest is required, it applies a large resistance to the knee controller for a period of time and then decelerates it to zero. This mode attempts to protect the patient from falling and is sensed by knee speed, knee angle and weight force distribution.
Wenn der Widerstands-Softwareablauf vollständig ist, wird das gewünschte, aufzubringende Kraftniveau in einer RAM-Variablen gespeichert. Die Anwendungssoftware berechnet das beste Ventilsteuerniveau auf der Grundlage der Kniegeschwindigkeit, der Knierichtung, der hydraulischen Eigenschaften sowie der Ventileigenschaften. Dieses Niveau wird in eine RAM-Variablenposition zur Verwendung durch die zuvor erwähnte 1-Millisekunden-Unterbrechungsroutine geschrieben.When the resistance software sequence is complete, the desired force level to be applied is stored in a RAM variable. The application software calculates the best valve control level based on the knee speed, knee direction, hydraulic characteristics, and valve characteristics. This level is written to a RAM variable location for use by the 1 millisecond interrupt routine mentioned previously.
Eine Zusammenfassung des Gehzyklus der Kniesteuerungsanwendung ist in Fig. 21 dargestellt. Der Kniewinkel des Gehzyklus ist durch die Kurve 248 dargestellt. Die Schwingphase ist aktiv, wenn die Kniesteuerung vom Boden entfernt ist, wobei sich das Knie beim Beugen oder Strecken biegt. Die Schwingphase beginnt bei der Position 252, an der der Zeh abgehoben wird, und sie wird zu dem Zeitpunkt abgeschlossen, zu dem die Ferse gerade dabei ist, an der Position 253 aufzusetzen. Die elektronische Steuerung ist zu jedem Zeitpunkt aktiv, in dem das Knie sich in einem Winkel von mehr als Null befindet, außer daß sie ermittelt, daß sich das Knie für mehr als fünf Sekunden nicht bewegt hat. Die Stellungsphase besteht aus einer Fersenaufsetzposition 249, einer Belastungsposition 250, in der das gesamte Gewicht getragen wird, und einer Position 251, in der der Zeh fast abgehoben ist, aber den Boden noch berührt.A summary of the walking cycle of the knee control application is shown in Fig. 21. The knee angle of the walking cycle is represented by curve 248. The swing phase is active when the knee control is off the ground, with the knee bending as it bends or extends. The swing phase begins at the toe-off position 252 and is completed by the time the heel is just about to touch down at position 253. The electronic control is active at any time the knee is at an angle greater than zero, except when it detects that the knee has not moved for more than five seconds. The stance phase consists of a heel-off position 249, a loading position 250 where all weight is supported, and a position 251 where the toe is almost off the ground but still touching the ground.
Während das Verfahren und die Form einer Vorrichtung, wie sie hier beschrieben sind, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen, versteht es sich, daß die Erfindung nicht lediglich auf das beschriebene Verfahren und die Form der Vorrichtung beschränkt ist,While the method and form of apparatus described herein represent a preferred embodiment of the invention, it is to be understood that the invention is not limited solely to the method and form of apparatus described,
jx-ma-10 - 30 -jx-ma-10 - 30 -
und daß darin Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.and that changes may be made therein without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.
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