DE3923057A1 - Knee-joint prosthesis with free wheel - allows lower leg to be swung to straight position - Google Patents

Abstract

The knee-joint prosthesis has the lower leg (2) attached to the upper leg (5) by a free-wheel (1). This has a housing (3) which can be held stationary relative to the upper leg by a brake (6). When the brake is applied the lower leg can be swunng from the bent position to the straight position but it cannot be swung in the reverse direction. An actuator is provided to release the brake (6) by applying a forrce to the lever (4) which is attached to the housing (3). Releasing the brake (6) enables the lower leg to be swung in either direction. USE - Knee-joint prosthesis.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft ein Kniegelenk für eine Beinprothese für Personen, die einen oder beide Unterschenkel ein­schließlich Kniegelenk verloren haben.The invention relates to a knee joint for a prosthetic legfor people who have one or both lower legseventually lost knee joint.

Bereits bekannt sind künstliche Kniegelenke, die lediglich eine reine Lagerfunktion aufweisen. Bei herkömmlichen Bau­formen werden ein oder mehrere Drehpunkte verwendet, bei­spielsweise auch in Form einer Viergelenkkette. Um eine ge­wisse Einknicksicherheit in den Endlagen zu gewährleisten, werden häufig federnde Elemente eingesetzt, die das Gelenk entweder in die gebeugte oder gestreckte Position drücken. Nachteilig ist bei diesen Bauformen jedoch, daß bei nicht vollständig gestrecktem Kniegelenk stets die Gefahr des Einknickens unter Belastung vorhanden ist. Hieraus ergibt sich für den Benutzer ein erhebliches Sicherheitsrisiko, da ein Einknicken zu einem Sturz führen kann.Artificial knee joints are only knownhave a pure storage function. With conventional constructionone or more pivot points are used forfor example in the form of a four-link chain. To a geto ensure that there is no buckling in the end positions,Resilient elements are often used, the jointeither push to the bent or extended position.The disadvantage of these designs, however, is that they do notfully extended knee joint always the risk ofThere is a buckling under load. From this resultsthere is a considerable security risk for the user becausea buckling can lead to a fall.

Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden Kniegelenke mit Bremsen entwickelt, die die Möglichkeit bieten, von außen blockiert zu werden. Dies setzt jedoch voraus, daß der Benutzer die Bremseinrichtung manuell betätigt. Darüber hinaus ist nach dem Blockieren ein Beugen des Kniegelenks nicht mehr mög­lich, so daß beispielsweise zum Gehen zunächst die Bremse gelöst werden muß. Danach ist allerdings die Bremseinrich­tung unwirksam und kann das Einknicken des Knies mit den daraus resultierenden negativen Folgen nicht verhindern. Ebenfalls bekannt sind künstliche Kniegelenke, die zur Ver­meidung der beschriebenen Effekte belastungsabhängige Sper­rungen aufweisen. Da viele dieser Gelenkbauformen hohe Rei­bung aufweisen, wurden in der Vergangenheit auch Konstruk­tionen erstellt, die drehrichtungsabhängige Sperrmechanis­men (z. B. Freiläufe) aufweisen. Hierdurch wird ermöglicht, daß der Prothesenträger den künstlichen Unterschenkel beim Gehen problemlos nach vorn schleudern kann. Darüber hinaus ist auch das Treppaufgehen möglich, bei dem das Gelenk in belastetem Zustand gestreckt werden muß. Treppabgehen ist jedoch mit den bisher bekannten Gelenken kaum in akzeptabler Weise möglich. Außerdem kann sich der Prothe­senträger erst nach Lösen der Sperreinrichtung durch Ein­griff von außen hinsetzen.To remedy this, knee joints with brakesdeveloped that offer the possibility of being blocked from the outsideto become. However, this requires that the userBraking device operated manually. In addition, is afterblocking the knee joint is no longer possibleLich, so that, for example, the brake first for walkingmust be solved. After that, however, is the brake devicetion ineffective and can cause the knee to buckle with thedo not prevent the resulting negative consequences.Also known are artificial knee joints that are used for veravoidance of the effects described load-dependent lockhave stanchions. Since many of these joint designs have highexercise, designs have also been used in the pastcreated the locking mechanism depending on the direction of rotationmen (e.g. freewheels). This enablesthat the prosthesis wearer the artificial lower legCan easily hurl forward. Furthermoreit is also possible to climb the stairs, in which the joint inloaded condition must be stretched. Walking downstairs ishowever with the previously known joints hardly in acceptable possible. In addition, the Protheonly after releasing the locking device by onsit down from the outside.

Besonders negativ wirken sich die beschriebenen Effekte bei beidseitig beinamputierten Personen aus.The effects described have a particularly negative effectpeople amputated on both sides.

Abhilfe soll das Kniegelenk gemäß der Erfindung schaffen; zwei Ausführungsbeispiele sind inFig. 1 und inFig. 2 dargestellt.Remedy is to create the knee joint according to the invention; two exemplary embodiments are shown inFIG. 1 and inFIG. 2.

Das Prinzip des inFig. 1 gezeigten künstlichen Kniege­lenks beruht auf der Reihenschaltung einer drehrichtungsab­hängig schaltenden Kupplung und einer Bremse. Ist die Bremse gelöst, so ist der Unterschenkel in beiden Richtun­gen frei beweglich, so daß die Prothese in der Art einer herkömmlichen Beinprothese arbeitet. Bei Belastung des Bei­nes wird dagegen die Bremsrichtung blockiert, so daß der Unterschenkel nur noch in der Freilaufrichtung der dreh­richtungsabhängig schaltenden Kupplung bewegt werden kann, während in der anderen Richtung (Sperrichtung der Kupplung) die Bewegung blockiert ist. Entgegen der belastungsabhängi­gen Betätigung der Bremseinrichtung kann der Prothesenträ­ger die Bremse lösen, in dem er beispielsweise mit Hilfe eines Seilzuges eine Betätigungskraft aufbringt. Durch die Dosierung dieser Kraft in Abhängigkeit von der Belastung des Beines kann der Prothesenträger die Bremswirkung so steuern, daß ein Einknicken des Kniegelenks mit definierter Bremswirkung erfolgen kann.The principle of the artificial knee joint shown inFig. 1 is based on the series connection of a rotationally dependent clutch and a brake. If the brake is released, the lower leg can move freely in both directions, so that the prosthesis works in the manner of a conventional leg prosthesis. When loading the case of nes, on the other hand, the braking direction is blocked, so that the lower leg can only be moved in the freewheeling direction of the rotationally switching clutch, while the movement is blocked in the other direction (locking direction of the clutch). Contrary to the load-dependent actuation of the braking device, the prosthesis wearer can release the brake by applying an actuating force with the aid of a cable, for example. By dosing this force as a function of the load on the leg, the prosthesis wearer can control the braking effect in such a way that the knee joint can buckle with a defined braking effect.

Besondere Vorteile bietet das Kniegelenk gemäß der Erfin­dung beim Treppabgehen. Wird hierbei ein mit einer Prothese versehenes Bein auf der oberen Stufe belassen und wird das andere Bein vorgesetzt, so ist es erforderlich, das behin­derte Bein langsam und kontrollierbar einzuknicken. Mit dem erfindungsgemäßen Kniegelenk bietet sich die Möglichkeit, durch gezielte, langsame Veränderung der Betätigungskraft das Kniegelenk langsam zu beugen. Bei der Verwendung einer reibschlüssigen Bremse beispielsweise kann der Benutzer über das Schalt- bzw. Steuersignal die Vorspannkraft der Bremse verändern. Hieraus ergibt sich unmittelbar die Ver­änderung des Bremsmomentes, so daß der Benutzer je nach Be­darf steuern kann, wie schnell bzw. wie langsam das Kniege­lenk gebeugt wird. Der drehrichtungsabhängige Sperrmecha­nismus befindet sich bei dem beschriebenen Vorgang in Sper­richtung und wirkt wie eine starre Verbindung. Die be­schriebene Nutzung des Kniegelenks gemäß der Erfindung er­folgt sowohl beim Treppabgehen als auch beim Beschreiten von Gefällestrecken, die Bewegungsverhältnisse sind dabei vergleichbar.The knee joint offers special advantages according to the Erfinexercise when going downstairs. This will be one with a prosthesisleft leg on the upper step and willother leg in front, so it is necessary to behinbuckling slowly and controllably. With theknee joint according to the invention offers the possibility ofthrough targeted, slow changes in operating forceto bend the knee slowly. When using aFor example, the user can use a friction brake the biasing force of theChange the brake. The verChange the braking torque, so that the user depending on the loadingcan control how fast or how slowly the kneeis bent. The locking mechanism dependent on the direction of rotationnism is in the process described in Sperdirection and acts like a rigid connection. The beWritten use of the knee joint according to the inventionfollows both when going down stairs and when walkingof slopes, the movement conditions are therecomparable.

Der wesentliche Vorteil des Kniegelenks gemäß der Erfindung liegt in der harmonischen Bewegung und in der geringen Be­lastung der Wirbelsäule beim Treppabgehen. Bei herkömmli­chen künstlichen Kniegelenken ist dagegen das Treppabgehen nur mit durchgedrückten Kniegelenken möglich. Der Höhenun­terschied der einzelnen Treppenstufen muß dabei durch Ver­drehung der Hüfte überwunden werden. Neben dem äußerst un­harmonischen Bewegungsablauf bewirkt dieser Vorgang eine starke Belastung der Wirbelsäule.The main advantage of the knee joint according to the inventionlies in the harmonic movement and the low loadingstrain on the spine when walking down stairs. At convenartificial knee joints, on the other hand, is walking down stairsonly possible with pressed knee joints. The altitudeDifference of the individual steps must be Verrotation of the hip can be overcome. Besides the extremely unThis process creates a harmonious movementheavy strain on the spine.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines künstlichen Kniegelenks gemäß der Erfindung. Bei diesem Beispiel findet eine Klemmrollen-Freilaufkupplung Verwendung, deren Innen­teil (1) mit dem Unterschenkel (2) der Prothese fest ver­bunden ist. Das Außenteil (3) der Freilaufkupplung ist im Hebel (4), der im Oberteil (5) der Prothese drehbar ist, gelagert. Über eine Bremsvorrichtung (6), die im Oberschen­kelteil (5) befestigt ist, kann das Außenteil (3) der Frei­laufkupplung abgebremst werden. Diese Bremsvorrichtung wird durch die Kraft betätigt, mit der der Unterschenkel bela­stet wird. Ein Hebel kann erforderlichenfalls als Kraftver­stärker eingesetzt werden. Mit Hilfe eines Seilzuges (7), der an dem Hebel (4) angreift, kann der Benutzer eine Betä­tigungskraft aufbringen, die der Belastungskraft entgegen­wirkt. Hierdurch ist das Bremsmoment steuerbar.Fig. 1 shows an embodiment of an artificial knee joint according to the invention. In this example, a pinch roller overrunning clutch is used, the inner part (1 ) of which is firmly connected to the lower leg (2 ) of the prosthesis. The outer part (3 ) of the overrunning clutch is mounted in the lever (4 ), which can be rotated in the upper part (5 ) of the prosthesis. The outer part (3 ) of the overrunning clutch can be braked by means of a braking device (6 ) which is fastened in the thigh part (5 ). This braking device is actuated by the force with which the lower leg is loaded. If necessary, a lever can be used more powerfully. With the help of a cable (7 ) which engages the lever (4 ), the user can apply an actuating force which counteracts the loading force. As a result, the braking torque can be controlled.

Wird der Unterschenkel (2) in Streckrichtung des Kniege­lenks bewegt, so bewegen sich die Klemmrollen (8) der Frei­laufkupplung gegen die Federn (9) und geraten außer Ein­griff, so daß sie eine freie Beweglichkeit des Unterschen­kels (2) gewährleisten, und zwar unabhängig davon, ob die Bremsvorrichtung (6) am Außenteil (3) der Freilaufkupplung anliegt oder nicht.If the lower leg (2 ) is moved in the direction of extension of the knee joint, the pinch rollers (8 ) of the free-running clutch move against the springs (9 ) and get out of hand so that they ensure free movement of the lower leg (2 ), regardless of whether the braking device (6 ) abuts the outer part (3 ) of the one-way clutch or not.

Wird dagegen der Unterschenkel belastet, so wird die Brems­vorrichtung betätigt, so daß das Außenteil (3) der Frei­laufkupplung nicht mehr bewegt werden kann. Wird nun ver­sucht, den Unterschenkel in Beugerichtung zu bewegen, so werden die Klemmrollen (8) zwischen Innenteil (1) und Außenteil (3) der Freilaufkupplung eingeklemmt, so daß zwi­schen beiden Teilen ein Drehmoment übertragen werden kann. Da jedoch das Außenteil (3) über die Bremsvorrichtung (6) abgebremst wird, kann das Kniegelenk nur dann wieder ge­beugt werden, wenn das von der Bremsvorrichtung (6) aufge­brachte Bremsmoment, das von der Differenz aus Aufstands­kraft und Betätigungskraft abhängig ist, überschritten wird. Der Prothesenträger kann dabei den Bremswiderstand über die Dosierung der Betätigungskraft feinfühlig steuern.If, however, the lower leg is loaded, the brake device is actuated so that the outer part (3 ) of the free-running clutch can no longer be moved. If you are now looking to move the lower leg in the flexion direction, the pinch rollers (8 ) are clamped between the inner part (1 ) and outer part (3 ) of the overrunning clutch, so that a torque can be transmitted between the two parts. However, since the outer part (3 ) is braked via the braking device (6 ), the knee joint can only be bent again if the braking torque brought up by the braking device (6 ) is dependent on the difference between the riot force and the actuating force. is exceeded. The prosthesis wearer can sensitively control the braking resistance by metering the actuation force.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigtFig. 2. Bei diesem Beispiel wird die Funktion des Kniegelenks gemäß der Erfin­dung durch eine hydraulische Anordnung realisiert. Der Drehpunkt (1) gewährleistet hierbei lediglich die Lager­funktion. Zusätzlich wird bei dieser Anordnung ein Zylinder (2) eingesetzt, dessen Kolbenraum (3) mit dem Kolbenstan­genraum (4) über ein 2/2-Wege-Ventil (5) verbunden ist, das durch die Belastung des Beins betätigt wird. Parallel zum 2/2-Wege-Ventil (5) sind ein Rückschlagventil (6) und ein vom Prothesenträger steuerbares Stromregelventil (7) ange­ordnet. Darüber hinaus befindet sich in einer der Verbin­dungsleitungen ein Speicher (8), der lediglich dazu dient, die Volumendifferenz zwischen Kolbenraum und Kolbenstangen­raum auszugleichen, für die erfindungsgemäße Funktion des Kniegelenks aber von untergeordneter Bedeutung ist.Another embodiment is shown inFIG. 2. In this example, the function of the knee joint according to the inven tion is realized by a hydraulic arrangement. The pivot point (1 ) only ensures the bearing function. In addition, a cylinder (2 ) is used in this arrangement, the piston chamber (3 ) with the piston rod genraum (4 ) via a 2/2-way valve (5 ) which is actuated by the load on the leg. Parallel to the 2/2-way valve (5 ), a check valve (6 ) and a flow control valve (7 ) controllable by the prosthesis wearer are arranged. In addition, there is a memory (8 ) in one of the connecting lines, which only serves to compensate for the volume difference between the piston space and piston rod space, but is of secondary importance for the inventive function of the knee joint.

Wird der Unterschenkel in Streckrichtung bewegt, muß der Kolben aus dem Zylinder (2) ausfahren. Um dieses zu ermög­lichen, kann die im System befindliche Hydraulikflüssigkeit aus dem Kolbenstangenraum (4) über das Rückschlagventil (6) in den Kolbenraum (3) fließen, unabhängig davon, in welcher Stellung sich das 2/2-Wege-Ventil (5) befindet. Hierdurch ist der Unterschenkel in Streckrichtung stets frei beweg­lich.If the lower leg is moved in the direction of extension, the piston must extend out of the cylinder (2 ). To make this possible, the hydraulic fluid in the system can flow from the piston rod chamber (4 ) via the check valve (6 ) into the piston chamber (3 ), regardless of the position of the 2/2-way valve (5 ) located. As a result, the lower leg is always freely movable in the direction of extension.

Soll das Kniegelenk dagegen gebeugt werden, so muß der Kol­ben des Zylinders (2) einfahren. Hierzu ist es erforder­lich, daß die Hydraulikflüssigkeit aus dem Kolbenraum (3) in den Kolbenstangenraum (4) strömt. Da in dieser Richtung jedoch das Rückschlagventil (6) sperrt, kann die Hydraulik­flüssigkeit nur über das 2/2-Wege-Ventil (5) fließen, das bei Belastung des Unterschenkels jedoch gesperrt ist, oder über das vom Prothesenträger in seiner Wirkung einstellbare Stromregelventil (7), mit dessen Hilfe der Bremswiderstand der Anordnung wiederum feinfühlig dosiert werden kann.If, however, the knee joint is to be bent, the piston of the cylinder (2 ) must retract. For this purpose, it is required that the hydraulic fluid flows from the piston chamber (3 ) into the piston rod chamber (4 ). However, since the check valve (6 ) blocks in this direction, the hydraulic fluid can only flow through the 2/2-way valve (5 ), which is blocked when the lower leg is loaded, or via the flow control valve that can be adjusted by the prosthesis wearer (7 ), with the help of which the braking resistance of the arrangement can in turn be metered out sensitively.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Feder (9) inFig. 2 bzw. (10) inFig. 1, die der Belastungskraft ent­gegenwirkt. Hierdurch kann ermöglicht werden, daß die bela­stungsabhängige Bremsung nur bei Überschreitung einer ge­wissen Mindestbelastungskraft wirksam wird. Dies ist beson­ders in der ersten Phase des Anhebens und Vorsetzens des Beines beim Gehen von Vorteil, da dabei das Kniegelenk ge­beugt werden muß, obwohl noch eine geringe Restbelastung vorhanden ist.The use of a spring (9 ) inFig. 2 or (10 ) inFig. 1, which counteracts the loading force ent is particularly advantageous. This can make it possible for the load-dependent braking to take effect only when a ge minimum load force is exceeded. This is particularly in the first phase of lifting and advancing the leg when walking is advantageous, since the knee must be bent ge, although there is still a small residual load.

Außer der beispielhaft beschriebenen Realisierung des Knie­gelenks gemäß der Erfindung mit mechanischen oder hydrauli­schen Elementen ist vom Prinzip her auch der Einsatz von elektrischen, elektronischen oder pneumatischen Hilfsele­menten möglich.Except for the realization of the knee described as an examplejoints according to the invention with mechanical or hydraulicprinciple, the use ofelectrical, electronic or pneumatic auxiliariesment possible.

Claims (7)

Translated fromGerman

1. Kniegelenk für eine Prothese als Ersatz für das natürli­che Kniegelenk, mit freier Beweglichkeit in Streckrich­tung des Beines und belastungsabhängiger Sperrung in Beu­gerichtung,dadurch gekennzeichnet, daß die Beugung durch Erteilung eines Schaltsignals an eine Bremsvorrichtung derart gesteuert werden kann, daß dem Beugevorgang ein vom Prothesenträger in der Größe der Wirkung steuerbarer Bremswiderstand entgegenwirkt.1. Knee joint for a prosthesis as a replacement for the natural knee joint, with free mobility in the direction of extension of the leg and load-dependent locking in the Beu direction,characterized in that the diffraction can be controlled by issuing a switching signal to a braking device such that the bending process counteracts a braking resistor controllable in size by the prosthesis wearer.2. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegungsrichtungsabhängige Sperrung durch einen selbstschaltenden Sperrmechanismus (z. B. eine Freilauf­kupplung) erfolgt, der mittels eines durch die Belastung des Beins ausgelösten bzw. erzeugten Schaltsignals einge­schaltet bzw. abgeschaltet wird.2. Knee joint according to claim 1, characterized in thatthe movement-dependent blocking by aself-locking mechanism (e.g. a freewheelclutch) takes place by means of a loadof the leg triggered or generated switching signalswitches or is switched off.3. Kniegelenk nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­net, daß der eine Teil des Sperrmechanismus über eine in der Größe ihrer Wirkung steuerbare Bremsvorrichtung mit einem Teil der Prothese verbunden ist.3. Knee joint according to claim 1 and 2, characterizednet that part of the locking mechanism via abraking device controllable in magnitude of its effectis connected to part of the prosthesis.4. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegungsrichtungsabhängige Sperrung durch eine reib­schlüssige Sperrvorrichtung erfolgt.4. Knee joint according to claim 1, characterized in thatthe movement-dependent blocking by a frictionconclusive locking device takes place.5. Kniegelenk nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeich­net, daß die belastungsabhängige Sperrung in Beugerich­tung durch eine reibschlüssige Bremsvorrichtung erfolgt, die durch die Belastungskraft des Beines betätigt und ggf. durch zusätzlichen Eingriff des Prothesenträgers von außen stufenlos und steuerbar gelöst werden kann.5. Knee joint according to claim 1 and 4, characterizednet that the load-dependent block in Beugerichtion is carried out by a friction brake device,which is operated by the load of the leg andpossibly by additional intervention of the prosthesis wearer fromstepless and controllable on the outside.6. Kniegelenk nach Anspruch 1, 4 und 5, dadurch gekenn­zeichnet, daß mit Hilfe einer Feder, die der Belastung des Beines entgegenwirkt, eingestellt werden kann, wel­ che Mindestbelastung zur Betätigung der Bremsvorrichtung erforderlich ist.6. Knee joint according to claim 1, 4 and 5, characterizedrecords that with the help of a spring that the loadof the leg counteracts, can be adjusted, wel che minimum load to operate the braking deviceis required.7. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Beweglichkeit in der Streckrichtung, die bela­stungsabhängige Sperrung in der Beugerichtung und der steuerbare Bremswiderstand über elektrische, elektroni­sche, hydraulische bzw. pneumatische Hilfselemente reali­siert wird.7. Knee joint according to claim 1, characterized in thatthe free mobility in the stretching direction, the beladepending on the position in the flexion direction and thecontrollable braking resistor via electrical, electronicreal, hydraulic or pneumatic auxiliary elementsis settled.