(57)【要約】本発明は、装具用のまたは補装具用の関節装置に関し、関節装置は、上部（２）と、該上部に喋着された下部（３）と、関節装置（１）を使用者に取り付けるための取付手段（４，５）とを有し、上部（２）と下部（３）との間に少なくとも１つの液圧ユニット（１０）を具備し、該液圧ユニットは、伸展室（１４）と屈曲室（１５）を有するハウジング（１１）の中で可動なピストン（１１）を有し、該ピストンは、上部（２）または下部（３）に連結されており、液圧ユニットには、ポンプ（２１）と蓄圧器（２３）を有する圧力供給手段（２０）が割り当てられており、該圧力供給手段を介して、制御手段（２０）により制御しつつ、ピストン（１２）に圧力を印加し、ポンプ（２１）は、ジェネレータモードで操作可能であり、蓄圧器（２３）は、ポンプ（２１）と駆動式に連結されており、かつ、蓄圧器（２３）からの作動液を、ポンプ（２１）によって、液圧ユニット（１０）に導くことができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装具用のまたは補装具用の関節装置であって、上部（２）と、該上部に喋着された下部（３）と、前記関節装置（１）を使用者に取り付けるための取付手段（４，５）とを有し、前記上部（２）と前記下部（３）との間に少なくとも１つの液圧ユニット（１０）を具備し、該液圧ユニットは、伸展室（１４）と屈曲室（１５）を有するハウジング（１１）の中で可動なピストン（１１）を有し、該ピストンは、前記上部（２）または前記下部（３）に連結されており、前記液圧ユニットには、ポンプ（２１）と蓄圧器（２３）を有する圧力供給手段（２０）が割り当てられており、該圧力供給手段を介して、制御手段（６０）により制御しつつ、前記ピストン（１２）に圧力を印加してなる関節装置において、
前記蓄圧器（２３）は、前記ポンプ（２１）と駆動式に連結されていることを特徴とする関節装置。
【請求項２】
前記ポンプ（２１）は、ジェネレータモードで操作可能であることを特徴とする請求項１に記載の関節装置。
【請求項３】
作動液を、前記蓄圧器（２３）から前記ポンプ（２１）を通って前記液圧ユニット（１０）を導くことができることを特徴とする請求項１または２に記載の関節装置。
【請求項４】
前記ポンプ（２１）は、前記蓄圧器（２３）内の圧力に適合可能である調整可能な吐出量を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項５】
前記蓄圧器（２３）は、圧力導管を介してのみ、前記ポンプ（２１）によって前記液圧ユニット（１０）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項６】
関節角度、絶対角度、前記上部または前記下部に作用する軸力、関節トルクおよび／または遠位の接続構成要素に作用するトルクを検出する手段（７，８）が、前記制御手段（６０）に割り当てられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項７】
前記関節装置は、補装具用関節装置または装具用関節装置として形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項８】
作動液を計量配分して供給または排出するための少なくとも１つに弁ユニット（２６，２８；４０，５０）が、前記蓄圧器（２３）に割り当てられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項９】
前記ポンプ（２１）および前記液圧ユニット（１０）は、前記蓄圧器（２３）に液圧連通していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項１０】
異なった圧力レベルおよび／または容量を有する複数の蓄圧器（２３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の関節装置。
【請求項１１】
装具用のまたは補装具用の関節装置を制御するための方法であって、該関節装置は、上部（２）と、該上部に喋着された下部（３）と、前記関節装置（１）を使用者に取り付けるための取付手段（４，５）と、前記関節装置にトルクを印加するための駆動手段とを有し、
屈曲または伸展前に、前記関節装置に、屈曲または伸展をもたらすレベルより低い屈曲トルクまたは伸展トルクを印加することを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記関節装置を屈曲するとき、あるいは該関節装置を屈曲する前に、屈曲トルクを減少させることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記屈曲トルクを、歩行周期の時間の５％と４０％の間、特に歩行周期５％と２０％の間である時間空間に、屈曲の前に印加することを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
歩行状況に従って、高さの異なる屈曲トルクを供給することを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
補装具構造に従って、高さの異なる屈曲トルクを供給することを特徴とする請求項１１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記屈曲トルクを、所定の、決定された屈曲角度まで印加することを特徴とする請求項１１ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記屈曲トルクの開始後に、受動的な制動を行ない、あるいは、前記ポンプ（２１）をジェネレータモードで動作させることを特徴とする請求項１１ないし１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
屈曲トルクまたは伸展トルクの印加を、屈曲動作または伸展動作のはじめを越えて維持することを特徴とする請求項１１ないし１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
伸展トルクの減少を、伸展止めへの到達前に、開始することを特徴とする請求項１１ないし１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
交互の階段上りの際に、前記圧力発生手段（２０）は、力ベクトルが膝関節の回転軸の前で保持されるように、伸展トルクを印加することを特徴とする請求項１１ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記圧力発生手段（２０）は、立脚相において、前記膝関節を、トルクで能動的に保持することを特徴とする請求項１１ないし２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記圧力発生手段（２０）は、前記伸展トルクを、初期の遊脚相において、前記最大の屈曲トルクの達成まで増加させ、かつ、前記伸展トルクを動作の反転まで維持し、前記屈曲トルクを、屈曲角の減少につれて、再度減少させることを特徴とする請求項１１ないし２１のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装具用のまたは補装具用の関節装置であって、上部と、該上部に喋着された下部と、関節装置を使用者に取り付けるための取付手段とを有し、上部と下部との間に少なくとも１つの液圧ユニットを具備し、該液圧ユニットは、伸展室と屈曲室を有するハウジングの中で可動なピストンを有し、該ピストンは、上部または下部に連結されており、液圧ユニットには圧力供給手段が割り当てられており、該圧力供給手段を介して、ピストンに圧力を印加してなる関節装置、および装具用のまたは補装具用の関節装置を制御するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
装具用のまたは補装具用の関節装置の目的は、筋骨格系における障害を補うことである。下肢に装具用のまたは補装具用の関節装置を必要とする患者においては、増加した集中力行使および増加したエネルギ消費が必要である。何故ならば、必要な場合にはまだ残っている肢のほかに、歩行中に、補装具用装置または装具用装置も加速しなければならず、従って、静止位置から前方の方向に動かし、かつ、足を地面に下ろす前に減速しなければならないからである。できる限り自然な歩行パターンを作り出すために、補装具用装置には、多様な課題を引き受けるダンパが設けられている。立脚相の間に人工関節の安定性の増加をもたらす、立脚相における制動のほかに、停止への制動のないスイングを回避する、遊脚相における制動がある。運動エネルギを、ダンパによって熱に変換させる。  更に、上部に対する下部の旋回を能動的に支援する駆動される補装具用装置が、従来技術から知られている。特許文献１は、ダンパユニットが割り当てられている相手である人工膝関節を有する、駆動される補装具を記載する。同様に、下腿シャフトを上部に対し回動させるリニアアクチュエータが設けられている。エネルギ供給を、可撓性のバッテリベルトを介して行なう。リニアモータおよびダンパは、構造的に互いに分離されている。
【０００３】
特許文献２は、作動される義足と受動的な義足の組み合わせ、および対応の補装具システムで動作を実行するための方法に関する。補装具システムは、可動の関節およびポンプを有する。該ポンプは、弁手段を介して、液圧ピストンを、一方のまたは他方の方向に動かすことができる。その目的は、人工膝関節の屈曲動作または伸展動作を実行するためである。ポンプは、動作のための全作動圧力を印加しなければならない。このことは、大きなポンプ容量を必要とする。このことは、同様に、大型のポンプを必要とする。これらのポンプは、大きな体積を有し、かつ、相応に大きなエネルギ蓄積手段を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】WO 2004/017872 A1
【特許文献２】WO 2006/112774 A1
【発明の概要】
【０００５】
本発明の課題は、装具用のまたは補装具用の関節装置および該関節装置を制御するための方法を提供することである。関節装置およびその制御方法は、高い性能にもかかわらず、省エネの作動従ってまた、長い使用時間および快適な制御を可能にする。
【０００６】
本発明によれば、上記課題は、主請求項の特徴を有する装置と、独立請求項の特徴を有する方法とにより解決される。本発明の有利な実施の形態は、従属請求項と、明細書と、図面とに記載されている。
【０００７】
装具用のまたは補装具用の関節装置であって、上部と、該上部に喋着された下部と、関節装置を使用者に取り付けるための取付手段とを有し、上部と下部との間に少なくとも１つの液圧ユニットを具備し、該液圧ユニットは、伸展室と屈曲室を有するハウジングの中で可動なピストンを有し、該ピストンは、上部または下部に連結されており、液圧ユニットには、ポンプと蓄圧器を有する圧力供給手段が割り当てられており、該圧力供給手段を介して、制御手段により制御しつつ、ピストンに圧力を印加してなる関節装置は、蓄圧器が、ポンプと駆動式に連結されていることを意図する。蓄圧器から、従って、駆動流体をポンプへ導くことができる。ポンプのジェネレータモードは、この場合、供給されておりかつ必要な圧力を介して制御することができる。これらの圧力は、液圧ユニットおよび蓄圧器に供給されている。その都度必要な圧力または体積流量がどの位高いか、およびどの圧力がいつ供給されねばならないかを、荷重、動作の大きさおよび／または位置、特に角度位置を検出するセンサによって制御する。このことによって、ポンプを介して、圧力発生への影響を及ぼすことができる。
【０００８】
ポンプは、ジェネレータモードで操作可能である。その目的は、例えば、下り坂の際に過剰な機械エネルギまたは運動エネルギがあるとき、電気エネルギを発生させることができるためである。
【０００９】
実施の形態は、作動液を、蓄圧器からポンプによって液圧ユニットへ導くことを意図する。作動液を蓄圧器からポンプによって液圧ユニットへ通過させることができることによって、作動液の流れに影響を与え、かつ、蓄圧器からの余りに高い圧力で、ジェネレータモードへの切換によって圧力制限を引き起こすことが可能である。
【００１０】
屈曲室および伸展室に蓄圧器からの作動液を印加することができる。その目的は、あらゆる動作状況において、関節の制御を行なうことができるためである。屈曲および伸展の支援は、運動の制動、あるいは、制動の増加を越える対向力の印加と同時に可能である。明らかになったことは、装具用のまたは補装具用の関節装置を制御するために、比較的大量の作動液を比較的迅速に供給しなければならないことであって、その目的は、各々の構成要素の適時の作動を達成するためである。運動の際にエネルギ供給またはエネルギ変換が生じる相は、比較的短いか、しかし、圧力成分の激しい印加は、時には望ましくない。その理由は、衝撃を弱めるか、あるいは、衝撃特性を、各々の運動に適合させねばならないからである。このことを、絞りとして作用することができるポンプにより作動液を導き通すことによって、行なうことができる。圧力低下の際に、エネルギは、ジェネレータモードで電気エネルギに変換される。しかしながら、蓄圧器によって、短期間、大量の作動液を供給することができる。その目的は正確な制御と、ピストンの伸展側または屈曲側に作動液を加えることとを保証するためである。ポンプは、蓄圧器に後置されている。その目的は、蓄圧器を支援または制御するためである。
【００１１】
圧力供給手段では、ポンプは、ポンプを介して１つのまたは複数の蓄圧器に作動液を充填することができるように、１つまたは複数の蓄圧器に連結されていてよい。このことによって、ポンプが、ピストンを動かすために必要な出力を供給しなくてよいことが可能である。むしろ、ポンプは、１つまたは複数の蓄圧器に連続的に作動液を充填することができる。それ故に、小型で、軽量のかつ比較的長い期間作動するポンプを組み込むことができる。更に、ポンプを、液圧ユニットを駆動するために使用し、かつ、１つまたは複数の蓄圧器を別個かまたは組み合わせで液圧ユニットを駆動するために使用することができる。
【００１２】
蓄圧器は、圧力導管を介してのみ、ポンプによって液圧ユニットに接続されている。その目的は、ピストンを駆動または制動すべく、作動液が常にポンプを通過しなければならないためである。このことによって、蓄圧器から排出された作動液の圧力を変えることができる。それ故に、ポンプ内で圧力増加または圧力減少を行なうことができる。その目的は、ポンプによって液圧ユニットへ運ばれる作動液を、必要なレベルにもたらすためである。
【００１３】
室のうちの１または２つの室の急激な加圧が万一必要なとき、例えば、転倒の状況、またはポンプの故障の際に、複数の室の直接の接続を、バイパスを介して、必要な場合には中間接続された複数の弁、またはスロットルによって行なうことができる。その目的は、通過損失を回避するためであり、かつ作動液をより速く室へ送ることができるためである。
【００１４】
本発明の変形例は、１または複数の蓄圧器が、屈曲室および／または伸展室と接続されていることを意図し、それ故に、作動液が、屈曲室および／または伸展室から蓄圧器に達し、それ故に、制動される動作の際に、例えば、階段の上りの際に、または斜面での下り坂の際に、対応の室から、加圧された作動液がポンプで蓄圧器に送り込まれる。それ故に、蓄圧器に、ポンプによるだけでなく、液圧ユニット自体を介して、作動液を充填することができる。蓄圧器へ作動液を導くことを、ポンプを介して行なうことができる。それ故に、蓄圧器内で十分な圧力レベルの際に、ポンプをジェネレータモードで作動させ、かつ、発電のために使用することができる。
【００１５】
蓄圧器には、弁ユニットが割り当てられていてよい。この弁ユニットによって、作動液を、計量配分かつ制御して、蓄圧器へ導入するか、あるいは、蓄圧器から送り出す。このことによって、運動エネルギを液圧の形で蓄圧器に蓄積し、かつ制御下で再度システムに供給することができる。
【００１６】
制御手段には、絶対角度、関節角度、上部または下部に作用する軸力、関節トルクおよび／または遠位の接続構成要素に作用するトルクを検出する手段が、同様に、割り当てられていてもよい。それ故に、関節角度、絶対角度、作用する軸力あるいは関節装置へまたは関節装置への接続部へ作用するトルクを用いて、伸展室へ加圧すべきか、屈曲室へ加圧すべきかの制御を行なうことができる。
【００１７】
ポンプは、蓄圧器内の圧力に適合可能である調整可能な吐出量を有することができる。その目的は、吐出量を各々の流体必要量に適合させることができるためである。蓄圧器内の圧力が増加または低下するとき、このことは、吐出量の減少または増加によって補うことができる。蓄圧器内でわずかな圧力しか利用できないとき、このことを、液圧シリンダの方向での吐出量の増加によって補うことができる。蓄圧器から圧力媒体を取り出す際に、圧力をなお増加させることができるためには、ポンプは、ブースタポンプとして形成されていてもよい。同様に、蓄圧器内の増圧として直接変換することができない運動エネルギが使用されるように、ポンプが、ジェネレータモードで作動されるために、形成されていてもよいことが意図されていてよい。かくして、蓄圧器内の圧力は、液圧シリンダ内で必要となるよりも多くのエネルギが生じる。それ故に、運動エネルギを電気エネルギに変換することができる。代わりに、または補足的に、蓄圧器は、短時間に、非常に高い超過圧力で作動することができる。この超過圧力を適切な時点で減少し、かつ、必要な場合には、同様に電気エネルギに変換する。
【００１８】
関節装置が、補装具用関節装置または装具用関節装置として形成されていることは好ましい。しかしながら、例えば、足首関節の、または足関節の、股関節の枠内で、あるいは上肢の補装具または装具の枠内で他の使用可能性もある。
【００１９】
液圧ユニットは、ロータリ液圧膝関節として、または直線運動機能を有するピストン型液圧手段として形成されていてもよい。
【００２０】
本発明の実施の形態は、異なる圧力容量および／または圧力レベルを提供する複数の蓄圧器があることを意図する。異なる歩行状況は、異なる支援を必要とする。例えば、平面での歩行の際には通常はわずかな衝撃あるいは伸展または屈曲の際にわずかな支援のみを必要とし、他方、階段を上る際には、効果的な支援を達成するために、伸展の支援のための比較的大きなトルクを供給しなければならない。複数の異なる蓄圧器を設けることによって、今の歩行状況のための、常に最も有利な蓄圧器を選択することができる。その目的は、常に最大圧力および最大容量を取り出すよりも少ないエネルギ損が生じ、かつ、蓄圧器に圧力媒体の充填がより速く行なうことができるためである。
【００２１】
装具用のまたは補装具用の関節装置を制御するための方法であって、該関節装置は、上部と、該上部に喋着された下部と、関節装置を使用者に取り付けるための取付手段と、関節装置にトルクを印加するための駆動手段とを有してなる方法は、屈曲または伸展前に、関節装置に、屈曲または伸展をもたらすレベルより低い屈曲トルクまたは伸展トルクを印加することを意図する。
【００２２】
驚くべきことに、膝関節手段の実際の屈曲前に、屈曲支援するトルクを印加するが、このトルクは、屈曲が生じないほどに小さいことが明らかになった。従って、関節を能動的に屈曲しない。むしろ、屈曲を達成するために必要であるトルクレベルまたは力レベルを低減する。屈曲に関する制御は、患者または装具用のまたは補装具用の装置の使用者に完全に任されている。患者が屈曲を引き起こすのは、補装具または装具を装着した脚を動かすときである。使用者の操作によって駆動する純粋に受動的な関節がある。むしろ、セミプリミティブな手段が達成されるのであって、該セミプリミティブな手段は、患者にトリガトルクを残し、解除自体および屈曲を容易にする。つまりは、屈曲のために、印加されるトルクを予張力トルク（Vorsapnnmoment）によって低減させ、初期の屈曲の際に、トルクが、所定の時間、維持される。トルクを屈曲へ連行する。
【００２３】
同じことは、伸張動作または伸展動作の開始前に印加する伸展トルクにも当てはまる。例えば、階段を上る際に、能動的な膝関節装置では、高いエネルギ消費によって、患者自らの身体の持ち上げを引き起こす。患者にとっての重大な容易化を、既に伸展トルクを支持的に印加する際に達成し、伸展トルクのレベルが、患者自らの身体の完全な持ち上げを、より高いレベル、または遊脚相における運動の反転を容易にするために必要であることが明らかになった。
【００２４】
方法の実施の形態は、蓄圧器によって印加される屈曲トルクを減じさせるのは、膝関節装置を屈曲するとき、または、膝関節装置を屈曲する前であることを意図し、どれ故に、初期の屈曲後に、または進行した歩行周期では、地面（床）からの前足部の離地の際に、下腿または下腿構成要素を不意に大いに屈曲し、それ故に、不自然な歩行パターンが生じるだろう。関節装置の屈曲直前または屈曲後に、屈曲トルクを低減させることによって、屈曲自体を容易化することが保証される。屈曲中に、例えば、遊脚相の間での蓄圧器にある能動的な屈曲支援が生じない。
【００２５】
実際また、膝関節装置の屈曲の直前に屈曲トルクを減少させることも可能である。ゼロに減少する代わりに、支援の屈曲トルクを更にあってもよいが、但し、最大の支援屈曲トルクに対して減少したＡレベルにおいて、である。膝関節が屈曲されるか否かを、センサによって検出することができる。同様に、屈曲トルクの一定の屈曲を越えてはじめて、屈曲を減少するか、またはオフに切り換えることが意図されていることができる。例えば、屈曲トルクを、例えば４°の屈曲の際にはじめてオフに切り換え、あるいは、屈曲角度の増加につれて、支援の屈曲トルクを減少させることが可能である。減少を連続的にまたは不連続的に行なうことができる。減少を、例えば屈曲のはじめから予め決められた膝角度、例えば５°または６°から０まで減少させることが意図されている。
【００２６】
通常の歩行周期で屈曲が全然予想されないとき、すなわち、立脚相の主な時間中に、長時間に亘って屈曲のレベルより下の屈曲トルクを供給しないためには、本発明によれば、屈曲トルクを、例えば歩行周期の期間の５％と４０％の間、特に、５％と２０％の間である、屈曲前の限定的な時間にのみ、供給かつ印加することが、意図され得る。
【００２７】
本発明の実施の形態は、歩行状況に従って、高さの異なる屈曲トルクまたは伸展トルクを供給することを意図する。特に、平面での通常の歩行中に歩行状況があるか否かを検出することができる基礎となる特徴的なパラメータを有する、繰り返される規則的な動作経過が生じる。平面での歩行は、例えば、特徴的な膝角度経過に基づいて検出される。このような歩行状況を検出するとき、歩行状況と適合する屈曲トルクを提供することができる。例えば、上り坂歩行または階段の上りを検出するとき、屈曲トルクの代わりに、または屈曲トルクを補足して、遊脚相の開始前に、伸展トルクを印加する。この伸展トルクは、患者自らの身体の自主的な持ち上げのレベルより下である。その目的は、患者の負担を軽減させるためである。
【００２８】
更に、補装具の構造に従って、異なる屈曲トルクを提供することが可能であり、かつ意図される。安全な補装具構造では、人工膝関節を屈曲させるために、力学的構造よりも高い屈曲トルクを印加することが必要である。安全な補装具構造を選択するとき、例えば、立っている最中で、人工膝関節で安定性の増大がある。このことは、補装具着用者にとって快適となる。安全な補装具構造を選択するとき、この補装具構造を、補装具構造に適合した、屈曲トルクの増加によってより動的にすることができる。このことは、歩行中に、顕著な軽減である。
【００２９】
屈曲トルクまたは伸展トルクを、所定の決定された膝角度まで印加することは有利である。膝角度を、センサによって検出する。各々のトルクを、決められた膝角度への到達前にまたは到達後に減少させまたはオフに切り換える。
【００３０】
屈曲トルクの開始後に、受動的な制動を行なうことができる。その目的は、下腿構成要素が制動なしに屈曲を続けることを阻止するためである。駆動のためには、上部と下部の間に液圧ユニットを使用し、該液圧ユニットは、伸展室および屈曲室を有するハウジング内で可動なピストンを有し、該ピストンは、上部または下部に結合されており、液圧ユニットには、ポンプと蓄圧器を有する圧力供給手段が割り当てられており、該圧力供給手段を介して、ピストンを、制御手段による制御下で、ピストンに圧力を印加するとき、同様に可能であるのは、ポンプをジェネレータモードで操作することであり、その目的は、消費エネルギを、トルクの供給するために、再度集め、かつ蓄積器に蓄積するためである。
【００３１】
更に、ポンプをジェネレータモードで動作させるのは、運動エネルギを電気エネルギに変換するためであり、次に、電気エネルギを蓄積し、後の時点で使用することができることは可能である。ジェネレータモードでのポンプの作動を、圧力制限としても用いることができ、それ故に、作動液は、減圧なしに蓄圧器に達することはない。このことによって、圧力制限で制御された充填が可能であり、下り坂歩行の際に、同時に全運動エネルギの活用も可能である。
【００３２】
伸展トルクの減少を、伸展止めへの到達前に開始することができる。その目的は、下腿を制動なしにかつ圧力供給手段の支援と共に、伸展止めに移動することを阻止するためである。
【００３３】
交互の階段上りの際に、圧力供給手段は、伸展トルクを、結果的に生じる力ベクトルを膝関節の回転軸の手前に保つように、印加することができる。階段上りの際の伸展トルクの印加は、使用者を支援する。この場合、力ベクトルが、膝関節の回転軸または回転点の直前に保って、伸展期における屈曲が階段上りの際に起こらないようにすることは有利である。
【００３４】
圧力供給手段は、膝関節を、トルクによって能動的に伸展に保つことができる。その目的は、屈曲を阻止または困難化するためであり、あるいは、使用者のための安定性を得るためである。
【００３５】
圧力供給手段は、伸展トルクを、最大屈曲角度への到達までに、初期の遊脚相において増加させ、かつ、伸展トルクを、動作の反転まで維持することができる。屈曲トルクを、屈曲角度の減少につれて、再度減少する。この場合、圧力供給手段は、最大屈曲角度への到達まで、屈曲動作に反作用し、かつ、屈曲の際に吸収されたエネルギを、伸展期において再度開放するばね伸展補助装置のように作用する。圧力供給手段は、屈曲トルクを、伸展動作において、伸展の増加につれて減少する。遊脚相における伸展補助の能動的な支援は、可能であるが、必ずしも必要ではない。
【００３６】
必要な場合には、少なくとも１つの蓄圧器を有する、ポンプによる液圧式のまたは空気圧式の駆動装置のほかに、電動モータまたはアクチュエータによる他の支援手段による、直接的な駆動装置が、例えば圧電駆動装置が設けられている。その目的は、関節装置の屈曲または伸展を支援することができるために用いるトルクを印加するためである。能動的な運動より下の大きさのトルクの加圧は、膝関節装置の使用者が、運動の開始、運動の実行、および運動の終了に関する完全な制御を維持することをもたらす。このことは、使用中のより大きな安全性をもたらす。エネルギまたはトルクを、運動の開始後も、更に供給することは有利である。その目的は、運動の実行を容易にするためである。この場合、エネルギを、低下しない高さまたは低下した高さで供給することができる。動作の終わり前に、余分なエネルギを、制動によって変換する。その目的は、屈曲を余りに大いに実行しないためであり、あるいは、関節を、伸展の際には制動なしに伸展止めに移動しないためである。本発明は、ゆっくりとした歩行の際に、および短い大腿断端を有する補装具着用者では、特に有利である。本発明は、シャフトに生じる力を低減し、かつ、円滑な歩行パターンをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。
【図１】関節装置の略図を示す。
【図２】本発明に含まれる液圧ユニットの略図を示す。
【図３】歩行支援に関するタイミングダイアグラムを示す。
【図４】能動的な伸展補助装置支援に関するタイミングダイアグラムを示す。
【図５】階段上りに関するタイミングダイアグラムを示す。
【図５ａ】階段上りに関するタイミングダイアグラムの変形例を示す
【図６】切換手段の変形例を示す。
【図７】切換手段の更なる変形例を示す。
【図８】図７に示した切換手段の変形例を示す。
【図９】異なった歩行状況に関する制御シーケンスを示す。
【図１０】異なった歩行状況に関する制御シーケンスを示す。
【図１１】異なった歩行状況に関する制御シーケンスを示す。
【図１２】異なった歩行状況に関する制御シーケンスを示す。
【図１３】屈曲支援および伸展支援に関するタイミングダイアグラムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１には、装具用の関節装置１が、脚装具の一部として示されている。関節装置１は、上部２と、該上部に喋着された下部とを有する。上部２および下部３には、パッキングリングまたはスリーブとして形成されている取付手段４，５が設けられている。図示した実施の形態には、パッキングリングおよびスリーブを、装具の使用者の大腿および下腿に取り付ける。上部２は、下部３に対し回転軸６を中心として旋回自在に取り付けられている。下部３には、足部が設けられている。該足部には、センサ７，８が設けられていてもよい。その目的は、下部３の位置、下部に作用する力またはトルクあるいは速度を検出するためである。上部２と下部３の間には、液圧ユニット１０が設けられている。液圧ユニットを、以下で詳述する。液圧ユニット１０には、ピストンロッド１３が設けられており、該ピストンロッドによって、回転軸６を中心とした下部３に対する上部２の移動を引き起こす。足部９が下部３の下端に接続されているのは、足を収容することができるためである。本発明は、装具の代わりに、以下の補装具によっても実現される。この補装具では、取付手段は、補装具用ストッキングを被せた上部に取り付けられており、他方、関節装置の下部には、別の補装具用構成要素、例えば、下腿シャフトおよび義足足部が設けられている。適切な装置が、関節装置のために、腰または上肢に設けられ、かつ形成されていてもよい。
【００３９】
各々の動作、すなわち、屈曲動作および伸展動作を支援するために、液圧ユニット内に、駆動装置が設けられており、該駆動装置を介して、各々の動きを実行、開始または支援する。
【００４０】
図２には、追加の構成要素を有する液圧ユニット１０の概略図が示されている。液圧ユニット１０は、ハウジング１１と、該ハウジングに可動に取り付けられたピストン１２とを具備する。ピストンは、ピストンロッド１３を介して関節装置と接続されている。ハウジング１１は、関節装置１の他の構成要素と連結されている。ハウジング１１において、ピストン１２によって、伸展室１４を屈曲室１５から分離する。流体リザーバ１６が、対応の導管および逆止弁１７，１８を介して、伸展室１４および屈曲室１５に接続されている。
【００４１】
液圧ユニット１０に割り当てられているのは圧力供給手段２０であり、この圧力供給手段によって、液圧ユニット１０の液圧系に作動液を供給する。モータ２２によって駆動されている液圧ポンプ２１が、液圧ユニット１０に、加圧された作動液を供給する。同様に、蓄圧器２３が設けられており、該蓄圧器は、同様に、加圧された作動液を、液圧系に導入する。
【００４２】
圧力供給手段２０は、切換弁の形態をとる切換手段６０を介して、液圧ユニット１０に接続されている。図示した実施の形態の切換手段６０は、３つの位置へ切換可能である。それ故に、３つの異なった流れ経路を実現することができる。これらの流れ経路を後で詳述する。
【００４３】
切換手段６０と液圧ユニット１０との間には、調整可能な弁４０，５０が設けられている。これらの弁を介して、伸展制動および屈曲制動を調整することができる。液圧ユニット１０を駆動するためには、少ない流れ損失が生じるように、各々の制動をできる限り小さく保つことが有意義である。伸展制動を、伸展弁４０によって調整し、屈曲制動を屈曲弁５０によって調整する。モータによって、液体流を可変に制限するか、あるいは完全に遮断することが可能である。
【００４４】
現存の圧力および所望の動作または制動に従って、弁４０，５０を調整するための複数の圧力センサ７１，７２，７３が設けられている。
【００４５】
図示した切換位置Ｃは、動作の受動的な制動のためにある。この切換位置では、圧力供給手段２０が液圧ユニット１０から分離されている。伸展制動および屈曲制動を各々の弁４０，５０を調整することによって行なうのは、圧力供給手段２０による駆動が不可能であるように、切換手段の位置が選択されているときである。屈曲運動を実行するとき、ピストン１２を下方へ押圧する。作動液は、屈曲弁５０を通って流れる。伸展室１４から、液体は、屈曲弁５０を通り、リザーバ１６を介して屈曲室１５に戻る。戻り可能な体積の、ピストンロッド１３によって生じる減少に基づいて、流体リザーバ１６内の液面が増加する。ポンプ２１または蓄圧器２３による支援を行なわないので、受動的な屈曲がある。
【００４６】
動作の反転に際に、受動的な伸展を行なうのは、ピストン１２が上方に移動し、かつ、作動液を、流れ回路の中で、屈曲室１５から、伸展弁４０を通って、切換手段６０の中へ送り、作動液は液圧ユニット１０の流体リザーバ１６から、更に伸展室１４に流入するときである。
【００４７】
図３には、時間の経過につれた３つのダイアグラムが示されている。上のダイアグラムは、平面での通常の歩行中の時間に亘る膝角度ＫＡおよび足首トルクＡＭを示す。真中のダイアグラムは、通常の歩行中の時間に亘る屈曲制動ＦＤおよび伸展制動ＥＤを示し、下のダイアグラムは、各々の時点における弁の位置ＶＰを示す。これらのダイアグラムは、人工膝関節としての関節装置の実施の形態に関して示されている。ダイアグラムは、踵が接地する時点、すなわち、いわゆる「ヒール・ストライク」の時点で始まる。膝角度ＫＡは１８０°であり、足首トルクＡＭは、平面方向に作用し、かくして、水平線の下に延びている。足首トルクＡＭがプラスになる時点まで、屈曲制動は高く、伸展制動は低い。次に、伸展制動は、ほぼ、屈曲制動ＦＤのレベルに上昇され、前方への新たなスイングまで、そこに留まる。屈曲制動ＦＤは、前足の離地の時点、すなわちいわゆる「トゥオフ」まで高いままである。次に、屈曲制動ＦＤを低下させる。その目的は、後方への下腿のスイングを可能にするためである。屈曲の最大値の直前まで、屈曲制動は低いままであり、屈曲の最大値の、すなわち最小の膝角度ＫＡの達成直前に、屈曲制動を再度増加させる。その目的は、一方では、屈曲動作を制動するためであり、他方では、意図されない座屈に対する最大限の安全をできる限り早急に得るためである。同時に、伸展制動ＥＤを減少する。その目的は、下腿および義足足部のできる限りスムーズな前進を可能にするためである。立脚相の間に、弁位置ＶＰは、受動的屈曲が生じる位置Ｃにある。屈曲最大値の始まりの直前に、切換手段６０を、位置Ａに移動させる。その目的は、屈曲支援を提供するためである。所定の膝角度が達成されるや否や、屈曲支援を形成する。制御された伸展制動ＥＤは、いわゆる「踵挙上」の回避を引き起こす。能動屈曲支援を、足首トルクＡＭの経過に基づいて認識する。
【００４８】
弁４０，５０および切換手段６０による液圧ユニット１０の正確な制御を保証するために、個々の構成要素をモニタするセンサが設けられている。膝角度センサおよび足首トルクセンサのほかに、軸力センサも設けられていてもよい。制御を、例えば、関節角速度の観察によって、行なうことができる。関節角速度の転換点では、能動的な屈曲支援を、所定の期間、弁位置Ａによって活動化する。屈曲弁５０を、低い値に設定し、かつ、所定の関節角度を越えたとき、支援をオフに切り換え、切換手段を位置Ｃに移動させる。
【００４９】
制御過程の変形例が、図４に示されており、この図には、伸展補助装置による能動的な支援を用いた支援が示されている。足部の持ち上げ（このことは、足首トルクＡＭで認識される）まで、制御は、図３に示すように推移する。持ち上げ後に、切換手段６０のための位置Ｃへ再度移動する代わりに、弁位置Ｂを占め、かつ、伸展制動ＥＤを増加させる。切換手段６０の弁位置Ｂで、伸展を支援し、すなわち、膝角度速度を減少させ、回転方向を反転させる。伸展支援のスムーズな接続のために、伸展弁４０を適切な時点で閉じ、かつ、再度開くことができる。伸展支援の、スムーズなオフへの切換を、屈曲弁５０を閉じることによって達成する。
【００５０】
図５には、階段の上りに関するダイアグラムが示されている。足首トルクは存在していない。足部を持ち上げた後、膝角度ＫＡが減少する。このことを容易にするために、伸展制動ＥＤを低減し、切換手段６０は、位置Ａに移動する。その目的は、屈曲支援を引き起こすためである。屈曲制動ＦＤは、更に、低いままである。伸展制動ＥＤを、能動的な屈曲の期間の間、同様に、減少させる。続いて、切換手段６０を位置Ｃへ移動させる。その目的は、膝角度ＫＡが最小になるまで、屈曲動作の制動による受動的な屈曲を達成するためである。最終的に、切換手段６０を弁位置Ｂに移動させる。この弁位置によって、能動的な伸展を達成する。それ故に、支援が圧力供給手段２０によって作動することができる。切換手段６０の切換時間中に、伸展制動ＥＤを再度増加させる。能動的な伸展が変換される位置Ｂでは、伸展制動ＥＤを減少させる。その目的は、支援の完全な有効性を保証するためである。屈曲制動ＦＤを、患者自らの身体を持ち上げる間に、膝角度ＫＡに従ってゆっくりと増大させる。このことによって、支援トルクが、前のトルクより小さくなり、かつ、伸展止めへの急停止を回避する。更に、ほとんど伸展した膝関節では、伸展制動ＥＤを増加させる。その目的は、急停止を同様に制動するためである。
【００５１】
図５ａには、図５に示したタイミング図の変形例が示されている。制御手段は、或る段を上がることが意図される状況を認識する。位置Ｃから始まって、切換手段６０を所定の膝角度から位置Ａへ移動させる。その目的は、能動的な屈曲制動を達成するためである。従って、患者は、支援を受けて、人工関節を装着した脚を、段のために屈曲する。かくして、階段の段の下縁に引っ掛からないように、義足足部を後方にスイングすることができる。能動的な屈曲制動の有効性を保証するために、屈曲制動ＦＤを減少させる。伸展制動は、高い出力レベルにとどまっている。
【００５２】
膝角度ＫＡの所定の目標角度から上では、屈曲支援をオフに切り換え、切換手段６０は、位置Ｃへ戻る。屈曲制動ＦＤおよび伸展制動ＦＤは変化されないままである。最大膝角度に到達直後に、屈曲制動を増加させる。その目的は、最大膝角度ＫＡを制限するためである。最大膝角度に到達し、かつ、足部を接地した後に、伸展支援を作動させ、かつ、切換手段６０を弁位置Ｂに移行する。同時に、伸展制動ＥＤを減少させる。その目的は、持ち上げ動作の完全な支援を保証するためである。屈曲制動を高いレベルで維持するのは、例えば、患者の転倒を防止するためである。患者自らの身体を持ち上げる際に、膝角度ＫＡに従って、伸展制動ＥＤをゆっくり増加させる。その目的は、支援トルクをポンプ２１または蓄圧器２３によって小さくするためであり、かつ、伸展止めへの急停止を回避するためである。最大膝角度に到達した後で、支援をオフに切り換え、かつ、弁位置Ｂに切り換える。
【００５３】
図６には、能動的な屈曲支援の変形例が湿されている。液圧ユニット１０および切換手段６０は、実質的に、図２の液圧ユニットおよび切換手段に対応している。しかしながら、圧力供給手段２０は、異なる方法で、他の構成要素と結合されている。ポンプ２１は、蓄圧器２３が圧力媒体を供給することができるように、２方向に作動液を供給することができるポンプとして形成されている。蓄圧器２３は、分岐管を介して、ポンプ２１と接続されている。このことによって、蓄圧器２３への別の加圧を行なうことができる。蓄圧器２３から圧力媒体を開放するとき、すなわち、作動液を蓄圧器２３から液圧ユニット１０の方向に運ぶとき、ポンプ２１は、モータにより、圧力を更に増加させることができる。この場合、２つの異なった圧力を実現することが可能である。何故ならば、圧力支援が、通常では、伸展支援よりも少ない圧力を必要とするからである。更に、ポンプ２１をジェネレータとして使用することが可能である。蓄圧器２３の中の圧力が、液圧ユニット１０の液圧シリンダ内で必要とされるよりも著しく高いとき、ポンプ２１をジェネレータモードで動作させることができる。その目的は、減圧を引き起こし、同時に、液圧エネルギの一部を電気エネルギに変換するためである。そうでない場合には、液圧エネルギは、各々の弁４０，５０で失われるであろう。何故ならば、圧力を常にスムーズに接続することが意図されるからである。ジェネレータエネルギの放出の制御によって、可変の圧力差で動作することができる。このことによって、動力損失および熱への圧力エネルギの変換が最小限に抑えられる。
【００５４】
更に、図６に示す回路を用いて、弁４０，５０における損失の増加をもたらすことなく、蓄積器２３内の圧力を著しく増大させることができる。従って、蓄積器２３は、関節装置の動作からのより多くのエネルギを蓄積することができる。作動液を蓄圧器２３から液圧ユニットへ通す際に、ポンプ２１を、ジェネレータモードで作動させることができる。その目的は、所望の作動液へ適合させるためである。圧力の低下を、蓄積しかつポンプの動作のために使用することができる、電気エネルギへの変換によって、行なう。能動的支援が伸展動作のために不要であるときは、制御手段６０のこの位置を、蓄圧器２３に作動液を加えるためにも使用することができる。この目的のために、蓄圧器２３内の圧力を、圧力センサ２２によって測定し、同時に、液圧シリンダ１１の圧力を、伸展室１５の出口で測定する。圧力センサ７２は、蓄圧器２３と伸展室１５の間の圧力差があるか否かを示す。圧力差に従って、屈曲弁４０を調整する。圧力が蓄圧器２３内に存在しないときは、補装具使用者は、伸展弁４０が完全に開く際に、全然抵抗を受けないし、転倒するだろう。従って、屈曲弁４０を、圧力に従って、関節装置の使用者が階段を下りる際に、常に同じ抵抗を感じるように、切り換える。同じことが、傾斜面上での下降にも当てはまる。蓄圧器２３には、下方への歩行毎に、続けてエネルギを供給し、従って、圧力を加えるのである。
【００５５】
別の選択として、別の蓄圧器が設けられていてもよい。この蓄圧器は、非常に高い圧力のために設計されており、蓄圧器２３が関節装置の正常な動作のために必要とする圧力よりも高いのである。追加の蓄圧器に、階段の上り下りによって、非常に高く圧力媒体を供給することができる。それ故に、エネルギ蓄積能力が増加する。ジェネレータモードで電気エネルギを発生させることができるように、ポンプ２１が空気圧式のモータとして動作するという可能性がある。追加の蓄圧器からも、エネルギを、制御下でも、蓄圧器２３へ放出することができる。その目的は、圧力の蓄えを作り出すことができるためである。
【００５６】
図７には、図６の変形例が示されている。この変形例は、ポンプ２１またはジェネレータと蓄圧器２３との間に切換弁２８が設けられており、この切換弁によって、蓄圧器２３を、残りの構成要素から分離することが可能であることを意図する。このことによって、ポンプ２１を蓄圧器２３に独立して作動させることが可能である。この目的のために、他の逆止弁２９が設けられており、この逆止弁は、既存の逆止弁２４と平行に設けられている。両方の逆止弁２４，２９は、ポンプ２１から作動液が蓄積器１６に供給されることを阻止する。
【００５７】
図８には、図７に示した実施の形態の変形例が示されている。図８に示した実施の形態は、切換弁手段２９０が、逆止弁２９に平行に液圧導管に設けられていることを意図する。この切換弁手段２９０は、切換位置Ａにあるとき、逆止弁２９を迂回することを可能にする。この切換位置は示されている。弁手段２９０の切換位置Ｂには、バイパスが遮断されている。その目的は、対応の圧力勾配が弁２９にあるとき、作動液が逆止弁２９を通って流れることができないためである。この追加の弁手段２９０は、圧力媒体が蓄圧器２３に充填されているとき、膝の屈曲により強制される液圧流が、ポンプ２１を介して、ジェネレータモードで発電のために用いることができるために、使用される。この目的のために、弁手段２９０，２８，６０を対応の位置へ移動しなければならない。その目的は、ポンプ２１を、ジェネレータモードで屈曲の際に作動液によって駆動することができるためである。ジェネレータモードによって、必要な場合には追加の屈曲制動を、機械エネルギおよび液圧エネルギを電気エネルギに変換することによって、達成する。
【００５８】
図９には、個々の弁または制御手段の位置ならびに歩行の過程に亘る位置の変化が表形式で示されている。表の上方には、平面での歩行のための歩行周期が示されている。通常の膝角度ＫＡは、最大限に伸展した位置で約１８０°と、最大限に屈曲した位置での１２０°との間に延びている。歩行周期は、複数の相に区分される。最重要な区分を、立脚相と遊脚相の間で行なう。踵接地、すなわち、人工足関節の着地（この着地には立脚相における屈曲が続く）で始まる膝角度曲線が示されている。膝関節が安定的な位置にある第１の接地後に、体重による荷重によって膝関節を内側に屈曲させる。荷重に直ぐ続いて生じる屈曲は、地面との接触による衝撃を制動する。初期の接地および荷重応答を、期間１ないし４で行なう。続いて、膝関節の伸展を開始する。その目的は、改善された安定を達成するためである。続いて、伸展を完了する。これは、第６の期間における中期のおよび周期の立脚相である、続いて、いわゆるプレスイング期７で、膝関節の受動的な屈曲を行なう。プレスイング期７の終わりで、いわゆる「トゥオフ」すなわち地面からの足部の持ち上げを行なう。その目的は、脚がプレスイングすることができるためである。初期の遊脚相では、次に、続いて、最大限の屈曲を達成する。中期の遊脚相９では、脚のプレスイングを達成し、終期の遊脚相では、膝関節の伸展を促進する。その目的は、最大限の膝角度を達成し、かつ、立脚期への準備をするためである。
【００５９】
動作のこの経過の下に記載された表では、能動的な伸展支援機能を有する状況および能動的な伸展支援機能を有しない状況に関する関節装置の液圧回路の個々の要素が示されている。終期の立脚相まで、切換手段６０が中間位置Ｃに設けられており、最大限屈曲までの終期立脚相に関しては、切換手段を弁位置Ａにもたらす。その目的は、屈曲開始の際に支援を可能にするためである。最大屈曲の達成後に、伸展補助装置機能なしに、すなわち、伸展支援なしに、蓄圧器２３またはポンプ２１による支援を再度オフに切り換える。伸展支援の際には、最大屈曲の達成後に、（切換手段を）弁位置Ｂに切り換える。その目的は、伸展支援を達成するためにある。
【００６０】
この場合、伸展弁４０は、立脚相の間に、主に閉じたままである。終期の立脚相の初めになってはじめて、伸展弁が開き、すべての屈曲期の間、実質的に開いたままである。終期の遊脚相の間にはじめて、伸展弁を再度閉じる。その目的は、伸展止めを回避するためである。立脚相の間の高い伸展制動は、立脚相での伸展の間の伸展への急停止を阻止する。
【００６１】
伸展弁５０は、まず、主に閉じられている。その目的は、立脚相での屈曲を制動するためである。立脚相での伸展後には、屈曲を可能にするため、屈曲制動を減少させる。屈曲の開始前に、屈曲制動を最大限減少させる。何故ならば、ここでは、膝関節を、地面（床）反力によって停止に保つからである。伸展支援なしに、遊脚相で屈曲制動を増加させる。その目的は、人工足部の過旋回（Ueberschwingen）およびいわゆる「踵挙上」を回避するためである。屈曲制動は高いレベルのままである。その目的は、つまずきを阻止することができるためである。伸展補助装置機能を有する屈曲弁は、屈曲期の間の制動の増加を意図しない。何故ならば、ここでは、「踵挙上」を回避する必要がないからである。その理由は、踵挙上を、伸展支援を作動させることによって行なうからである。屈曲方向における制動は、伸展補助装置機能を有しない制動と比較して長い時間、低いままである。その目的は、伸展支援を可能にするためである。続いて、屈曲制動を再度増加させる。その目的は、つまずきを阻止することができるためである。
【００６２】
弁２９０および２８を有する図８に示した変形例については、支援または蓄積器への圧力媒体の供給の際に損失を被らないために、弁２９０が閉じたままであることが意図されている。終期の遊脚相の終わりに、弁を開くことができる。その目的は、作動液の流れをポンプ２１によって、ジェネレータモードで導き、従ってまた、機械エネルギを電気エネルギに変換するためである。弁２８を終期の遊脚相の間に閉じる。その目的は、圧力媒体を充填した蓄積器２３では、強制された作動液の流れを、ポンプ２１のジェネレータモードで発電のために使用するためである。
【００６３】
図１０は、急斜面の昇りの際の回路を示す。ここでは、伸展支援機能によって操作を行なうことは有意義である。終期の立脚相まで、弁６０は、位置Ｂにある。その目的は、患者が階段の段をより容易に上ることができるように、あるいは、傾斜面をより容易に上がるように、伸展支援を保証するためである。屈曲支援を、「トゥオフ」後の屈曲開始の際に、行ない、伸展支援を、終期の遊脚相で行なう。伸展弁４０は、まず、実質的に開いたままである。その目的は、伸展支援が最大限働くように、伸展方向における低い制動を保証するためである。伸展止めへの到達前に、伸展弁４０の閉鎖従ってまた伸展制動の増加が必要である。その目的は、伸展止めへの急停止を回避するためである。切換弁６０の切換時点で、伸展弁の短時間の閉鎖は、激しい衝撃を回避するために、意味がある。代わりに、屈曲弁５０をこれらの時点で短時間閉じることができる。これとは別に、屈曲弁５０は、動作の全期間に亘って実質的に開いている。その目的は、その目的は、最小の制動および最大の支援を可能にするためである。
【００６４】
図１１には、伸展補助装置機能による急斜面の下降に関するダイアグラムが示されている。全立脚相に亘って、切換弁は位置Ｃにとどまっており、伸展支援または屈曲支援は生じない。初期の遊脚相ではじめて、切換弁は、屈曲支援を達成するために、位置Ｂを占める。伸展弁は、立脚相で閉じられており、あるいは、急な下り坂が最早ない場合でも、高い伸展制動を保証するために、高い制動を有する。最大の屈曲への到達後に、伸展を可能にするために、伸展制動を減少させる。従って、弁４０を開く。遊脚相の終わりで、伸展を再度増加させる。その目的は、伸展止めへの急停止を回避するためである。
【００６５】
屈曲弁５０は、立脚相の間、下方への移動の際に屈曲を制動するために、増大した屈曲抵抗を有する。続いて、屈曲動作を可能にするために、屈曲弁５０をゆっくりと開く。遊脚相では、制動は低いままである。その目的は、望ましい場合には、伸展支援を可能にするためである。代わりに、中期の遊脚相の領域であるように、屈曲制動を増加させることもできる。終期の遊脚相の領域では、再度、最大の屈曲制動を行なう。
【００６６】
図１２には、回路装置および切換経過（Schaltverlauf）が示されている。図１１に示す急な下りの際に、切換経過が生じえるのは、蓄圧器２３に圧力媒体を供給すべきとき、または電気エネルギをポンプ２１のジェネレータモードで発生させるべきとき、である。切換弁６０を立脚相の間に位置Ａに移動する。その目的は、エネルギを蓄積器２３に運ぶことができるためである。このことを行なうことが有用であるのは、これによって、蓄圧がピストン圧力を上回らない場合のみである。これが万一当てはまるならば、図１１に示す切換方式を適用すべきだろう。
【００６７】
図１１とは異なり、図１２に示す制御では、伸展弁を、既に、終期の立脚相で開き、かつ伸展制動を減少させる。全体の初期の遊脚相に亘って、伸展弁は開いたままである。伸展弁を、中期の遊脚相ではじめて再度閉じる。その目的は、遊脚相の終わりで、急停止を回避すべく、伸展制動を増加させるためである。屈曲弁は、全体の動作の経過に亘って開いたままである。その目的は、エネルギを蓄積器２３に導くためである。弁の位置を、蓄積器２３とピストンとの間の圧力差に適合するほうがよい。蓄積器２３が空であるとき、より高い屈曲制動があるように、屈曲弁５０を調整することができる。遊脚相では、屈曲制動を同様に低く保たねばならない。その目的は、伸展支援が望ましい場合には、伸展支援を可能にするためである。切換弁２９０を立脚相の間に開けるのは、作動液の流れをジェネレータによって発電のために使用することができるためである。弁２８は閉じたままである。伸展期では、弁２９０を閉じる。その目的は、伸展支援を蓄圧器２３によって可能にするためである。
【００６８】
図１３には、歩行周期に関するタイミンダイアグラムが示されている。タイミングダイアグラムには、時間ｔに亘っての膝角度ＫＡが示されている。膝角度ＫＡは、歩行終期の初めに、すなわち、踵接地つまりいわゆる「ヒールス・トライク」の際に、立脚相における初期の屈曲に基づき、０°よりも大きく、後続の立脚相区分に亘って、０°で一定であり、約１．１秒の後には増加する。膝角度ＫＡは、立脚相の終わりで、いわゆる「トゥオフ」後に、ｔ＝１．３５秒では、約５５°の最大屈曲まで増加し続ける。最大の膝角度ＫＡの達成後、運動の反転を行なう。下腿の構成要素を前方に移動させる。その目的は、膝角度ＫＡが伸展動作により再度減少し、かつ、遊脚相の終わりに、最大のまたはほぼ最大の伸展において、０°の膝関節ＫＡで終了するためである。他の図の描写とは異なり、膝角度ＫＡには、図１３では、伸展位置で０°が付されている。
【００６９】
図１３から、更に、支援の屈曲トルクＦＭを屈曲の直前に加えることが見て取れる。膝角度曲線に基づいて、膝の屈曲を引き起こすためには屈曲トルクＦＭが十分でないことが分かる。むしろ、屈曲トルクＦＭのレベルは、使用者が屈曲のための支援のみを提供し、かつ、屈曲を独立的に引き起こさないように、選択されている。このことは、膝角度ＫＡが最大の屈曲トルクＦＭが全期間に亘って不変のままであることから分かる。既に屈曲のはじめに、すなわち、膝屈曲の方向での膝角度の変化のはじめの前に、屈曲トルクＦＭのレベルを低下させる。その目的は、膝関節の余りに容易な屈曲に達することを阻止するためである。このことは、結果として膝関節の安定性の欠如をもたらすだろう。屈曲トルクを一時的に加えることは、より少ないエネルギを準備すればよいという利点を有する。同様に、膝関節は、立脚相の間に、主に屈曲支援なしのままである。それ故に、望ましくない屈曲に対する高い安全性が保証されている。屈曲のためのトリガトルクの減少を意味することができる支援によって、安定的な構造を選択することができる。安定的な構造、すなわち、個々の構成要素の互いの割り当ての故に、患者への荷重の増加をもたらすことなく、安定性の増加を供給することができる。
【００７０】
「トゥオフ」後に、すなわち、約ｔ＝１．２秒の際に、支援の屈曲トルクが存在しない。むしろ、屈曲制動として作用しかつ膝関節の過度な屈曲を阻止する伸展トルクＥＭを印加する。伸展トルクＥＭの能動的な印加の代わりに、純粋に受動的な制動を行なうこともできる。同様に、システムからのエネルギを制動のために変換によって運び出すことも可能であり、屈曲トルクの印加のために必要なエネルギを少なくとも部分的に戻すことができる。伸展トルクＥＭを印加するとき、伸展トルクＥＭが印加される相が、膝関節の完全な伸展の前で終わる。
【００７１】
エネルギが、動作の際に使用者を支援するために、同じレベルか減少したレベルで、動作の解除を越えても、印加されたままであることは、可能であり、かつ意図される。供給したエネルギの比較的低いレベルは、メンテナンスなしの可能な使用時間を延長する。
【００７２】
図１３に示したダイアグラムでは、更に、印加された出力Ｐおよびなされた仕事Ｗがプロットされている。モータで供給された出力Ｐは、膝の屈曲のはじめに上昇し、「トゥオフ」後に、出力過剰がある。このことは、モータによる出力を供給する必要のないことを意味する。膝角度の最大値に達した後に、出力Ｐが再度プラスになるように、伸展のために、再度出力を必要とする。
【００７３】
図１３を参照して説明した制御は、液圧式の駆動手段によって、実施可能であるだけではない。屈曲トルクおよび伸展トルクを電動モータによって、直に、必要な場合には適切な伝動装置を介して、印加する。終わりで動作を制御するために、モータをジェネレータモードに切り換えることができる。発生した電気エネルギを蓄積器またはコンデンサに蓄積することができる。その目的は、エネルギを所定の時間に取り出すことができるためである。
【符号の説明】
【００７４】
１  関節装置
２  上部
３  下部
４  取付手段
５  取付手段
１０  液圧ユニット
１２  ピストン
１５  屈曲室
２０  圧力供給手段
２１  ポンプ
２３  蓄圧器
６０  制御手段
【図１】
2015521505.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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