CN101404959A - 关节装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种关节装置，用于矫正器或假肢，该关节装置具有一个上部件(2)和一个可绕摆动轴线转动地支承在该上部件上的下部件(3)以及一个制动装置，该制动装置使该下部件相对于该上部件的摆动运动制动或锁定，其中，一个螺线弹簧(5)设置在两个止推面(6，7)之间，该螺线弹簧可绕一个与该摆动轴线平行的扭转轴线(4)拉紧地被支承着并且在拉紧时朝这些止推面方向与这些止推面形成接触。

Description

关节装置
本发明涉及一种关节装置，用于矫正器或假肢，该关节装置具有一个上部件和一个可绕摆动轴线转动地支承在该上部件上的下部件以及一个制动装置，该制动装置使该下部件相对于该上部件的摆动运动制动或锁定。
由现有技术公知了多个用于矫正器或假肢的关节装置，这些关节装置可实现两个假肢或矫正器部件可彼此相对摆动的支承。在布置例如作为膝关节的关节装置时期望阻尼在摆动时相中以及在站立时相中可调节。
单轴肩关节中的关节装置的布置应可实现臂假肢或矫正器锁止以免掉落下来。同样的适用于肘关节中的关节装置的布置。
为了在这种关节中布置制动装置可使用不同的作用原理，除了在预确定的卡锁位置中形状锁合的锁止之外，存在使运动被液压地阻尼或制动的可能性。但这种液压控制在工艺上非常麻烦并且在空间需求和重量方面不利。
本发明的任务在于，开发一种关节装置，该关节装置可用很小的转换力打开或闭锁并且同时需要非常小的结构空间。尤其是中间-横向伸展应保持尽可能小，以便在矫正器中使用时可实现不引人注意地穿戴在衣服下面。
根据本发明，该任务通过一种具有权利要求1的特征的关节装置来解决。本发明的有利构型和进一步构型在从属权利要求中描述。
根据本发明的关节装置用于矫正器或假肢，该关节装置具有一个上部件和一个可绕摆动轴线转动地支承在该上部件上的下部件以及一个制动装置，该制动装置使下部件相对于上部件的摆动运动制动或锁定，该关节装置提出，一个螺线弹簧设置在两个止推面之间并且可绕一个与摆动轴线平行的扭转轴线朝止推面方向拉紧地被支承着，其中，螺线弹簧在拉紧时朝止推面方向与这些止推面形成接触。由此，螺线弹簧的侧壁压在止推面上。由此可通过摩擦在转换力和转换行程非常小的情况下建立非常高的制动力矩。由于构造成螺线弹簧，可在中间-横向伸展方面实现非常小的结构尺寸，即使为此必须容忍相对大的直径。通过螺线弹簧朝止推面方向拉紧，各个螺旋线试图朝止推面方向移动。但这由于止推面而不可能，由此，螺线弹簧楔住并且可实现制动或闭锁力矩。通过楔形效应使拉紧增强，由此存在一个自动增强的***。如果进行上部件和下部件逆着卷绕方向的相对运动，则螺线弹簧趋向于离开止推面，由此，如果基于预加载的摩擦不是这样大，使得打开运动至少得到补偿，则始终可进行几乎不受阻碍的运动。
本发明的一个进一步构型提出，止推面被确定轮廓地构造，尤其是构造成径向上锥形的或径向上弯曲的，以便提高摩擦面积以及可利用螺线弹簧的其径向向外前后相接的螺旋线。由此获得渐增的制动性能。螺线弹簧在此优选与止推面相应地被确定轮廓，以便提供止推面与螺线弹簧侧壁之间的尽可能大的摩擦面。止推面和螺线弹簧轮廓的锥形的或恒定地弯曲的构型可实现附加的楔形效应，该楔形效应引起高的力增强。也提出不连续的横截面几何特征，例如多重地锥形或弯曲的轮廓，类似于圣诞树的轮廓。由此可在给定的楔角的情况下降低结构宽度。
如果螺线弹簧的扭转轴线与关节的摆动轴线重合，可实现特别紧凑的结构形式。
在止推面的锥形构型中，角度优选处于10°与50°之间。较小的角度包含自锁的危险，较大的角度使中间-横向方向上的结构空间增大并且使自动增强降低，这不是期望的。
螺线弹簧在其张紧力方面优选可调节并且可在其休止位置中与止推面处于接触。由此保证，在应闭锁的那个摆动方向上由于自动地开始和增强的制动效应而始终保证可靠的制动作用，即使为了使关节装置运动——逆着该方向——必须施加一定的力矩，以便克服螺线弹簧的起始的制动作用。
本发明的一个进一步构型提出，螺线弹簧与一个促动器相耦合，该促动器使螺线弹簧张紧或松弛。由此可进行关节装置的主动控制，例如其方式是通过螺线弹簧期望地松弛、即螺线弹簧从止推面扩张或拉紧而得到始终自由的可运动性。另一方面可通过朝止推面方向足够大的拉紧力来进行关节装置的持续且可靠的锁止或摆动运动的制动。
促动器优选是调节或伺服电机，该调节或伺服电机为了增强调节力和螺线弹簧朝止推面方向或背离这些止推面的拉紧力而与杆相耦合，该杆又作用在螺线弹簧上。在初始位置中，杆可在锁止方向上承受弹簧负荷，以便进行磨损补偿。这尤其是通过螺线弹簧容易地实现。为了在促动器失效时保证可靠的制动或锁止，即为了提供失效可靠的关节装置，螺线弹簧抵抗促动器在锁止方向上被预加载拉紧。如果促动器失效，则螺线弹簧自主地朝止推面方向扭转，其结果是起始的制动作用，该制动作用通过自动增强以及由此螺线弹簧抵抗止推面的拉紧来增强。由此可使摆动方向在促动器失效时始终闭锁。在膝关节或膝关节矫正器中会进行屈曲的闭锁，以便避免无意跌倒。
本发明的一个进一步构型提出，设置有一个传感器装置，该传感器装置测量上部件和下部件相互间的力矩、角度位置或作用在关节装置上的力。该传感器装置与一个控制单元相耦合，该控制单元根据所测量的参量或参数激活促动器并且使螺线弹簧相对于止推面拉紧或松弛。由此与负荷相关地和与位置相关地引起制动装置的闭锁或松开，由此进行关节装置的与状况适配的制动。例如在假肢穿戴者或矫正器穿戴者被绊住时可激活制动装置并且锁止关节装置，由此防止无意跌到。膝弯曲由此可有目的地得到限制。
本发明的一个进一步构型提出，促动器与一个控制单元相耦合，该控制单元通过肌电信号引起促动器的激活或去激活。因此，关节可在确定的位置中基于肌电信号来锁止或解锁。
一个用于检测上部件和/或下部件的空间取向的装置也可与促动器相耦合。并且一个用于检测上部件和/或下部件或固定在其上的装置的所产生的加速度的装置可与促动器相耦合。由此可借助于绝对角度信号、即或者上部件或者下部件相对于铅垂线的取向来控制矫正器/假肢或安装有该关节装置的装置。通过上部件和下部件彼此相对的位置已知关节角度、例如膝角度，由此也已知不仅上部件而且下部件或固定在其上的装置在空间中的绝对取向。该装置因此可构造成上部件或下部件上的或固定在其上的装置上的绝对角度传感器。由此可基于用于关节装置或设置有关节装置的***的空间取向的信息来进行促动器的控制。也可基于所产生和所测量的加速度来进行该控制。由此可根据绝对角度和所产生的加速度来将制动器激活或转换得脱离作用。
在螺线弹簧的多头构型中保证特别容易的可调节性。摩擦面上的随之而来的损失可通过螺线弹簧和止推面的直径增大来补偿。
通过非线性的螺线几何特征可获得渐增的制动性能。也可通过多个螺线圈来改变操作力矩。螺线弹簧具有的圈越多，操作行程就越长，但由此可非常好地调节制动力矩。为了可实现一定的调节容差和激活柔性，一个止推面可在轴向上受限制移动地被支承着。螺线几何特征不局限于持续弯曲的自由空间或螺旋线。也可设置具有变化的横截面、螺距、取向或类似参数的螺旋线。也可设置块式的元件。
下面借助于附图来对本发明的实施例进行详细描述。附图表示：
图1在安装好的状态中的关节装置；
图2根据图1的关节装置的底侧视图；
图3被部分剖切的关节装置的俯视图；
图4装配好的关节装置的剖面视图；
图5图4的局部A的放大细节视图；
图6多头欧拉螺线弹簧的不同视图；
图7非线性的螺线弹簧的不同视图；以及
图8关节装置的变型方案的部分视图。
图1示出了一个装配好的关节装置1的俯视图，该关节装置具有一个上部件2和一个下部件3。名称上部件和下部件并不意味着对具体结构的技术限制，而是上部件不仅可设置在假肢或矫正器的近中端部上，而且可设置在假肢或矫正器的远中端部上，相同情况相应地适用于下部件。
上部件2具有一个L形的弓形件21，该弓形件可轴向移动地连接、旋拧或套装在上部件2上。在该图中未示出的止推面通过一些螺钉71固定地旋拧在弓形件21上。在弓形件21前面，一个操作杆40朝下部件3方向伸出并且可通过一个未示出的促动器在两个方向上绕摆动轴线4摆动。杆40可相对于上部件2摆动地被支承着并且使一个螺线弹簧运动，该螺线弹簧无相对转动地在下部件3上通过一些螺钉51固定在下部件3上。上部件2和下部件3可固定在矫正器或假肢的固定元件上。
图2中示出了关节装置1的底侧视图。上部件2形成一个承载面，第二止推面通过螺钉61无相对转动地支承在该承载面上并且连接成一个功能单元。下部件3可相对于上部件2绕中央的摆动轴线4摆动。在下部件3上构造有一个圆形的头部段，螺线弹簧通过螺钉51固定在该头部段上。
图3中示出了螺线弹簧5的一个可能构型，该图示出了上部件2、下部件3和螺线弹簧5的剖面视图。未示出弓形件21、杆40和上部的圆形的盖53。
螺线弹簧5通过分布在圆周上的螺钉51无相对转动地支承在下部件3上。该螺线弹簧具有圆形横截面，其具有单头的螺旋线，该螺旋线从外部直到转动轴线4逆时针螺线状地向内延伸。可以相对于摆动轴线4平行地并且与该摆动轴线重合地通过逆时针操作所述杆40将螺线弹簧5在卷绕方向上拉紧，由此使螺线弹簧5向内朝转动轴线4方向拉紧。各个螺旋线向内移动并且于是处于止推面6、7上，这些止推面无相对转动地通过螺钉61、71支承在上部件2上。视止推面6、7以及螺线弹簧5的构型而定，在转动时可在卷绕方向上或逆着卷绕方向获得制动。
借助于图4可特别清楚地看到关节装置1的结构构造和作用方式。在根据图4的剖面视图中，上部件2和下部件3可绕摆动轴线4彼此相对摆动地可移位地相互固定。止推面6、7通过螺钉61、71无相对转动地支承在具有通过螺钉或螺栓固定的弓形件21的上部件2上。止推面6、7具有锥形的轮廓并且彼此相对这样设置，使得径向向外形成一个扩宽的楔形空间。螺线弹簧5设置在该楔形空间的内部，该螺线弹簧无相对转动地通过分布在其圆周上的螺钉51固定在下部件3上。螺线弹簧5一方面直接靠置在下部件3上，另一方面靠置在盖53上。杆40也可绕转动轴线4摆动地被支承着并且作用在螺线弹簧5的中心上，该转动轴线同时是拉紧轴线。如果杆40如在图1中所示的那样被逆时针操作，则螺线弹簧5向内拉紧。具有其锥形轮廓的各个螺旋线试图向内移动。但这由于通过起到制动盘的作用的止推面6、7形成的横向限制而不可能。螺线弹簧5的侧向面抵抗止推面6、7楔住，由此实现制动或闭锁力矩。而如果杆顺时针逆着卷绕方向运动，则螺旋线向外扩张。由此，侧向的螺线面与止推面6、7之间的摩擦减小或消除，由此，在极限情况下在螺线弹簧5与止推面6、7之间不再存在接触。关节或关节装置1由此可***。如果原来闭锁的关节或闭锁的关节装置1逆着螺线弹簧5的卷绕方向运动，则螺线弹簧5的侧面与止推面6、7之间的摩擦使得螺旋线扩张，由此，关节可在该方向上始终***，而该关节在相反的运动方向上自动闭锁。
在所示的原理中，建立制动或闭锁力矩所需的法向力相对于对应的楔面垂直。为了使作用在构件如螺线弹簧5和止推面6、7上的负荷在预给定的制动力矩下降低，值得推荐的是，实现尽可能多的摩擦面。在当前情况下设置两个止推面6、7。这些止推面6、7在关节装置1闭锁时彼此被压开并且由此在弹簧5上摩擦。
如果这两个止推面6、7可在轴向上受限制移动地被支承着，则螺旋线的径向向内指向的运动还附加地引起止推面6、7的处于外部的摩擦面36、537在下部件3和圆形的盖53上摩擦。由此形成总共四个制动面，这在预给定的待实现的制动力矩下对于弹簧5意味着卸载。摩擦面的数量可进一步提高，其方式是止推面6、7或下部件3和盖53与如图8中所示的片叠相连接。也可将多个止推面和螺线弹簧在轴向上彼此并排地安置。如果设置两个具有不同卷绕方向的螺线弹簧，则关节可在两个运动方向上同时闭锁。
如已经描述的那样，通过杆40可使螺线弹簧5拉紧或松弛，由此，关节或关节装置1或者打开或者闭锁。齿轮或齿轮段在此也可用作杆40。通过齿轮传动装置则可使作为促动器的伺服电机与齿轮并且由此与该螺线弹簧或这些螺线弹簧直接耦合，由此可减小所需的结构空间。与变化的力情况的适配可通过改变传动比而不是在操作杆的情况下通过改变杆长度来进行。
另外，在图5的部分视图中在上部件2、21与下部件3之间设置有径向滑动轴承8，该径向滑动轴承靠置在止推面6、7的端面以及上部件2和弓形件21上。径向轴承8不必靠置在所述端面上，重要的是，该径向轴承被固定以免太大的轴向移动。由此在螺线弹簧5不拉紧时可实现绕摆动轴线4的滑动。在图5中也可看到一个角度传感器9，该角度传感器探测上部件2相对于下部件3的角度位置并且将这些数据传送给控制装置，该控制装置再操作一个未示出的促动器、例如调节或伺服电机。由此可使关节装置1闭锁或打开。此外，在上部件2中或优选在下部件3中可将一个力矩传感器组合在该结构中。
盖53可不是通过螺钉51而是通过螺纹直接与下部件3螺纹连接，其中，设置有一个防扭转装置。如通过螺钉51那样，通过螺纹可调节间隙尺寸并且使各个件保持在一起。
为了避免不期望的拉紧，必要的可以是，上部件2和固定在该上部件上的弓形件21允许轴向间隙，由此，两个制动或止推面6、7可在轴向上彼此相对稍微移动。于是提出，弓形件21带有间隙地固定在上部件2上或者通过两个允许轴向移动的螺栓彼此相连接。
螺线弹簧5的螺线曲线的几何特征对关节装置1的特性具有强烈影响。具有多个圈的螺线比具有很少的圈的螺线具有更长的操作行程，但所实现的制动力矩可明显细地被调节。为了例如获得渐增的制动性能或为了使螺线弹簧的负荷最佳化，非线性的螺线几何特征是可以的。
为了降低杆40上的操作力矩，可相互平行地分隔成多个圈，即构成例如图6中所示的多头的螺旋线。
在膝关节矫正器或假肢中使用时提出，关节装置1在锁止模式中被调节，该锁止模式保证关节在促动器失效时不可自由摆动。这可通过操作杆40的预加载例如通过一个弹簧而达到闭锁位置中。关节装置或制动装置的打开则主动地抵抗弹簧力进行，例如也抵抗通过螺线弹簧5产生的预加载。作为对通过螺线弹簧5产生的预加载的替换方案，可设置一个分开的弹簧，该分开的弹簧同时引起自动的磨损补偿。关节装置1的打开则主动地抵抗弹簧力进行。如果在感兴趣的力矩范围的范围之内选择抵抗促动器的预加载，则待实现的制动力矩可进一步增强或削弱。
也可如在片式离合器中那样例如前后堆叠地设置更多数量的止推面6、7，以便进一步减小螺线弹簧5的负荷。取代止推面6、7的直锥形构型，也可设置曲率，以便可实现在螺旋线向内移位时制动力矩的特殊的上升。
如果这样构造止推面6、7，使得这些止推面形成一个向径向外部收缩的楔形空间，则转动方向应相应反向，因为通过螺线弹簧5的扩张可使得靠置在止推面6、7上并且实现制动力矩。
通过所示的实施形式可在负荷下通过电动的促动器或通过手动的操作容易地打开关节装置。在紧急情况下以及在促动器失效时，如果在初始位置中螺线弹簧5与止推面6、7处于接触，则关节装置在一个摆动方向上始终闭锁。于是通过上部件和下部件2、3彼此相对摆动通过楔住来实现制动力矩和增强制动作用。
作为具有仅一个螺线弹簧5的所示构型的替换方案，可在轴向上并排地在相反的方向上起作用地设置两个螺线弹簧，由此可获得在两个摆动方向上起作用的制动器，该制动器需要很小的构件并且可在负荷下在两个运动方向上转换。
上述关节装置也可在任意经常滑转的部件中使用，由此也可用于超速离合器或回程闭锁器。
图6中示出了一个螺线弹簧5的俯视图，该螺线弹簧具有欧拉螺旋线、即线性的螺线几何特征。总共设置有四个各具有三又二分之一个圈的螺旋线，由此，由于螺旋线的相对大的面而得到螺线弹簧5的相对容易的可调节性和可扭转性。图6a中示出了沿着图6中的线A-A的剖面，在图6a中可看到在两个止推面6、7之间螺线弹簧5的布置。在螺线弹簧5的外圆周上在当前情况下对称地彼此对置地构造有一些孔55，固定螺钉或螺栓51可穿过这些孔，以便使螺线弹簧固定在下部件3上。在图6a中绘入了螺线弹簧5的楔角α，该楔角处于10°与50°之间，在当前情况下大约在30°。楔角α同时是在止推面6、7之间形成的楔角。如果螺线弹簧不是如在图6a和图6c中可看到的那样而是在径向方向上收缩，则应认为是朝转动轴线4呈漏斗状的构型，楔角α正好相反地取向。
图6b示出了图6a的区域B的放大的部分视图。
图7中示出了螺线弹簧5的俯视图，该螺线弹簧具有非线性的螺线几何特征。螺线弹簧5具有四个螺旋线，所述螺旋线具有大约225°的卷绕长度，由此得到比在图6的螺线弹簧5的情况下显著硬的弹簧特性。在根据图7的螺线弹簧5中也在螺线弹簧5的圆周上设置有一些孔55，在当前情况下比在根据图6的螺线弹簧中设置更多数量的孔。较小的孔56用于节省材料，但也可与螺栓一起用于传递力矩。在图7a中可看到楔角α或未示出的止推面6、7彼此间的楔角。图7c示出了朝转动轴线4的盆状凹陷。
图8在与图5的部分剖面视图类似的部分剖面视图中示出了关节装置的作为替换方案的构型。取代仅仅在螺线弹簧5在止推面6、7上的接触面上和在处于外部的摩擦面36、537上传递摩擦力而在下部件3和盖53中加工有楔形型廓30、530，摩擦片531、532、533、31、32、33可轴向移位地并且无相对转动地***在这些楔形型廓中。取代楔形型廓30，也可设置螺栓或其它形状锁合的连接元件。无相对转动的支承可通过片31、32、33、531、532、533的圆周上的突起与下部件3和盖53中的槽和沟的形状锁合来建立。在片叠31、32、33、531、532、533之间在关节装置的朝向上部件2的侧上在止推面6、7和弓形件21以及上部件2中设置有用于传递转矩的螺栓16、17。在这些螺栓16、17上套上摩擦片71、72、62、63，由此形成可轴向移动的、在力矩下刚性的连接。螺栓16、17压入到止推面6、7中。如果现在螺线弹簧5在卷绕方向上扭转，则螺线弹簧线靠置在止推面6、7上并且向外压这些止推面。由此，片叠由于轴向的可运动性以及在力矩下刚性的支承而在下部件3中或在未示出的上部件2上相互压紧并且使上部件2相对于下部件3的转动运动得到避免或变难。最后的摩擦副通过配置给上部件2的输出件73、64与盖53或下部件3之间的面来实现。
在所示实施形式中总共提供十六个摩擦面副，由此，摩擦面积可显著提高。片设置得越多，摩擦面积就越大。在具有片叠的关节装置的构型中也可设置多个螺线弹簧，必要时在相反的卷绕取向上设置。也可在滑转的部件中使用。

Claims (20)

1.关节装置，用于矫正器或假肢，该关节装置具有一个上部件和一个可绕摆动轴线转动地支承在该上部件上的下部件以及一个制动装置，该制动装置使该下部件相对于该上部件的摆动运动制动或锁定，其特征在于：一个螺线弹簧(5)设置在两个止推面(6，7)之间，该螺线弹簧可绕一个与该摆动轴线平行的扭转轴线(4)拉紧地被支承着并且在拉紧时朝这些止推面(6，7)方向与这些止推面形成接触。
2.根据权利要求1的关节装置，其特征在于：该扭转轴线(4)与该摆动轴线重合。
3.根据权利要求2的关节装置，其特征在于：这些止推面(6，7)构造成径向上锥形的或径向上弯曲的。
4.根据权利要求3的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)轮廓被确定得与这些止推面(6，7)的轮廓相对应。
5.根据权利要求3或4的关节装置，其特征在于：这些止推面(6，7)的锥角(α)处于10°与50°之间。
6.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)在其张紧力方面可调节。
7.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)在其初始位置中与这些止推面(6，7)处于接触。
8.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)与一个促动器相耦合，该促动器使该螺线弹簧(5)在螺线的卷绕方向上或逆着该卷绕方向向这些止推面(6，7)上拉紧。
9.根据权利要求8的关节装置，其特征在于：该促动器是调节电机。
10.根据权利要求8或9的关节装置，其特征在于：该促动器通过一个杆(40)或一个齿轮或齿轮部分与该螺线弹簧(5)相耦合。
11.根据权利要求10的关节装置，其特征在于：该杆(40)或该齿轮在锁止方向上承受弹簧负荷。
12.根据权利要求8至11中一项的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)在其初始位置中抵抗该促动器在锁止方向上被预加载。
13.根据权利要求8至12中一项的关节装置，其特征在于：设置有一个传感器装置(9)，该传感器装置测量该上部件和该下部件(2，3)相互间的力、力矩和/或角度位置并且与一个控制单元相耦合，该控制单元根据所测量的参量激活该促动器并且使该螺线弹簧(5)拉紧。
14.根据权利要求8至13中一项的关节装置，其特征在于：该促动器通过肌电信号来控制。
15.根据权利要求8至14中一项的关节装置，其特征在于：一个用于检测该上部件和/或该下部件的空间取向的装置与该促动器相耦合。
16.根据权利要求8至15中一项的关节装置，其特征在于：一个用于检测该上部件和/或该下部件或固定在其上的装置的在矫正器中所产生的加速度的装置与该促动器相耦合。
17.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：至少一个止推面(6，7)可轴向移动地被支承着。
18.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)构造成多头的。
19.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：该螺线弹簧(5)具有非线性的螺线几何特征。
20.根据上述权利要求中一项的关节装置，其特征在于：这些止推面(6，7)与一个片组合相耦合，以便提高摩擦面的数量。
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