DE102020102843B4

DE102020102843B4 - Fingermodul, Fingerprothese, Handprothese und Herstellungsverfahren für das Fingermodul

Info

Publication number: DE102020102843B4
Application number: DE102020102843.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kurz; Harold Schreiber
Original assignee: HOCHSCHULE KOBLENZ
Current assignee: HOCHSCHULE KOBLENZ
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2040-02-06
Also published as: DE102020102843A1

Abstract

Fingermodul (100) für eine Fingerprothese (200) mita) einem sich um eine zentrale Mittelabschnittsachse (MAA) länglich erstreckenden Mittelabschnitt (120) zum funktionalen Ersatz eines intermediären Fingergliedes eines Fingers,b) einem sich um eine zentrale Vorderabschnittsachse (VAA) länglich erstreckenden Vorderabschnitt (110) zum funktionalen Ersatz eines distalen Fingergliedes des Fingers undc) einem Biegeabschnitt (130),d) wobei der Biegeabschnitt (130) eine zu der Mittelabschnittsachse (MAA) orthogonale Vorderseite des Mittelabschnitts (120) mit einer zu der Vorderabschnittsachse (VAA) orthogonalen Rückseite des Vorderabschnitts (110) verbindet,e) wobei die Vorderabschnittsachse (VAA) relativ zu der Mittelabschnittsachse (MAA) mit einem Anstellwinkel (α) auf eine Handflächenseite (101) des Fingermoduls (100) zu angestellt ist,f) wobei der Anstellwinkel (α) in einem lastfreien Ruhezustand des Fingermoduls (100) einem Ruhewinkel (α0) von 0° bis 60° entspricht,g) wobei der Biegeabschnitt (130) zur elastischen Rückstellung des Anstellwinkels (α) auf den Ruhewinkel (α0) zumindest bei einer Verringerung des Anstellwinkels (α) gegenüber dem Ruhewinkel (α0) um 0° bis 10°ausgestaltet ist, undh) wobei der Biegeabschnitt (130) eine vollständig von dem Biegeabschnitt (130) umschlossene Aussparung (131) zur Reduzierung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts (130) gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels (α) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dassi) sich eine entlang des Fingermoduls (100) gemessene Länge der Aussparung (131) von einer der Handflächenseite (101) des Fingermoduls (100) gegenüberliegenden Handrückenseite (102) des Fingermoduls (100) auf die Handflächenseite (101) zu vergrößert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Fingermodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Fingerprothese mit dem Fingermodul, eine Handprothese mit der Fingerprothese und ein Herstellungsverfahren für das Fingermodul.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Handprothesen bekannt, die jedoch in der Regel entweder den Funktionsumfang einer natürlichen Hand nur unzureichend ersetzen können, oder sehr komplex aufgebaut und entsprechend teuer und fehleranfällig sind.
Die Patentanmeldung DE 10 2008 056 520 A1 beschreibt ein zweigliedriges Fingerelement, das auch als Einzelfingerprothese einsetzbar ist und in seiner aktiven und passiven Funktion sowie in seinen Abmessungen einem natürlichen Finger nahe kommt. Durch die zweigliedrige Ausgestaltung wird ein relativ einfacher Aufbau erreicht, jedoch können Gegenstände weniger sicher gegriffen werden als mit dreigliedrigen Fingern. Die Fingerglieder sind durch Scharniergelenke und außenliegende Antriebsstangen miteinander verbunden, woraus sich die Gefahr ergibt, dass Fremdkörper eindringen oder gequetscht werden. Daher kann das Fingerelement nur mit einem Schutzhandschuh verwendet werden.
Die Patentanmeldung DE 10 2013 111 161 A1 beschreibt eine Handprothese, bei der das distale Fingerglied passiv beweglich an dem intermedialen Fingerglied angebracht ist und eine flektierte Grundstellung aufweist, und wobei zwischen dem intermediären und dem distalen Fingerglied ein Rückstellelement angeordnet ist, durch das beim Ergreifen eines Gegenstandes das distale Fingerglied gegen die Kraft des Rückstellelements streckbar ist. Dadurch wird das Ergreifen kleiner Gegenstände vereinfacht. Auch hier sind Scharniergelenke und Rückstellelemente zwischen den Fingergliedern frei zugänglich, woraus sich die Gefahr ergibt, dass Fremdkörper eindringen oder gequetscht werden. Daher kann die Handprothese nur mit einem Schutzhandschuh verwendet werden.
Die Druckschrift DE 1 921 629 U beschreibt eine Fingerprothese aus Polypropylen mit Gelenken in Form von eingeformten Filmscharnieren. Die Druckschrift DE 327 414 A beschreibt eine Fingerprothese aus einem elastischen Hohlkörper, in den eine Schraubenfeder eingelegt ist, die im Bereich der Fingergelenke enger gewunden ist als dazwischen. Die Druckschrift US 4 291 421 A beschreibt eine Hand- und Unterarmprothese, bei der eine Greifbewegung des Daumens gegen die Finger über Seilzüge von einer Winkel-Bewegung des Unterarms relativ zum Oberarm angetrieben wird. Die Druckschrift US 2017/0 049 583 A1 beschreibt die Herstellung einer Handprothese durch additive Fertigung.
Technische Aufgabe
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach und kostengünstig herstellbare Handprothese sowie ein Fingermodul und eine Fingerprothese dafür zu schaffen, die zuverlässig, einfach und sicher verwendet werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und schnelles Herstellungsverfahren für ein solches Fingermodul zu schaffen.
Technische Lösung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt ein Fingermodul gemäß Anspruch 1 bereit, das die technische Aufgabe löst. Ebenso wird die Aufgabe durch eine Fingerprothese gemäß Anspruch 7, eine Handprothese gemäß Anspruch 8 und ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Beschreibung der Ausführungsarten
Die Erfindung betrifft ein Fingermodul für eine Fingerprothese. Das Fingermodul umfasst einen sich um eine zentrale Mittelabschnittsachse länglich erstreckenden Mittelabschnitt zum funktionalen Ersatz eines intermediären Fingergliedes eines Fingers, insbesondere eines menschlichen Fingers. Unter funktionalem Ersatz wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass der Mittelabschnitt dazu ausgelegt ist, eine Funktion des Fingers, insbesondere eine Greiffunktion, zu ersetzen. Vorzugsweise ersetzt der Mittelabschnitt auch ein Aussehen des intermediären Fingergliedes zumindest näherungsweise.
Im Sinne der Erfindung wird auch ein Daumen als Finger bezeichnet.
Ein sich um eine Achse länglich erstreckender Körper hat entlang dieser Achse eine größere Ausdehnung als senkrecht dazu. Der Körper kann beispielsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu der Achse, insbesondere im Wesentlichen zylindrisch geformt, sein.
Das Fingermodul umfasst einen sich um eine zentrale Vorderabschnittsachse länglich erstreckenden Vorderabschnitt zum funktionalen Ersatz eines distalen Fingergliedes des Fingers.
Das Fingermodul umfasst einen Biegeabschnitt, wobei der Biegeabschnitt eine zu der Mittelabschnittsachse orthogonale Vorderseite des Mittelabschnitts mit einer zu der Vorderabschnittsachse orthogonalen Rückseite des Vorderabschnitts verbindet. Wenn der Mittelabschnitt und der Vorderabschnitt beispielsweise jeweils im Wesentlichen zylindrisch geformt sind, verbindet der Biegeabschnitt eine Stirnseite des Mittelabschnitts mit einer Stirnseite des Vorderabschnitts.
Mit Bezug auf einen zu ersetzenden Finger befindet sich der Biegeabschnitt in etwa an der Position des vorderen Fingergelenks.
Die Vorderabschnittsachse ist relativ zu der Mittelabschnittsachse mit einem Anstellwinkel auf eine Handflächenseite des Fingermoduls zu angestellt, wobei der Anstellwinkel in einem lastfreien Ruhezustand des Fingermoduls einem Ruhewinkel von 0° bis 60° entspricht, wobei der Ruhewinkel bevorzugt von 5° bis 45°, besonders bevorzugt von 15° bis 35°, meist bevorzugt von 20° bis 30°, beträgt.
Als Handflächenseite wird im Sinne der Erfindung die Seite bezeichnet, die sich bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Fingermoduls in einer Fingerprothese an einer Hand auf der Handflächenseite dieser Hand befindet.
Für die Verwendung des Fingermoduls zum einfachen und sicheren Ergreifen von Gegenständen hat sich ein angestellter Ruhezustand, insbesondere in den genannten Winkelbereichen, als besonders vorteilhaft erwiesen.
Der Biegeabschnitt ist zur elastischen Rückstellung des Anstellwinkels auf den Ruhewinkel zumindest bei einer Verringerung des Anstellwinkels gegenüber dem Ruhewinkel um 0° bis 10°ausgestaltet. Bei einer solchen Verringerung erfährt der Biegeabschnitt also eine elastische Verformung durch mechanische Belastung und kehrt bei Wegfall der Belastung selbsttätig in den Ruhezustand zurück.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sich der Vorderabschnitt beim Ergreifen eines Gegenstandes mit dem Fingermodul durch die elastische Verformung des Biegeabschnitts an den Gegenstand anlegt, sodass dieser sicher gehalten werden kann. Dazu ist im Gegensatz zu Lösungen aus dem Stand der Technik kein aktiver Antrieb des Vorderabschnitts notwendig, sodass das Fingermodul besonders einfach aufgebaut sein und kostengünstig hergestellt werden kann.
Der Biegeabschnitt ist vorzugsweise zur elastischen Rückstellung des Anstellwinkels auf den Ruhewinkel zumindest bei einer Verringerung des Anstellwinkels gegenüber dem Ruhewinkel um 0° bis 20°, bevorzugt um 0° bis 30°, ausgestaltet. Für ein einfaches und sicheres Ergreifen von Gegenständen hat sich eine elastische Rückstellung in den genannten Winkelbereichen als besonders vorteilhaft erwiesen.
Der Biegeabschnitt ist vorzugsweise zur Begrenzung des Anstellwinkels an einem Minimalwinkel ausgelegt, wobei der der Minimalwinkel von -10° bis +15°, bevorzugt von -5° bis +10°, besonders bevorzugt von 0° bis +5°, beträgt. Durch die Begrenzung des Anstellwinkels kann der Anstellwinkel zumindest bis zu einem mit bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Fingermoduls maximal auftretenden Maximal-Biegemoment nicht über den Minimalwinkel hinaus verringert werden. Dadurch wird verhindert, dass sich das Fingermodul unkontrolliert aufbiegt, wodurch eine sicheres Ergreifen von Gegenständen mit dem Fingermodul erschwert würde.
Je nach Ausgestaltung des Fingermoduls und eines Antriebs zur Bewegung des Fingermoduls kann bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Fingermoduls beispielsweise im Mittelpunkt einer Aussparung des Biegeabschnitts ein Maximal-Biegemoment von 100 Nmm bis 1000 Nmm, insbesondere von 150 Nmm bis 750 Nmm, zum Beispiel von 250 Nmm bis 300 Nmm, auftreten.
Der Biegeabschnitt ist mit dem Mittelabschnitt und dem Vorderabschnitt einstückig ausgestaltet, wenn das Fingermodul mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dadurch lässt sich das Fingermodul besonders einfach, schnell und kostengünstig herstellen, und mögliche Schwachstellen durch eine Verbindung der Abschnitte miteinander werden vermieden.
Der Vorderabschnitt umfasst vorzugsweise ein Nagelelement zum funktionalen Ersatz eines Fingernagels des Fingers. Das Nagelelement ist vorzugsweise dem Fingernagel in Form, Anordnung und Größe nachempfunden. Mit Hilfe des Nagelelements können insbesondere kleine und/oder flache Gegenstände zuverlässiger ergriffen werden. Wenn das Fingermodul mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, ist das Nagelelement einstückig mit dem Vorderabschnitt ausgebildet und gemeinsam mit dem Vorderabschnitt additiv gefertigt.
Der Biegeabschnitt umfasst eine Aussparung zur Reduzierung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels. Mit Hilfe der Aussparung lässt sich die Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts auf einfache Weise einstellen, wenn der Biegeabschnitt und die weiteren Abschnitte des Fingermoduls in einem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem einzigen Material gefertigt werden.
Im einfachsten Fall enthält die Aussparung Luft und ist insbesondere vollständig damit ausgefüllt. Die Aussparung kann ein beliebiges Medium mit einer gegenüber dem aussparungsfreien Biegeabschnitt reduzierten Biegesteifigkeit, bevorzugt ein Fluid, enthalten. Durch die Auswahl eines geeigneten Mediums können die mechanischen Eigenschaften des Biegeabschnitts auf vielfältige Weise angepasst werden. Wenn das Medium beispielsweise eine Flüssigkeit ist, kann dadurch gleichzeitig eine geringe Biegesteifigkeit und eine hohe Kompressionssteifigkeit des Biegeabschnitts erreicht werden.
Die Aussparung ist vollständig von dem Biegeabschnitt umschlossen. Dadurch wird verhindert, dass Verunreinigungen in die Aussparung gelangen, die die Funktion des Fingermoduls beeinträchtigen könnten. Außerdem wird verhindert, dass einer Biegung des Biegeabschnitts Gegenstände oder Körperteile in der Aussparung eingeklemmt werden.
Eine sich entlang des Fingermoduls gemessene Länge der Aussparung vergrößert sich von einer der Handflächenseite des Fingermoduls gegenüberliegenden Handrückenseite des Fingermoduls auf die Handflächenseite zu. Dadurch wird nahe der Handflächenseite eine stärkere Verformung des Biegeabschnitts ermöglicht als nahe der Handrückenseite, was eine elastische Verformung des Biegeabschnitts aus einem angestellten Ruhezustand in einen gestreckten Zustand mit einem gegenüber dem Ruhezustand verringerten Anstellwinkel erlaubt.
Das Fingermodul umfasst vorzugsweise eine Anzahl von sich länglich entlang des Fingermoduls erstreckenden Versteifungselementen, wobei die Versteifungselemente die Aussparung zur Erhöhung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels entlang des Fingermoduls überbrücken. Wenn das Fingermodul mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sind die Versteifungselemente einstückig mit dem Biegeabschnitt ausgestaltet. Die Versteifungselemente können beispielsweise als Versteifungsrippen ausgestaltet sein. Durch die Versteifungselemente kann ein Biegeverhalten des Biegeabschnitts, insbesondere abhängig vom Anstellwinkel, besonders genau eingestellt werden.
Die Versteifungselemente sind vorzugsweise dazu ausgelegt, bei einer Verringerung des Anstellwinkels gegenüber dem Ruhewinkel bis zu einem Minimalwinkel ohne Änderung einer entlang des Fingermoduls gemessenen Länge der Versteifungselemente verformt zu werden und bei einer Verringerung des Anstellwinkels gegenüber dem Ruhewinkel über den Minimalwinkel hinaus mit einer Änderung der Länge der Versteifungselemente verformt zu werden.
Der Minimalwinkel beträgt vorzugsweise von -10° bis +15°, bevorzugt von -5° bis +10°, besonders bevorzugt von 0° bis +5°.
Dadurch wirkt einer Verringerung des Anstellwinkels bis zu dem Minimalwinkel nur der Biegewiderstand der Versteifungselemente entgegen, während einer Verringerung des Anstellwinkels über den Minimalwinkel hinaus zusätzlich der in der Regel wesentlich höhere Zugwiderstand der Versteifungselement entgegenwirkt, sodass der Biegewiderstand des Biegeabschnitts bei Erreichen des Minimalwinkels stark ansteigt. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Versteifungselemente kann so ein Aufbiegen des Biegeabschnitts über den Minimalwinkel hinaus durch bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Fingermoduls auftretende Kräfte verhindert werden.
Bei einer Verringerung des Anstellwinkels oberhalb des Minimalwinkels wird die elastische Verformung des Biegeabschnitts durch ein Aufbiegen der Verstärkungselemente in der Aussparung charakterisiert. Als Maß für die elastische Verformung des Biegeabschnitt kann näherungsweise die Biegespannung σ_B = MNV_B herangezogen werden, die vom Biegemoment M und dem Biegewiderstandsmoment VV_B abhängt. Das Biegewiderstandsmoment des Biegeabschnitts setzt sich aus der Summe der Widerstandsmomente der Wandung um die Aussparung und der einzelnen Verstärkungselemente zusammen.
Um das Verformungsverhalten möglichst nur über die Verstärkungselemente zu steuern, wird der Einfluss der Wandung vorzugsweise minimiert, indem man die Dicke der Wandung so gering wie möglich wählt. Das Biegewiderstandsmoment eines Verstärkungselements kann für kleine Verformungen mit W_b = 1/12xbxh³ angenommen werden. Der Faktor h entspricht der Höhe der Verstärkungselemente entlang der Biegerichtung. Somit kann durch die Erhöhung der Anzahl der Verstärkungsrippen und die daraus resultierende Abnahme ihrer Höhe der Biegewiderstand drastisch reduziert werden. Im Produktionsprozess sind dabei beispielsweise Elemente mit einer Höhe von 1 mm und Abständen untereinander von 0,3 - 0,5 mm möglich.
Bei Erreichen des Minimalwinkels verringert sich die Verformung mit zunehmendem Biegemoment immer weiter, bis alle Verstärkungselemente aufgebogen und somit gestreckt sind. Ab diesem Punkt ist es für ein weiteres Verringern des Anstellwinkels nötig, die einzelnen Verstärkungselemente nicht nur zu biegen, sondern darüber hinaus auch zu strecken. Die bislang dominierende Biegespannung wird um die deutlich höhere Zugspannung ergänzt, welche durch das Aufspalten der Gesamthöhe des Biegeabschnitts in kleinere Verstärkungsrippen nicht beeinflusst oder reduziert wird. Daraus resultiert eine plötzliche Erhöhung des Biegemoments, das notwendig ist, um eine weitere Verringerung des Anstellwinkels zu bewirken.
Der Biegeabschnitt umfasst bevorzugt ein Elastomer. Wenn das Fingermodul mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, besteht der Biegeabschnitt vorzugsweise aus dem Elastomer. Durch ein Elastomer lassen sich mit geringen Kosten für den Biegeabschnitt geeignete elastische Eigenschaften bereitstellen.
Das Elastomer ist vorzugsweise ein thermoplastisches Elastomer, bevorzugt ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer (TPU), ein thermoplastisches Copolyester-Elastomer (TPC) oder ein thermoplastisches Polyamid-Elastomer (TPA), beispielsweise mit einer Poly-Aminoundecansäure (PA-11).
Thermoplastische Elastomere haben den Vorteil, dass sie sich wie andere thermoplastische Kunststoffe mit vielfältigen Verfahren, in einem erfindungsgemäßen Verfahren durch 3D-Drucken, insbesondere im Sinterverfahren, schnell und kostengünstig verarbeiten lassen. Polyamide zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aus, besitzen eine gute Chemikalienbeständigkeit und Verarbeitbarkeit.
Unter Berücksichtigung der Zugfestigkeit der zur Wahl stehenden Materialien bietet sich die Verwendung eines thermoplastisches Polyamid-Elastomer (TPA) mit einer Poly-Aminoundecansäure (PA-11), erhältlich beispielsweise unter dem Handelsnamen Nylon 11 an, dessen Streckgrenze circa bei dem Fünffachen der Streckgrenzen anderer thermoplastischer Elastomere liegt. Experimente haben jedoch gezeigt, dass die nötige Verformung mit einem TPA nicht im elastischen Bereich absolviert werden kann, sodass ein TPC oder ein TPU als Material vielversprechender erscheint. Diese weisen zwar eine geringere Festigkeit als TPA auf, haben aber erheblich größere elastische Verformungsbereiche als TPA.
Das Elastomer weist vorzugsweise eine Bruchdehnung von zumindest 60 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 100 % auf, um die notwendige Verformung des Biegebereichs unbeschadet sicherstellen zu können.
Der Mittelabschnitt, der Vorderabschnitt und/oder die Versteifungselemente, bei einer Herstellung des Fingermoduls mit einem erfindungsgemäßen Verfahren der Mittelabschnitt, der Vorderabschnitt und die Versteifungselemente, bestehen vorzugsweise aus dem Elastomer des Biegeabschnitts. Durch die Verwendung des gleichen Elastomers kann das Fingermodul besonders schnell. einfach und kostengünstig produziert und entsorgt werden.
Die Erfindung betrifft eine Fingerprothese zum funktionalen Ersatz eines Fingers mit einem erfindungsgemäßen Fingermodul, einem sich um eine zentrale Grundelementachse erstreckenden Grundelement zum funktionalen Ersatz eines proximalen Fingergliedes des Fingers und einem Gelenkelement.
Das Gelenkelement verbindet eine der Vorderseite des Mittelabschnitts des Fingermoduls gegenüberliegende Rückseite des Mittelabschnitts mit einer zu der Grundelementachse orthogonalen Vorderseite des Grundelements gelenkig. Wenn der Mittelabschnitt und das Grundelement beispielsweise jeweils im Wesentlichen zylindrisch geformt sind, verbindet das Gelenkelement eine Stirnseite des Mittelabschnitts mit einer Stirnseite des Grundelements.
Das Gelenkelement ist zur Anstellung der Mittelelementachse des Mittelabschnitts relativ zu der Grundelementachse auf die Handflächenseite des Fingermoduls zu mit einem einstellbaren Gelenkwinkel ausgelegt. Dadurch kann das Gelenkelement die Funktion eines Fingermittelgelenks ersetzen. Das Gelenkelement umfasst beispielsweise ein Scharnier.
Die Fingerprothese umfasst vorzugsweise zumindest ein das Fingermodul mit dem Grundelement mechanisch verbindendes Rückstellelement, wobei das Rückstellelement zur elastischen Rückstellung des Gelenkwinkels auf einen Ruhe-Gelenkwinkel zumindest bei einer Vergrößerung des Gelenkwinkels gegenüber dem Ruhe-Gelenkwinkel um 0° bis 45°, bevorzugt um 0° bis 90°, besonders bevorzugt um 0° bis 135°, ausgestaltet ist.
Durch das Rückstellelement ist es möglich, den Gelenkwinkel durch einen in nur eine Richtung wirksamen Antrieb, beispielsweise über einen Seilzug einzustellen, indem das Rückstellelement dem Antrieb entgegenwirkt. Dadurch kann ein Antriebssystem für die Fingerprothese besonders einfach aufgebaut sein und/oder entfernt von der Fingerprothese, beispielsweise an einem Arm eines die Fingerprothese tragenden Menschen, angeordnet werden.
Weiterhin kann ein Seilzug einfacher als ein in beide Richtungen wirksames Mittel zur Kraftübertragung, beispielsweise ein Bowdenzug oder ein Gestänge, im Inneren der Fingerprothese angeordnet werden, um zu verhindern, dass das Mittel zur Kraftübertragung verschmutzt oder verklemmt.
Der Ruhe-Gelenkwinkel beträgt vorzugsweise von -5° bis +30°, bevorzugt von 0° bis +10°, besonders bevorzugt von 0° bis +5°. Durch einen solchen Ruhe-Gelenkwinkel nähert sich die Fingerprothese in einem Ruhezustand des Gelenkelements einem Ruhezustand eines natürlichen Fingers an.
Das zumindest einen Rückstellelement umfasst vorzugsweise ein Biegeblech. Ein Biegeblech hat die Vorteile, dass es weniger Bauraum beansprucht als eine Torsionsfeder und außerdem als Abdeckung zum Schutz des Gelenkelements dienen kann.
Das zumindest einen Rückstellelement ist vorzugsweise, zumindest wenn der Gelenkwinkel dem Ruhe-Gelenkwinkel entspricht, innerhalb des Fingermoduls und/oder des Grundelements, beispielsweise in einer Aufnahmeöffnung, angeordnet, um ein Verklemmen und oder Verschmutzen des Rückstellelements zu verhindern.
Ein Biegeblech kann beispielsweise um die Rückseite des Mittelabschnitts des Fingermoduls gebogen und tangential dazu im Inneren des Grundelements befestigt sein.
Vorzugsweise ist das Rückstellelement im Ruhezustand des Gelenkelements mit dem Ruhe-Gelenkwinkel vorgespannt, um ein Wackeln des Gelenkelements im Ruhezustand zu verhindern. Beispielsweise kann ein Federblech im Ruhezustand um 10° bis 20° aus seiner spannungsfreien Konfiguration ausgelenkt sein.
Die Fingerprothese umfasst vorzugsweise ein an einer der Vorderseite des Grundelements gegenüberliegenden Rückseite des Grundelements an dem Grundelement angebrachtes Grundgelenkelement, wobei das Grundgelenkelement zur gelenkigen Verbindung des Grundelements mit einer sich flächig entlang einer Mittelhandebene erstreckenden Mittelhand ausgelegt ist, und wobei das Grundgelenkelement zur Anstellung der Grundelementachse des Grundelements relativ zu der Mittelhandebene auf die Handflächenseite des Fingermoduls zu mit einem einstellbaren Grundgelenkwinkel ausgelegt ist.
Das Grundgelenkelement kann somit die Funktion eines Fingergrundgelenks ersetzen. Das Grundgelenkelement kann die gleichen Merkmale aufweisen wie das Gelenkelement, insbesondere ein entsprechendes Rückstellelement umfassen, woraus sich die zuvor beschriebenen Vorteile ergeben.
Die Fingerprothese umfasst vorzugsweise eine Kopplungsvorrichtung, beispielsweise ein Gestänge, wobei die Kopplungsvorrichtung das Gelenkelement mit dem Grundgelenkelement zur Kopplung des Gelenkwinkels an den Grundgelenkwinkel mechanisch verbindendet. Durch die Kopplungsvorrichtung kann der Gelenkwinkel abhängig von dem Grundgelenkwinkel automatisch eingestellt werden, ohne dass dazu ein separater Antrieb notwendig wäre.
Die Erfindung betrifft eine Handprothese mit zumindest einem erfindungsgemäßen Fingermodul und/oder zumindest einer erfindungsgemäßen Fingerprothese, woraus sich die zuvor beschriebenen Ausgestaltungsmöglichkeiten und Vorteile ergeben. Die Handprothese kann insbesondere ein, zwei, drei, vier oder fünf Fingermodule und/oder Fingerprothesen umfassen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Fingermoduls, umfassend ein additives Fertigen, bevorzugt ein selektives Laser-Sintern, des Fingermoduls aus genau einem Werkstoff.
Durch ein additives Fertigen, auch 3D-Drucken genannt, kann das Fingermodul kostengünstig in seiner Form, seiner Biegefestigkeit und seinen Abmessungen individuell an einen Patienten angepasst gefertigt werden. Weiterhin ist es mit einem additiven Verfahren einfacher als mit anderen Verfahren eine vollständig umschlossene Aussparung und Verstärkungselemente in einer Aussparung des Biegeabschnitts reproduzierbar zu erzeugen.
Figurenliste
Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung und anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft erfindungsgemäße Gegenstände dargestellt sind. Merkmale, welche in den Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei diese Merkmale nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.

1 zeigt eine schematische Aufsicht eines erfindungsgemäßen Fingermoduls.
2 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Fingermoduls.
3 zeigt eine schematische Rückansicht eines erfindungsgemäßen Fingermoduls.
4 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Fingermoduls.
5 zeigt eine schematische Seitansicht eines erfindungsgemäßen Fingermoduls.
6 zeigt einen schematischen Verlauf eines Anstellwinkels eines erfindungsgemäßen Fingermoduls abhängig von einem Biegemoment.
7 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Fingerprothese.
8 zeigt eine schematische Aufsicht einer erfindungsgemäßen Handprothese.
9 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Handprothese.

Fig.1
1 zeigt eine schematische Aufsicht eines erfindungsgemäßen Fingermoduls 100. Das Fingermodul 100 umfasst einen sich um eine zentrale Mittelabschnittsachse MAA länglich erstreckenden Mittelabschnitt 120 zum funktionalen Ersatz eines intermediären Fingergliedes eines Fingers. Das Fingermodul 100 umfasst einen sich um eine zentrale Vorderabschnittsachse VAA länglich erstreckenden Vorderabschnitt 110 zum funktionalen Ersatz eines distalen Fingergliedes des Fingers. Das Fingermodul 100 umfasst einen Biegeabschnitt 130, wobei der Biegeabschnitt 130 eine zu der Mittelabschnittsachse MAA orthogonale Vorderseite des Mittelabschnitts 120 mit einer zu der Vorderabschnittsachse VAA orthogonalen Rückseite des Vorderabschnitts 110 verbindet.
Das Fingermodul 100 ist vorzugsweise dem intermediären und distalen Fingerglied in Form und Abmessungen nachempfunden und insbesondere individuell an einen Benutzer des Fingermoduls 100 angepasst. In dieser und den weiteren Figuren angegebene Bemaßungen sind in mm angegeben und jeweils beispielhaft zu verstehen.
Die Vorderabschnittsachse VAA und die Mittelabschnittsachse MAA liegen vorzugsweise in einer Ebene und schneiden einander innerhalb des Biegeabschnitts 130.
Der der Biegeabschnitt 130 ist mit dem Mittelabschnitt 120 und dem Vorderabschnitt 110 einstückig ausgestaltet, wenn das Fingermodul 100 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Der Vorderabschnitt 110 umfasst vorzugsweise ein Nagelelement 111 zum funktionalen Ersatz eines Fingernagels des Fingers. Das Nagelelement 111 ist vorzugsweise dem Fingernagel in Form, Anordnung und Größe nachempfunden. Das Nagelelement 111 ist einstückig mit dem Vorderabschnitt 110 ausgebildet, wenn das Fingermodul 100 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
An einer der Vorderseite des Mittelabschnitts 120 gegenüberliegenden Rückseite des Mittelabschnitts 120 ist vorzugsweise ein vorderer Gelenkteil 231 eines Gelenkelements zur Verbindung des Fingermoduls 100 mit einem Grundelement einer Fingerprothese angeordnet.
Fig.2
2 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Fingermoduls 100. Das Fingermodul 100 kann insbesondere so wie das in 1 dargestellte Fingermodul 100 ausgestaltet sein.
Fig.3
3 zeigt eine schematische Rückansicht eines erfindungsgemäßen Fingermoduls 100. Das Fingermodul 100 kann insbesondere so wie das in 1 dargestellte Fingermodul 100 ausgestaltet sein.
Fig.4
4 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Fingermoduls 100, beispielsweise einen Längsschnitt entlang der von der Vorderelementachse VAA und der Mittelelementachse MAA aufgespannten Ebene A-A des in 1 dargestellten Fingermoduls 100.
Die Vorderabschnittsachse VAA ist relativ zu der Mittelabschnittsachse MAA mit einem Anstellwinkel α auf eine Handflächenseite 101 des Fingermoduls 100 zu angestellt, wobei der Anstellwinkel α in einem dargestellten, lastfreien Ruhezustand des Fingermoduls 100 beispielsweise einem Ruhewinkel α₀ von 20° bis 30° entspricht.
Der Biegeabschnitt 130 umfasst eine Aussparung 131 zur Reduzierung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts 130 gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels α. Die Aussparung 131 ist vollständig von dem Biegeabschnitt 130 umschlossen.
Eine entlang des Fingermoduls 100 gemessene Länge der Aussparung 131 vergrößert sich von einer der Handflächenseite 101 des Fingermoduls 100 gegenüberliegenden Handrückenseite 102 des Fingermoduls 100 auf die Handflächenseite 101 zu.
Das Fingermodul 100 umfasst vorzugsweise eine Anzahl von, beispielsweise vier, sich länglich entlang des Fingermoduls 100 erstreckenden Versteifungselementen 132, wobei die Versteifungselemente 132 die Aussparung 131 zur Erhöhung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts 130 gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels α entlang des Fingermoduls 100 überbrücken. Wenn das Fingermodul 100 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sind die Versteifungselemente 132 einstückig mit dem Biegeabschnitt 130 ausgestaltet. Die Versteifungselemente 132 können beispielsweise als Versteifungsrippen ausgestaltet sein.
Der vordere Gelenkteil 231 eines Gelenkelements zur Verbindung des Fingermoduls 100 mit einem Grundelement einer Fingerprothese umfasst vorzugsweise eine Aufnahmeöffnung 241 für ein Rückstellelement zur Rückstellung eines Gelenkwinkels des Gelenkelements auf einen Gelenk-Ruhewinkel.
Fig.5
5 zeigt eine schematische Seitansicht eines erfindungsgemäßen Fingermoduls 100. Das Fingermodul 100 kann insbesondere so wie das in 1 dargestellte und/oder das in 4 dargestellte Fingermodul 100 ausgestaltet sein.
Fig.6
6 zeigt einen schematischen Verlauf eines Anstellwinkels α der Vorderabschnittsachse VAA eines erfindungsgemäßen Fingermoduls 100 relativ zu der Mittelabschnittsachse MAA des Fingermoduls 100 abhängig von einem auf den Vorderabschnitt 110 des Fingermoduls 100 ausgeübten Biegemoment M.
In einem lastfreien Zustand des Fingermoduls 100 (M = 0) entspricht der Anstellwinkel α einem Ruhewinkel α₀ von beispielsweise 25°.
Mit steigendem Biegemoment M steigt der Anstellwinkel α zunächst, vorzugsweise monoton, insbesondere linear, um bei einem Grenz-Biegemoment M_G einen Minimalwinkel α_min von beispielsweise 0° bis 5° zu erreichen.. Der Minimalwinkel α_min kann beispielsweise mit einer an der Fingerspitze wirkenden Kraft von 5 N erreicht werden. Mit einer Länge von der Fingerspritze bis zum Mittelpunkt der Aussparung 131 von beispielsweise 20 mm bis 25 mm ergibt sich am Mittelpunkt der Aussparung 131 beispielsweise ein Grenz-Biegemoment M_G von 100 Nmm bis 125 Nmm.
Sobald der Minimalwinkel α_min erreicht ist, bleibt der Anstellwinkel α bei über das Grenz-Biegemoment M_G hinaus weiter steigendem Biegemoment M zumindest bis zu einem bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Fingermoduls höchstens auftretenden Maximal-Biegemoment M_max von beispielsweise 250 Nmm bis 300 Nmm vorzugsweise zumindest näherungsweise konstant.
Fig.7
7 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Fingerprothese 200. Die Fingerprothese 200 umfasst ein Fingermodul 100, das beispielsweise so wie das in 1 gezeigte und /oder das in 4 gezeigte Fingermodul 100 ausgestaltet sein kann.
Die Fingerprothese umfasst ein sich um eine zentrale Grundelementachse GEA erstreckendes Grundelement 220 zum funktionalen Ersatz eines proximalen Fingergliedes des Fingers und ein Gelenkelement 230, wobei das Gelenkelement 230 eine der Vorderseite des Mittelabschnitts 120 des Fingermoduls 100 gegenüberliegende Rückseite des Mittelabschnitts 120 mit einer zu der Grundelementachse GEA orthogonalen Vorderseite des Grundelements 220 gelenkig verbindet.
Das Gelenkelement 230, das beispielsweise ein Scharnier umfasst, ist zur Anstellung der Mittelelementachse MAA des Mittelabschnitts 120 relativ zu der Grundelementachse GEA auf die Handflächenseite 101 des Fingermoduls 100 zu mit einem einstellbaren Gelenkwinkel β ausgelegt.
Die Fingerprothese 200 umfasst vorzugsweise ein an einer der Vorderseite des Grundelements 220 gegenüberliegenden Rückseite des Grundelements 220 an dem Grundelement 220 angebrachtes Grundgelenkelement 250, wobei das Grundgelenkelement 250 zur gelenkigen Verbindung des Grundelements 220 mit einer sich flächig entlang einer Mittelhandebene erstreckenden Mittelhand, insbesondere mit einem Mittelhandelement 310 einer Handprothese.
Das Grundgelenkelement 250, das vorzugsweise ein Scharnier umfasst, ist zur Anstellung der Grundelementachse GEA des Grundelements 220 relativ zu der Mittelhandebene auf die Handflächenseite 101 des Fingermoduls 100 zu mit einem einstellbaren Grundgelenkwinkel ausgelegt.
Die Fingerprothese 200 umfasst vorzugsweise ein das Fingermodul 100 mit dem Grundelement 220 mechanisch verbindendes Rückstellelement (nicht dargestellt), wobei das Rückstellelement zur elastischen Rückstellung des Gelenkwinkels β auf einen Ruhe-Gelenkwinkel β₀ ausgestaltet ist, wobei der Ruhe-Gelenkwinkel beispielsweise von 0° bis 5° beträgt.
Zumindest wenn der Gelenkwinkel β dem Ruhe-Gelenkwinkel entspricht, ist das, beispielsweise als Biegeblech ausgestaltete, Rückstellelement vorzugsweise innerhalb des Fingermoduls 100 und des Grundelements 220, beispielsweise in einer Aufnahmeöffnung 241, angeordnet.
Die Fingerprothese 200 umfasst vorzugsweise ein Rückstellelement 240 zur mechanischen Verbindung des Grundelements 220 mit dem Mittelhandelement 310, wobei das Rückstellelement 240 zur elastischen Rückstellung des Grundgelenkwinkels auf einen Ruhe-Grundgelenkwinkel ausgestaltet ist, wobei der Ruhe-Grundgelenkwinkel beispielsweise von 0° bis 5° beträgt.
Zumindest wenn der Grundgelenkwinkel dem Ruhe-Grundgelenkwinkel entspricht, ist das, beispielsweise als Biegeblech ausgestaltete, Rückstellelement 240 vorzugsweise innerhalb des Mittelhandelements 310 und des Grundelements 220 angeordnet.
Die Fingerprothese 200 umfasst vorzugsweise eine Kopplungsvorrichtung 260, beispielsweise ein Gestänge, wobei die Kopplungsvorrichtung 260 das Gelenkelement 230 mit dem Grundgelenkelement 250 zur Kopplung des Gelenkwinkels β an den Grundgelenkwinkel mechanisch verbindet.
Die Kopplungsvorrichtung 260 ist an dem Mittelabschnitt 120 des Fingermoduls 100 radial und axial gelagert. An dem Grundelement 220 ist die Kopplungsvorrichtung 260 nur axial gelagert. Radial ist die Kopplungsvorrichtung nicht an dem Grundelement 220, sondern an dem Mittelhandelement 310 befestigt. So wird die genannte Bewegungskopplung ermöglicht.
Fig.8
8 zeigt eine schematische Aufsicht einer erfindungsgemäßen Handprothese 300. Die Handprothese 300 umfasst eine Anzahl von, beispielsweise vier, Fingerprothesen 200, die beispielsweise so wie die in 8 dargestellte Fingerprothese 200 ausgestaltet sein können. Die Fingerprothesen 200 sind jeweils über ein Grundgelenkelement 250 gelenkig mit einem Mittelhandelement 310 zum Teil-Ersatz einer Mittelhand verbunden.
Fig.9
9 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Handprothese 300. Die Handprothese 300 kann beispielsweise so wie die in 8 dargestellte Handprothese ausgestaltet sein.
Bezugszeichenliste

100: Fingermodul
101: Handflächenseite
102: Handrückenseite
110: Vorderabschnitt
111: Nagelelement
120: Mittelabschnitt
130: Biegeabschnitt
131: Aussparung
132: Versteifungselement
200: Fingerprothese
220: Grundelement
230: Gelenkelement
231: vorderer Gelenkteil
240: Rückstellelement
250: Grundgelenkelement
260: Kopplungsvorrichtung
300: Handprothese
310: Mittelhandelement
α: Anstellwinkel
α0: Ruhewinkel
αmin: Minimalwinkel
β: Gelenkwinkel
GEA: Grundelementachse
M: Biegemoment
MAA: Mittelabschnittsachse
MG: Grenz-Biegemoment
Mmax: Maximal-Biegemoment
VAA: Vorderabschnittsachse

Claims

Fingermodul (100) für eine Fingerprothese (200) mit a) einem sich um eine zentrale Mittelabschnittsachse (MAA) länglich erstreckenden Mittelabschnitt (120) zum funktionalen Ersatz eines intermediären Fingergliedes eines Fingers, b) einem sich um eine zentrale Vorderabschnittsachse (VAA) länglich erstreckenden Vorderabschnitt (110) zum funktionalen Ersatz eines distalen Fingergliedes des Fingers und c) einem Biegeabschnitt (130), d) wobei der Biegeabschnitt (130) eine zu der Mittelabschnittsachse (MAA) orthogonale Vorderseite des Mittelabschnitts (120) mit einer zu der Vorderabschnittsachse (VAA) orthogonalen Rückseite des Vorderabschnitts (110) verbindet, e) wobei die Vorderabschnittsachse (VAA) relativ zu der Mittelabschnittsachse (MAA) mit einem Anstellwinkel (α) auf eine Handflächenseite (101) des Fingermoduls (100) zu angestellt ist, f) wobei der Anstellwinkel (α) in einem lastfreien Ruhezustand des Fingermoduls (100) einem Ruhewinkel (α₀) von 0° bis 60° entspricht, g) wobei der Biegeabschnitt (130) zur elastischen Rückstellung des Anstellwinkels (α) auf den Ruhewinkel (α₀) zumindest bei einer Verringerung des Anstellwinkels (α) gegenüber dem Ruhewinkel (α₀) um 0° bis 10°ausgestaltet ist, und h) wobei der Biegeabschnitt (130) eine vollständig von dem Biegeabschnitt (130) umschlossene Aussparung (131) zur Reduzierung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts (130) gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels (α) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass i) sich eine entlang des Fingermoduls (100) gemessene Länge der Aussparung (131) von einer der Handflächenseite (101) des Fingermoduls (100) gegenüberliegenden Handrückenseite (102) des Fingermoduls (100) auf die Handflächenseite (101) zu vergrößert.
Fingermodul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Biegeabschnitt (130) zur Begrenzung des Anstellwinkels (α) an einem Minimalwinkel (a_min) ausgelegt ist, b) wobei der Minimalwinkel (a_min) von -10° bis +15°, bevorzugt von -5° bis +10°, besonders bevorzugt von 0° bis +5°, beträgt.
Fingermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeabschnitt (130) mit dem Mittelabschnitt (120) und dem Vorderabschnitt (110) einstückig ausgestaltet ist.
Fingermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch a) eine Anzahl von sich länglich entlang des Fingermoduls (100) erstreckenden Versteifungselementen (132), b) wobei die Versteifungselemente (132) die Aussparung (131) zur Erhöhung einer Biegesteifigkeit des Biegeabschnitts (130) gegenüber einer Änderung des Anstellwinkels (α) entlang des Fingermoduls (100) überbrücken und einstückig mit dem Biegeabschnitt (130) ausgestaltet sind, c) wobei die Versteifungselemente (132) dazu ausgelegt sind, bei einer Verringerung des Anstellwinkels (α) gegenüber dem Ruhewinkel (α₀) bis zu einem Minimalwinkel (a_min) ohne Änderung einer entlang des Fingermoduls (100) gemessenen Länge der Versteifungselemente (132) verformt zu werden und d) bei einer Verringerung des Anstellwinkels (α) gegenüber dem Ruhewinkel (α₀) über den Minimalwinkel (α_min) hinaus mit einer Änderung der Länge der Versteifungselemente (132) verformt zu werden, e) wobei der Minimalwinkel (α_min) von -10° bis +15°, bevorzugt von -5° bis +10°, besonders bevorzugt von 0° bis +5°, beträgt.
Fingermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeabschnitt (130) aus einem Elastomer besteht, wobei das Elastomer a) ein thermoplastisches Elastomer, bevorzugt ein thermoplastisches Polyurethan-Elastomer (TPU), ein thermoplastisches Copolyester-Elastomer (TPC) oder ein thermoplastisches Polyamid-Elastomer (TPA) ist und/oder b) eine Bruchdehnung von zumindest 60 %, bevorzugt zumindest 80 %, besonders bevorzugt zumindest 100 % aufweist.
Fingermodul (100) nach Anspruch 5, wenn dieser auf Anspruch 4 rückbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (120), der Vorderabschnitt (110) und die Versteifungselemente (132), aus dem Elastomer des Biegeabschnitts (130) bestehen.
Fingerprothese (200) zum funktionalen Ersatz eines Fingers mit a) einem Fingermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, b) einem sich um eine zentrale Grundelementachse (GEA) erstreckenden Grundelement (220) zum funktionalen Ersatz eines proximalen Fingergliedes des Fingers und c) einem Gelenkelement (230), d) wobei das Gelenkelement (230) eine der Vorderseite des Mittelabschnitts (120) des Fingermoduls (100) gegenüberliegende Rückseite des Mittelabschnitts (120) mit einer zu der Grundelementachse (GEA) orthogonalen Vorderseite des Grundelements (220) gelenkig verbindet, e) wobei das Gelenkelement (230) zur Anstellung der Mittelelementachse (MAA) des Mittelabschnitts (120) relativ zu der Grundelementachse (GEA) auf die Handflächenseite (101) des Fingermoduls (100) zu mit einem einstellbaren Gelenkwinkel (β) ausgelegt ist.
Handprothese (300) mit zumindest einem Fingermodul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder zumindest einer Fingerprothese (200) nach Anspruch 7.
Verfahren zur Herstellung eines Fingermoduls (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: additives Fertigen, bevorzugt ein Laser-Sintern, des Fingermoduls (100) aus genau einem Werkstoff.