Die Erfindung betrifft ein orthopädisches Hilfsmittel. Die Erfindung betrifft zudem ein orthopädisches Hilfsmittel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Stellung eines derartigen orthopädischen Hilfsmittels.

Orthopädische Hilfsmittel sind beispielsweise Orthesen oder Prothesen, insbeson- dere Exo-Prothesen. Derartige orthopädische Hilfsmittel besitzen häufig Aktoren, mit- tels derer die Eigenschaften des orthopädischen Hilfsmittels in Abhängigkeit von ei- ner Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement beeinflusst wer- den. Es ist daher notwendig, die Stellung des orthopädischen Hilfemittels, also die Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement, mit möglichst hoher Genauigkeit zu kennen.

Orthopädische Hilfsmittel verfügen aus Gewichtsgründen in der Regel nicht über große Energiespeicher, sodass die Bestimmung der Stellung des orthopädischen Hilfsmittels zudem mit möglichst geringem Energieaufwand erfolgen sollte.

Aus der US 2014/0025182 A1 ist eine Prothese bekannt, die einen Motor aufweist. Die Position des Motors wird mittels eines Hall-Sensors bestimmt, der ein Signal empfängt, wenn ein Magnetelement an ihm vorbeistreicht. Das Magnetelement ist auf dem Rotor des Motors positioniert. Nachteilig an einem derartigen orthopädi- schen Hilfsmittel ist, dass eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung des Bewe- gungselements relativ zum Bezugselement nur vergleichsweise ungenau bestimmt werden können.

Aus der US 2013/0245785 A1 ist eine Prothese bekannt, die eine Vakuumpumpe aufweist. Die Vakuumpumpe kann mit einem Schalter bedient werden, der einen Hall-Sensor aufweist. Wird an diesem Hall-Sensor ein magnetisches Element vorbei- geführt, so schaltet der Schalter. Ein derartiges System ist lediglich zu der binären Aussage in der Lage, ob der Schalter geschaltet ist oder nicht. Aus der US 2016/0302946 A1 ist eine Prothese bekannt, die einen Lastsensor auf- weist. Dieser Lastsensor umfasst einen Hall-Sensor und einen Magneten, der sich dann relativ zu dem Hall-Sensor bewegt, wenn eine Last an der Prothese anliegt. Mit einem derartigen System ist es zwar möglich, die Position der beiden Komponenten der Prothese relativ zueinander vergleichsweise gut zu bestimmen, dynamische Größen wie beispielsweise die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung können jedoch nicht mit hinreichend hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Aus der US 2018/0116826 A1 ist eine Prothese bekannt, bei der ebenfalls ein Hall- Sensor eingesetzt wird, mittels dem eine Position eines Rotors eines Motors relativ zum Stator bestimmt werden kann. Auch mit einem solchen System sind zwar mög- licherweise hinreichend genau Positionsdaten ermittelbar, nicht aber hinreichend ge- naue Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsdaten.

Aus der EP 2 696 814 B1 ist eine Prothesenvorrichtung bekannt, die eine Vielzahl an Antrieben aufweist. Es wird gelehrt, dass binäre und nicht-binäre Sensoren verwen- det werden können, beispielsweise Beschleunigungsmesser oder Gyroskope. Derar- tige Sensoren sind für das Ermitteln der Relativposition und der Relativgeschwindig- keit zwischen Bewegungselement und Bezugselement nur wenig geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein orthopädisches Hilfsmittel vorzuschla- gen, dessen Stellung genau bestimmbar ist.

Die Erfindung löst das Problem durch ein orthopädisches Hilfsmittels mit (a) einem Bezugselement, (b) einem Bewegungselement, das am Bezugselement bewegbar befestigt ist und (c) einem Positionssensor zum Bestimmen einer Position des Be- wegungselements relativ zum Bezugselement, der zumindest einen Permanentmag- neten und zumindest drei Hall-Sensoren aufweist, wobei (d) die Hall-Sensoren am Bezugselement, und zum Bewegen entlang einer Trajektorie beim Bewegen des Bewegungselements relativ zum Bezugselement, angeordnet sind, wobei (e) der zumindest eine Permanentmagnet am Bewegungselement befestigt ist und wobei (f) die Hall-Sensoren so angeordnet sind, dass bei einer Bewegung des Bewegungs- elementes relativ zum Bezugselement und einer daraus resultierenden Bewegung der Hall-Sensoren entlang der Trajektorie für zumindest einen Hall-Sensor eine linea- re Änderung seiner Hall-Spannung bewirkt wird.

Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren zum Bestimmen der Stellung eines orthopädischen Hilfsmittels mit den oben genannten Eigenschaften, mit den Schritten (i) Erfassen einer ersten Hall-Spannung eines ersten Hall-Sensors und ei- ner zweiten Hall-Spannung eines zum ersten Hall-Sensors benachbarten zweiten Hall-Sensors und (ii) Bestimmen der Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement aus einer Hallspannungs-Differenz aus erster Hall-Spannung und zweiter Hall-Spannung sowie aus der zweiten Hall-Spannung. Insbesondere wird die Position des Bewegungselements aus der Hallspannungs-Differenz und einem Ab- stand zweier benachbarter Hall-Sensoren sowie einer dieser Hall-Spannungen be- rechnet. Das Bestimmen ist insbesondere ein Berechnen.

Die Erfindung löst das Problem gemäß einem zweiten Aspekt zudem durch ein ortho- pädisches Hilfsmittel mit (a) einem Bezugselement, (b) einem Bewegungselement, das am Bezugselement bewegbar befestigt ist, (c) einem Positionssensor zum Be- stimmen einer Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement, wobei der Positionssensor zumindest einen Permanentmagneten und zumindest drei Hall- Sensoren aufweist, und wobei (d) die Hall-Sensoren am Bezugselement angeordnet sind und das Bewegungselement zum Bewegen entlang einer Trajektorie relativ zum Bezugselement angeordnet ist wobei (e) der zumindest eine Permanentmagnet ei- nen ersten Magnetschenkel, der sich in eine Magnetschenkel-Richtung erstreckt und einen zweiten Magnetschenkel, der vom ersten Magnetschenkel beabstandet ist und sich entlang der Magnetschenkel-Richtung erstreckt, wobei (f) der erste Magnet- schenkel ein erstes freies Ende hat, das eine erste magnetische Polarität hat, wobei (g) der zweite Magnetschenkel ein zweites freies Ende hat, das eine zweite Polarität hat, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist, und wobei (h) die freien Enden ent- lang der Trajektorie angeordnet sind und/oder bewegbar angeordnet sind.

Vorteilhaft an einem derartigen orthopädischen Hilfsmittel ist, dass seine Stellung, das heißt die Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement, sowohl mit hoher Genauigkeit als auch mit vergleichsweise geringem Energieaufwand ermit- telt werden kann. Aufgrund der hohen Messgenauigkeit ist es zudem möglich, durch automatisches Ableiten die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sich das Bewe- gungselement relativ zum Bezugselement bewegt. Beim Ableiten vergrößert sich die Messunsicherheit deutlich, weshalb es notwendig ist, die Stellung des orthopädi- schen Hilfsmittels möglichst genau zu bestimmen. Das ist mit dem erfindungs- gemäßen System möglich.

Vorteilhaft ist es zudem, dass die Bestimmung der Stellung robust möglich ist. Hall- Sensoren besitzen keine beweglichen Teile, sodass ein mechanischer Verschleiß klein ist. Es handelt sich bei Hall-Sensoren zudem um Standard-Bauteile, die mit ei- ner hohen Genauigkeit in großen Mengen hergestellt werden. Das orthopädische Hilfsmittel kann daher verhältnismäßig günstig hergestellt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem orthopädischen Hilfs- mittel insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die dazu ausgebildet ist, mit einem menschlichem oder tierischem Körper verbunden zu werden, um die Funktion eines erkrankten oder nicht vorhandenen Gelenks oder der das Gelenk umgebenden Mus- kulatur zu ersetzen oder zu unterstützen.

Unter dem orthopädischen Hilfsmittel wird insbesondere eine Orthese oder eine Pro- these, insbesondere eine Exo-Prothese, verstanden. Beispielsweise ist das orthopä- dische Hilfsmittel eine Knie-Exoprothese.

Unter dem Bezugselement wird insbesondere ein Bauteil des Hilfsmittels verstanden, zu dem das Bewegungselement eine Relativbewegung ausführt. Es sei drauf hinge- wiesen, dass es sich um eine relative Bewegung von Bewegungselement zu Bezugs- element handelt. Aus diesem Grund könnte das Bewegungselement auch als Be- zugselement und das Bezugselement auch als Bewegungselement aufgefasst wer- den. Die Benennung soll lediglich die Erläuterung der Erfindung erleichtern. Da es lediglich auf die Relativbewegungen zwischen dem Bezugselement und dem Bewe- gungselement ankommt, wird dasjenige Element, an dem die Hall-Sensoren befestigt sind, als Bezugselement betrachtet. Statt des Begriffs Bezugselement könnte auch der Begriff erstes Element verwendet werden und statt des Begriffs Bewegungsele- ment könnte auch der Begriff zweites Element verwendet werden. Unter dem Merkmal, dass das Bewegungselement bewegbar am Bezugselement befestigt ist, wird insbesondere verstanden, dass beide aneinander definiert geführt befestigt sind.

Unter dem Positionssensor wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, mittels der die Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement automatisch feststellbar ist. Vorzugsweise gibt der Positionssensor ein elektrisches Signal ab, das die Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement kodiert. Es ist da- bei möglich, nicht aber notwendig, dass dieses elektrische Signal die Position in ab- soluten Einheiten, insbesondere SI-Einheiten, angibt. Insbesondere ist es auch mög- lich, dass die Position in einem für das das orthopädische Hilfsmittel spezifischen Koordinatensystem und/oder Einheitensystem angegeben ist.

Unter dem Merkmal, dass die Hall-Sensoren am Bewegungselement zum Bewegen entlang einer Trajektorie zum Bewegen des Bewegungselement relativ zum Bezugs- element angeordnet sind, wird insbesondere verstanden, dass eine Bewegung des Bewegungselements zum ruhend gedachten Bezugselement dazu führt, dass sich die Hall-Sensoren entlang einer Kurve, nämlich der Trajektorie, bewegen. Insbeson- dere bewegen sich alle Hall-Sensoren entlang der gleichen Trajektorie. Bei der Trajektorie kann es sich beispielsweise um einen Kreis oder eine Gerade handeln, das ist aber nicht notwendig. Insbesondere kann die Trajektorie beispielsweise auch eine Ellipse sein oder eine andere Gestalt haben.

Unter dem Merkmal, dass die Hall-Sensoren so angeordnet sind, dass eine Bewe- gung der Hall-Sensoren entlang der Trajektorie für zumindest einen Hall-Sensor eine lineare Änderung seiner Hall-Spannung bewirkt, wird insbesondere verstanden, dass stets ein Hall-Sensor existiert, für den diese Forderung gilt. Insbesondere gilt diese Forderung in der Regel nicht für alle Hall-Sensoren gleichzeitig, sondern lediglich für jeweils zwei Hall-Sensoren unabhängig von der Stellung des Bewegungselements relativ zum Bezugselement. Unter einer linearen Änderung der Hall-Spannung wird eine lineare Änderung im technischen Sinne verstanden. In anderen Worten ist es möglich, dass die Hall-Spannung nicht im mathematischen Sinne linear von der Än- derung der Position des Hall-Sensors abhängt, solange diese Abweichung hinrei chend klein ist. Selbstverständlich kann in der Regel jede Kurve in erster Näherung als linear be- trachtet werden, das ist aber mit dem vorliegenden Merkmal nicht gemeint. Vielmehr sind die Hall-Sensoren so angeordnet, dass ein Messfehler, der durch die Annahme der Linearität der Änderung der Hall-Spannung in Abhängigkeit von einer Positions- änderung kleiner als ein vorgegebener Wert ist, der bevorzugt kleiner als 2 % ist.

Besonders günstig ist es, wenn die Hall-Sensoren temperaturkompensiert sind.

Unter dem Merkmal, dass der erste Magnetschenkel sich in die Magnetschenkel- Richtung erstreckt, wird insbesondere verstanden, dass der erste Magnetschenkel benachbart zu seinem freien Ende sich in diese Richtung erstreckt. Wenn der Ma- gnetschenkel prismatisch ist, insbesondere quaderförmig, so entspricht die Magnet- schenkel-Richtung der Extrusionsrichtung des Prismas.

Unter dem Merkmal, dass die freien Enden, angebracht am Bewegungselement, sich entlang der Trajektorie angeordnet sind oder bewegen, wird insbesondere verstan- den, dass die beiden Enden den gleichen Abstand von der Trajektorie haben. Unter dem Abstand wird - wie allgemein üblich - die Länge der kürzesten Strecke verstan- den, die zwei Objekte miteinander verbindet. Unter dem gleichen Abstand wird der im technischen Sinne gleiche Abstand verstanden. Es ist daher möglich, nicht aber notwendig, dass der Abstand im mathematischen Sinne gleich ist, es sind aber auch relative Abweichungen von beispielsweise maximal 10% möglich

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Permanentmagnet (a) ein Magnetformflussteil, das ein Weichmagnet-Element, das aus einem weichmagne- tischen Werkstoff besteht, (b) einen ersten Teil-Permanentmagneten, der den ersten Magnetschenkel bildet und mit seinem dem ersten freien Ende gegenüberliegenden ersten Kontakt-Ende am Weichmagnet-Element anliegt, (c) einen zweiten Teil- Permanentmagneten, der den zweiten Magnetschenkel bildet und mit seinem dem zweiten freien Ende gegenüberliegenden zweiten Kontaktende am Weichmagnet- Element anliegt und (d) einen dritten Teil-Permanentmagneten, der zwischen dem ersten Teil-Permanentmagneten und dem zweiten Teil-Permanentmagneten ange- ordnet ist, quer zum ersten Magnetschenkel und zum zweiten Magnetschenkel ver- läuft und eine magnetische Drittpermanentmagnet-Orientierung hat, die quer zu einer Erstpermanentmagnet-Orientierung des ersten Teil-Permanentmagneten verläuft und quer zu einer Zweitpermanentmagnet-Orientierung des zweiten Teil-Perma- nentmagneten verläuft.

Es hat sich herausgestellt, dass ein so aufgebauter Permanentmagnet ein besonders homogenes Feld am Ort der Hall-Sensoren erzeugt.

Vorzugsweise weist das Magnetflussformteil ein Nichtferromagnetteil auf, das im Magnetflusslinienverlauf zwischen dem ersten Teil-Permanentmagneten und dritten Teil-Permanentmagneten angeordnet ist und/oder das im Magnetflusslinienverlauf zwischen dem zweiten Teil-Permanentmagneten und dem dritten Teil-Permanentma- gneten angeordnet ist. Unter dem Merkmal, dass das Nichtferromagnetteil im Mag- netflusslinienverlauf zwischen dem ersten und dem dritten Teil-Permanentmagneten angeordnet ist, wird insbesondere verstanden, dass die Magnetflusslinien vom ersten Teil-Permanentmagneten durch das Nichtferromagnetteil zum dritten Teil-Perma- nentmagneten verlaufen. Das Nichtferromagnetteil besteht aus, insbesondere dia- magnetischem oder paramagnetischem, Material, das nicht ferromagnetisch ist, bei spielsweise einem Metall, insbesondere aus Kupfer oder aus Kunststoff. Die Dicke des Nichtferromagnetteils ist so gewählt, dass die Hall-Sensoren über einen mög- lichst weiten Bereich der Bewegung entlang der Trajektorie für zumindest einen Hall- Sensor eine annähernd lineare Änderung der Hall-Spannung zeigen. Die ideale Di- cke wird in Vorversuchen ermittelt.

Vorzugsweise hat der Permanentmagnet eine Permanentmagnet-Länge entlang der Trajektorie, die zumindest doppelt, insbesondere dreifach so groß ist wie ein Hall- Sensoren-Abstand zweier benachbarter Hall-Sensoren. Auf diese Weise ergibt sich am Ort des Hall-Sensors ein hinreichend homogenes Magnetfeld, sodass eine hohe Messgenauigkeit erreichbar ist.

Unter dem Abstand zweier Hall-Sensoren wird insbesondere diejenige Strecke ver- standen, um die die Hall-Sensoren bewegt werden müssen, bis der benachbarte Hall-Sensor an der gleichen Stelle angeordnet ist wie der vorherige Hall-Sensor. Vorzugsweise beträgt ein Abstand der Trajektohe vom Permanentmagneten höchs- tens die Hälfte der Permanentmagnet-Länge. Das führt zu einem hinreichend homo- genen Magnetfeld bei den Hall-Sensoren. Günstig ist es zudem, wenn der Abstand zumindest ein Zehntel der Permanentmagnet-Länge beträgt.

Vorzugsweise besitzt das orthopädischen Hilfsmittel eine elektrische Auswerte- einheit, die ausgebildet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassen einer ersten Hall-Spannung eines ersten Hall-Sensors und ei- ner zweiten Hall-Spannung eines zum ersten Hall-Sensors benachbarten zweiten Hall-Sensors und (ii) Bestimmen einer Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement aus einer Hallspannungs-Differenz aus erster Hall-Spannung und zweiter Hall-Spannung.

Aus den Hall-Spannungen, die an den Hall-Sensoren anliegen, könnte bereits die Position der Hall-Sensoren relativ zum Permanentmagneten und damit die Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement bestimmt werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die zusätzliche Betrachtung der Hallspannungs-Differenz die Bestimmung der Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement mit einer höheren Genauigkeit gestattet.

Vorzugsweise ist die elektrische Auswerteeinheit ausgebildet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassung der Hall-Spannung von zumindest drei Hall-Sensoren, (ii) Erfassen derjenigen Hall-Sensoren, bei denen die Hall-Spannungen die betragsmäßig kleinsten Werte annehmen und (iii) Bestimmen der Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement aus den Positio- nen dieser Hall-Sensoren und einer Hallspannungs-Differenz dieser Hall- Spannungen. Bei korrekt positionierten Hall-Sensoren verschwindet die Hall- Spannung, wenn das anliegende Magnetfeld keine Normalkomponente auf die Sen- sorebene hat. Das ist vorzugsweise dann der Fall, wenn sich der Hall-Sensor genau zwischen den beiden Magnetschenkeln befindet. Eine Auslenkung aus dieser Positi on führt zu einer in guter Näherung linearen Änderung der Hall-Spannung. Unter ei- ner in guter Näherung linearen Änderung wird verstanden, dass die Abweichung zum linearen Verhalten höchstens 2% beträgt. Zur Berechnung der Hallspannungs-Differenz zum benachbarten Hall-Sensor wird vorzugsweise diejenige Hall-Spannung verwendet, die betragsmäßig am kleinsten ist. Diese Spannung gehört zu demjenigen Hall-Sensor, dessen Abstand zu der oben genannten Position zwischen den beiden Magnetschenkeln kleiner ist als des ande- ren benachbarten Hall-Sensors. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets die beiden Hall-Sensoren zur Bestimmung der Stellung des orthopädischen Hilfsmittels verwendet werden, die den kleinsten Abstand von der Position zwischen den beiden Magnetschenkeln haben. So wird eine besonders hohe Genauigkeit bei der Positi- onsmessung erreicht.

Günstig ist es, wenn das Bezugselement ein Zylinder ist und das Bewegungselement ein Kolben ist, der im Zylinder läuft, wobei der Positionssensor ein Kolben- Positionssensor zum Messen einer Position des Kolbens im Zylinder ist und wobei der Permanentmagnet am Kolben angeordnet ist und der Kolben-Positionssensor am Zylinder angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Position des Kolbens im Zylinder mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

Alternativ oder zusätzlich ist das Bezugselement ein erster Schenkel, das Bewe- gungselement ein zweiter Schenkel, wobei er erste Schenkel und der zweite Schen- kel mittels eines Gelenks, insbesondere eines Drehgelenks, miteinander verbunden sind und der Positionssensor ein Schenkel-Winkelsensor zur Messung einer Winkel- stellung des ersten Schenkels relativ zum zweiten Schenkel ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit ausgebildet zum Abschalten von solchen Hall-Sensoren, deren Messergebnisse nicht an der Berech- nung der Position des Bewegungselements beteiligt sind. Auf diese Weise wird der Energieverbrauch klein gehalten.

Erfindungsgemäß ist zudem ein Verfahren zum Bestimmen einer Stellung eines or- thopädischen Hilfsmittels mit einem Bezugselement, (b) einem Bewegungselement, (c) einem Positionssensor zum Bestimmen einer Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement, der zumindest einen Permanentmagneten und zumin- dest drei Hall-Sensoren aufweist, (d) wobei die Hall-Sensoren am Bezugselement angeordnet sind und das Bewegungselement zum Bewegen entlang einer Trajektorie relativ zum Bezugselement angeordnet ist, mit den Schritten: (i) Erfassen einer ers- ten Hall-Spannung eines ersten Hall-Sensors und einer zweiten Hall-Spannung eines zum ersten Hall-Sensors benachbarten zweiten Hall-Sensors und (ii) Bestimmen der Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement aus einer Hallspan- nungs-Differenz aus erster Hall-Spannung und zweiter Hall-Spannung und der zwei- ten Hall-Spannung.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte: (i) Erfassen der Hall-Spannungen von zumindest drei Hall-Sensoren, (ii) Erfassen derjenigen, insbesondere zwei, Hall- Sensoren, bei denen die Hall-Spannungen die betragsmäßig kleinsten Werte an- nehmen, und (iii) Bestimmen der Position des Permanentmagneten aus den Posi- tionen dieser Hall-Sensoren und einer Hallspannungs-Differenz dieser Hall-Span- nungen. Sind zwei Hall-Spannungen gleich, wir einer der beiden Hall-Sensoren aus- gewählt, beispielsweise der mit einer kleineren Kennzahl, wobei in diesem Fall alle Hall-Sensoren eine Kennzahl haben und nach Größe der Kennzahl sortiert angeord- net sind.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte: (i) für jeden Hall-Sensor Erfassen einer Offset-Spannung der Hall-Spannung, die verursacht ist vom Vorhandensein eines Winkels zwischen einer Ist-Lage des Hall-Sensors und einer Soll-Lage und (ii) Korrigieren der Hall-Spannung um die Offset-Spannung. Die Soll-Lage ist insbe- sondere diejenige, bei der keine Hall-Spannung am Hall-Sensor anliegt, wenn sich der Hall-Sensor genau zwischen den beiden Magnetschenkeln befindet. Ist der Hall- Sensor zu dieser Soll-Lage verkippt montiert, so ergibt sich auch in dieser Position eine Normalkomponente des Magnetfelds. Diese Normalkomponente ist die gleiche, die bei einer Bewegung entlang der Trajektorie entstehen würde. Es ist daher vorteil haft, diese Offset-Spannung von der gemessenen Hall-Spannung abzuziehen. Zum Durchführen dieser Korrektur besitzt die elektrische Auswerteeinheit vorzugsweise einen digitalen Speicher, in dem für jeden Hall-Sensor die Offset gespeichert ist und die Auswerteeinheit ist ausgebildet zum automatischen Abziehen der Offset- Spannung von der gemessenen Hall-Spannung.

Diese Offset-Spannung wird beispielsweise dadurch gemessen, dass die Spannung gemessen wird, wenn am Hall-Sensor kein Magnetfeld anliegt. Die beim späteren Einsatz gemessenen Hall-Spannungen IIM,N werden bei der Auswertung um den Wert der Offset-Spannung korrigiert. U‘Haii,N entspricht dem so korrigierten Wert der Hall-Spannung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte (i) für jeden Hall-Sensor Erfassen einer Sensitivität, die die Abhängigkeit der Hall- Spannung vom Magnetfeld beschreibt, und (ii) Korrigieren der Position um den Ein- fluss der Sensitivität. Die Sensitivität wird gemessen durch Anlegen eines bekannten Magnetfelds an den Hall-Sensor und Messen der entstehenden Hall-Spannung. Die so ermittelten Sensitivitäten werden für alle Hall-Sensoren digital in der Auswerteein- heit gespeichert.

Beispielsweise werden die Hall-Sensoren in einer Prüfmaschine kalibriert. Dabei wird ein Digitalinkrementalgeber an einen Motor angeflanscht. Der Motor bewegt einen Referenzmagneten über die Hall-Sensoren im Kreis. Der Inkrementalgeber liefert jeweils den genauen Momentanwinkel, die Sensoren liefern die Hall-Spannungen.

Dabei werden die Kurven für alle Hallsensoren 42. i aufgezeichnet. Die Sensitivität ist die Steigung der Kurve, die die Hall-Spannung gegen das Magnetfeld aufträgt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläu- tert. Dabei zeigt

Figur 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen orthopädischen Hilfsmittels in Form einer Knie-Exoprothese,

Figur 2a einen Ausschnitt aus dem orthopädischen Hilfsmittel gemäß Figur 1 , in dem das Bezugselement, das Bewegungselement und der Positionssen- sor zu sehen sind,

Figur 2b das orthopädischen Hilfsmittel gemäß Figur 2a, bei dem das Bewegungs- element teilweise entfernt ist,

Figur 3a eine schematische Seitenansicht eines Permanentmagneten des orthopä- dischen Hilfsmittels gemäß der Figuren 1 und 2,

Figur 3b eine perspektivische Ansicht des Permanentmagneten gemäß Figur 3a,

Figur 3c den Magnetlinienverlauf des Permanentmagneten gemäß der Figuren 3a und 3b,

Figur 4a eine Ansicht des Magnetlinienverlaufs des Permanentmagneten im Ver- hältnis zu einem Flall-Sensor,

Figur 4b die Abhängigkeit der Flall-Spannung von einer Position eines Flall-Sensors relativ zum Permanentmagneten,

Figur 5a die Flallspannungsverläufe von drei Flall-Sensoren zur Erläuterung der

Positionsbestimmung der Flall-Sensoren relativ zum Permanentmagneten,

Figur 5b den Verlauf der Flall-Spannungen für mehrere Flall-Sensoren in Abhängig- keit von der Position des Bewegungselements relativ zum Bezugselement zum Erläutern der Positionsberechnung und

Figur 6 einen Zylinder eines erfindungsgemäßen orthopädischen Hilfsmittels, bei dem der Positionssensor zum Bestimmen der Position des Zylinders im Kolben ausgebildet ist. Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes orthopädisches Hilfsmittel 10 in Form einer Knie-Exoprothese, die einen Schaft 12 zur Aufnahme eines menschlichen Ober- schenkelstumpfs 14 und einen künstlichen Unterschenkel 16 aufweist. Der Unter- schenkel 16 ist mit einem künstlichen Fuß 18 verbunden. Es ist möglich und bevor- zugt, dass das orthopädische Hilfsmittel eine Kosmetik 20 besitzt, die der Knie-Exo- prothese eine natürliche Anmutung verleiht.

Das Hilfsmittel 10 besitzt ein Drehgelenk 22, um das der Unterschenkel 16 relativ zum Schaft 12 um einen Schwenkwinkel a schwenken kann. Im vorliegenden Fall stellt der Schaft 12 ein Bezugselement 26 dar, relativ zu dem sich ein Bewegungs- element 24 in Form des Unterschenkels bewegen kann.

Im vorliegenden Fall weist das Hilfsmittel 10 einen Dämpfer 28 auf, der einen Kolben 30 besitzt, der in einem Zylinder 32 läuft. Je nach Stellung des Bewegungselements 24 relativ zum Bezugselement 26 ändert sich die Stellung des Kolbens 30 im Zylin der 32.

Am orthopädischen Hilfsmittel 10 gemäß Figur 1 wird deutlich, dass lediglich eine Relativbewegung zwischen dem Bewegungselement 24 und dem Bezugselement 26 relevant ist. Zudem bewegt sich das Bezugselement 26 bei Benutzung des Hilfs- mittels 10 auch.

Das Hilfsmittel 10 umfasst eine schematisch eingezeichnete Auswerteeinheit 34, die, möglich, nicht aber notwendig ist, mit einem schematisch eingezeichneten Aktor 36 verbunden ist. Mittels des Aktors 36 sind die Dämpfeigenschaften des Dämpfers 28 veränderbar. Insbesondere kann der Dämpfer vorzugsweise gesperrt werden, so- dass der Kolben 30 sich nicht mehr im Zylinder 32 bewegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann mittels des Aktors die Kraft verändert werden, die am Kolben 30 an- liegen muss, um diesen mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit relativ zum Zylin- der 32 zu bewegen.

Figur 2a zeigt eine geschnittene Teil-Ansicht des Hilfsmittels 10. Es ist zu erkennen, dass das Hilfsmittel 10 einen Positionssensor 38 aufweist. Der Positionssensor 38 umfasst Hall-Sensoren 42. i (i= 1 , 2, 18) und die Auswerteeinrichtung 34, die am

Bezugselement 26 befestigt sind (nicht sichtbar in Figur 2a). Ein Permanentmagnet 40 des Positionssensors 38 ist am Bewegungselement 24 befestigt.

Figur 2b zeigt den Positionssensor im Detail. Der Positionssensor 38 umfasst den Permanentmagneten 40 und die Hall-Sensoren 42. i (i = 1 , 2, ..., 18) sowie die Aus- werteeinrichtung 34. Die Hall-Sensoren 42. i sind am Bezugselement 26, im vorlie- genden Fall also starr relativ zum Schaft 12, befestigt. Der Permanentmagnet 40 hingegen ist am Bewegungselement 24, im vorliegenden Fall also starr relativ zum Unterschenkel 16, befestigt.

Bewegt sich das Bewegungselement 24 relativ zum Bezugselement 26, so bewegen sich die Hall-Sensoren 42. i relativ zum Bewegungselement 24 auf einer Trajektorie T. Im vorliegenden Fall ist die Trajektorie T ein Kreisbogen. Im vorliegenden Fall hängt die Trajektorie T vom Schwenkwinkel a (vgl. Figur 1 ) zwischen dem Bewe- gungselement 24 und dem Bezugselement 26 ab.

Figur 3a zeigt eine seitliche Ansicht des Permanentmagneten 40. Der Permanent- magnet 40 besitzt einen ersten Magnetschenkel 44, der sich in eine Magnetschen- kel-Richtung R erstreckt. Der Permanentmagnet 40 besitzt zudem einen zweiten Magnetschenkel 46, der sich ebenfalls entlang der Magnetschenkel-Richtung R er- streckt. Der erste Magnetschenkel 44 hat ein erstes freies Ende E1 mit einer ersten Polarität P1 , die im vorliegenden Fall der Südpol ist. Der zweite Magnetschenkel 46 hat ein zweites freies Ende E2, das eine der ersten Polarität P1 entgegengesetzte zweite Polarität P2 hat, im vorliegenden Fall also ein Nordpol ist.

Der Permanentmagnet 40 besitzt zudem ein Magnetflussformteil 48, das ein Weich- magnet-Element 50 und einen Nichtferromagnetteil 52 aufweist. Das Weichmagnet- Element 50 besteht in der vorliegenden Ausführungsform aus Weicheisen, das Nicht ferromagnetteil 52 im vorliegenden Fall aus Kupfer. Das Nichtferromagnetteil 52 könnte beispielsweise auch aus Kunststoff gefertigt sein und dient insbesondere als Abstandshalter. Figur 3a zeigt, dass der Permanentmagnet 40 einen ersten Teil-Permanentmagneten 54, einen zweiten Teil-Permanentmagneten 56 und einen dritten Teil-Pemnanent- magneten 58 aufweist. Der erste Teil-Permanentmagnet 54 bildet den ersten Mag- netschenkel 44, der zweite Teil-Permanentmagnet 56 den zweiten Magnetschenkel 46.

Der dritte Teil-Permanentmagnet 58 ist zwischen dem ersten Teil-Pemnanentmagne- ten 54 und dem zweiten Teil-Permanentmagneten 56 angeordnet und verläuft quer dazu. In anderen Worten verläuft eine Drittpermanentmagnet-Orientierung Ose, die vom Nordpol zum Südpol verläuft, quer zu einer Erstpermanentmagnet-Orientierung O54, die im vorzugsweisen Fall der Magnetschenkel-Richtung R entspricht. Die dritte Permanentmagnet-Orientierung Ose verläuft zudem quer zu einer Zweitpemnanent- magnet-Orientierung O56, die im vorliegenden Fall entgegen der Magnetschenkel- Richtung R verläuft. Unter dem Merkmal, dass die dritte Permanentmagnet-Orientie- rung Ose quer zur ersten Permanentmagnet-Orientierung verläuft, wird insbesondere verstanden, dass ein Winkel zwischen beiden zumindest im Wesentlichen 90° be- trägt. Das heißt, dass der Winkel zwischen 85 und 95° liegt.

Figur 3a zeigt, dass eine Flöhe FUo des Permanentmagneten 40 kleiner ist als seine Länge L40. Die Höhe H40 wird in Richtung der Magnetschenkel-Richtung R gemes- sen. Vorzugsweise ist die Länge L40 zumindest doppelt so groß wie die Höhe H40, vorzugsweise zumindest 2,5-fach so groß.

Figur 3b zeigt eine perspektivische Ansicht des Permanentmagneten 40. Die Teil- Permanentmagneten 54, 56, 58 und das Magnetflussformteil 48 sind miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt.

Figur 3c zeigt einen Magnetflusslinienverlauf 60 der Magnetflusslinien b1 , b2, ... . Es ist zu erkennen, dass eine Normalkomponente BN des Magnetfelds am Ort des Hall- Sensors 42.4, der sich exakt zwischen den beiden Enden E1 und E2 befindet, ver- schwindet.

Figur 4a zeigt den Verlauf der Magnetflusslinien b1 , b2, ..., wenn statt des Perma- nentmagneten, wie er in den Figuren 3a, 3b und 3c gezeigt ist, als Permanentmagnet ein Stabmagnet verwendet wird. Jeder Hall-Sensor 42, beispielsweise der Hall- Sensor 42.1 , gibt eine in Figur 4b gezeigte Hall-Spannung UHaii ab, die von der Nor- malkomponente BN des Magnetfelds B in Bezug auf eine Sensorebene E des Hall- Sensor 42.1 abhängt. Auf einer Geraden G, die senkrecht zur Magnet-Orientierung O40 durch einen Mittelpunkt M des Permanentmagneten 40 verläuft, existiert keine Normalkomponente BN. Entsprechend ist die Hall-Spannung UHaii an dieser Stelle, die als x ₀ bezeichnet wird, gleich null.

Wird der Permanentmagneten 40, der am Bewegungselement befestigt ist, bewegt, so bewegt sich der Hall-Sensor 42.1 entlang der Trajektorie T, die im vorliegenden Fall eine Gerade ist, relativ zum Bewegungselement. Der Permanentmagnet 40 be- wegt sich damit relativ zum Bezugselement auch entlang der Trajektorie T. Dadurch ändert sich die Hall-Spannung UHaii zunächst linear und durchläuft in einem Punkt XM ein Maximum. Der Grund dafür ist, dass zwar einerseits der Winkel, den die Magnet- feldlinie mit der Sensorebene bildet, beständig größer wird, dass aber das Magnet- feld in dritter Potenz mit dem Abstand kleiner wird.

Figur 4b zeigt die Abhängigkeit der Hall-Spannung UHaii von der Position des Hall- Sensors.

Figur 5a zeigt die Abhängigkeit der Hall-Spannung UHaii von einer x-Koordinate ent- lang der Trajektorie T. Im oberen Teil des Bildes sind die Positionen der allgemein bezeichneten Hall-Sensoren 42. N, 42.N+1 und 42.N-1 eingezeichnet. Im unteren Teilbild ist zu erkennen, dass die Steigung k = AUHaii Id bestimmt werden kann als d ist der Abstand zweier Hall-Sensoren, beispielsweise der Hall-Sensoren 42. N und 42.N+1. AUHaii ist die Hallspannungs-Differenz. Die Hall-Sensoren 42. i sind äqui distant angeordnet, das heißt, dass der Abstand zweier benachbarter Hall-Sensoren stets gleich d ist. Wird der Permanentmagnet verschoben, beispielsweise an die gestrichelt gezeich- nete Position, so verschiebt sich der Spannungsverlauf ebenfalls. Aus der Verschie- bung Dc' entlang der Trajektorie T ergibt sich die Hallspannung U' _{Hall N} , die der Hall- Sensor 42. N nach der Verschiebung um Dc misst zu

Damit kann aus der jeweils gemessenen Hall-Spannung U’Haii.N die Position des Hall- Sensors 42. N und damit die Position des Bezugselements 26 relativ zum Bewe- gungselement 24 (vgl. Figur 2) bestimmt werden. Es existieren in der Regel mehr als drei Hall-Sensoren 42. i.

In Figur 5b sind die Abhängigkeiten der Hall-Spannung U Haii, i für mehrere Hall-Sen- soren dargestellt. Befindet sich der Permanentmagnet 40 in der Position Ax"relativ zu den Hall-Sensoren, wie in Figur 5b gestrichelt angedeutet (und mit Pemnanent- magnet 40“ bezeichnet), so werden die angegebenen Hall-Spannungen U“Haii,N-i , ... , U“Haii,N+2 gemessen.

In einem ersten Schritt werden diejenigen Hall-Spannungen bestimmt, die am dich- testen an demjenigen Wert liegen, der an der Position gemessen wird, die in Figur 5b für den Hall-Sensor 42. n eingezeichnet ist, nämlich in der der Hall-Sensor genau zwischen den beiden magnetischen Polen des Permanentmagneten 40 angeordnet ist. Dieser Wert ist in aller Regel U“Haii = 0 V, da dann keine Normal-Magnetfeld- komponente für den entsprechenden Hall-Sensor existiert.

Im vorliegenden Fall werden also die drei betragsmäßig kleinsten Hall-Spannungen U“ Haii bestimmt. Das sind die Hall-Spannungen U“Haii,N-i ,... ,U“Haii,N+i . Der betragsmä- ßig kleinste Wert ist U“Haii,N . Die betragsmäßig nächstkleinere Hall-Spannung ist

U Hall , N+ 1 .

Es gilt daher

II"

u HaII,N — +kAx" . Die Position ergibt sich damit zu ln dieser Formel ist x“ der Weg entlang der Trajektorie T, wobei x = 0 an der Stelle des ersten Hall-Sensors 42.1 gilt.

Bewegt sich der Permanentmagnet 40 weiter, so wird beispielsweise die Spannung U“Haii,N immer größer, bis sie betragsmäßig größer wird als die Spannung U“Haii,N+i . Zu diesem Zeitpunkt wird die Berechnung mit der dann betragsmäßig kleinsten Hall- Spannung durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die betragsmäßig kleinsten Spannungen stets auf diejenige Spannung beziehen, die der Hall-Sensor hat, der wie der Hall-Sensor 42. N in Figur 5a angeordnet ist, also in dem Bereich ge- nau zwischen den beiden freien Enden des Permanentmagneten 40. Diese Span- nung ist in der Regel null.

Es ist möglich, dass beispielsweise durch eine verkippte Montage der Hall-Sensoren, diese Spannung nicht null ist, sondern eine Offset-Spannung U Offset. In diesem Fall wird die jeweils gemessene Hall-Spannung UHaii. mess um die Offset-Spannung U Offset korrigiert. Die Offsetspannungen U Offset der Hall-Sensoren wird in einem Kalibriervor- gang gemessen, wenn der Magnet nicht in der Nähe der Hall-Sensoren ist. Die ge- messenen Hall-Spannungen U Hall, mess werden bei der Auswertung um den Wert der Offset-Spannung korrigiert. Die oben angegebenen Hall-Spannungen U‘Haii,N ent- sprechen dem korrigierten Wert der Hall Spannungen. Es ergibt sich dann wieder die in Figur 5 gezeigte Situation, dass die Hall-Spannung null ist, wenn sich der entspre- chende Hall-Sensor genau zwischen den freien Enden des Permanentmagneten be- findet.

Es ist möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass solche Hall- Sensoren, die momentan nicht zur Bestimmung der Position notwendig sind, deakti- viert werden. In anderen Worten wird die Messung der Hall-Spannung von der Aus- werteeinheit 34 solange beendet, bis der Messwert des entsprechenden Hall- Sensors wieder benötigt wird. Dazu ist es möglich, dass die Hall-Sensoren in Grup- pen eingeteilt werden. Wir kein Hall-Sensor einer entsprechenden Gruppe verwen- det, werden die Hall-Sensoren der entsprechenden Gruppe abgeschaltet.

Figur 6 zeigt den Dämpfer 28. Es ist zu erkennen, dass am Kolben 30 zwei Perma- nentmagnete 40.1 , 40.2 angeordnet sind. Die Hall-Sensoren 42. i sind linear ange- ordnet. Bei einer Bewegung des Kolbens 30 relativ zum Zylinder 32 und damit einer Bewegung des Zylinders 32 relativ zum Kolben 30 bewegen sich die Hall-Sensoren entlang einer Trajektorie T relativ zu den Permanentmagneten 40.1 , 40.2. Auf die oben beschriebene Art und Weise kann die Position des Kolbens 30 relativ zum Zy- linder 32 mit relativ hoher Genauigkeit abgestimmt werden. Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 wird eine Winkelauflösung von 0,01 Grad erreicht. Bei der Aus- führungsform gemäß Figur 6 ergibt sich eine Genauigkeit von ca. 0,1 mm.

Bezugszeichenliste

10 Hilfsmittel

b Magnetflusslinie

12 Schaft

BN Normalkomponente

14 Oberschenkelstumpf

d Abstand

16 Unterschenkel

E Sensorebene

20 Fuß E1 erstes freies Ende

22 Kosmetik E2 zweites freies Ende

22 Drehgelenk G Gerade

24 Bewegungselement H Höhe

26 Bezugselement i Laufindex

28 Dämpfer L Länge

M Mittelpunkt

30 Kolben

O54 Erstpemnanentmagnet-Orientie- 32 Zylinder

rung

34 Auswerteeinheit

O56 Zweitpemnanentmagnet-Orientie- 36 Aktor

rung

38 Positionssensor

Ose Drittpermanentmagnet-Orientie- rung

40 Permanentmagnet

P Polarität

42 Hall-Sensor

R Magnetschenkel-Richtung 44 erster Magnetschenkel

T Trajektorie

46 zweiter Magnetschenkel

U Haii Hall-Spannung

48 Magnetflussformteil

AU Haii Hallspannungs-Differenz

50 Weichmagnet-Element a Schwenkwinkel

52 Nichtferromagnetteil

54 erster Teil-Permanentmagnet

56 zweiter Teil-Permanentmagnet

58 dritter Teil-Permanentmagnet

60 Magnetflusslinienverlauf