Протез бедра с управляемым коленным шарниром

Протез бедра с управляемым коленным шарниром

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к медицинской технике. Цель изобретения - уменьшение асимметрии походки и энергозатрат инвалида . Протез бедра состоит из культеприемника, гильзы бедра 2, одноосного колен ffouf/yvf ) 0.8 ного шарнира .3 с узлом сцепления, датчика силы, рекуператора, голеностопного шарнира, гильзы 7 голени, стопы протеза с тактильными датчиками, блока управления протезом, датчика угла и силы реакции. Коленный шарнир 3 имеет барабаны 13 сцепления с кривошипами 14, палец 15, соединяющий кривошипы 14 с шатуном 16, колодки 17 сцепления, разжимные кулачки 18 и два управляющих электромагнита 19. Рекуператор 5 состоит из шатуна 16, пружины 27, электродвигателя 28 с редуктором 29, выходной вал которого связан с регулировочным шнеком 30. Блок определения темпа движения содержит счетчик, выполненный на микросхемах. Измеряя количество импульсов, прошедших на счетчик с генератора между срабатываниями датчиков, определяют темп движения. 4 з.п. ф-лы, 15 ил. (g S СО дзиеЛ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1351599 (5ц 4 А 61 F 2/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3867106/28-14 (22) 31.01.85 (46) 15. 1 1.87. Бюл. № 42 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Института технической механики АН УССР (72) В. Н. Ватагин, И. Н. Добров, В. П. Иванов и A. Н. Панченко (53) 615.475 (088.8) (56) Патент Великобритании № 1534181, кл. А 61 F 2/60, 1979. (54) ПРОТЕЗ БЕДРА С УПРАВЛЯЕМЫМ

КОЛЕННЫМ ШАРНИРОМ (57) Изобретение относится к медицинской технике. Цель изобретения — уменьшение асимметрии походки и энергозатрат инвалида. Протез бедра состоит из культеприемника, гильзы бедра 2, одноосного колен кш(рад) ного шарнира 3 с узлом сцепления, датчика силы, рекуператора, голеностопного шарнира, гильзы 7 голени, стопы протеза с тактильными датчиками, блока управления протезом, датчика угла и силы реакции. Коленный шарнир 3 имеет барабаны 13 сцепления с кривошипами 14, палец 15. соединяющий кривошипы 14 с шатуном 16, колодки 17 сцепления, разжимные кулачки 18 и два управляюших электромагнита 19. Рекуператор 5 состоит из шатуна 16, пружины 27, электродвигателя 28 с редуктором

29, выходной вал которого связан с регулировочным шнеком 30. Блок определения темпа движения содержит счетчик, выполненный на микросхемах. Измеряя количество импульсов, прошедших на счетчик с генератора между срабатываниями датчиков, определяют темп движения. 4 з.п. ф-лы, 15 нл.!

351599

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезам нижних конечностей.

Целью изобретения является уменьшение асимметрии походки и энергозатрат инвалида.

На фиг. I приведены типовые диаграммы изменения углов в коленном суставе во времени; на фиг. 2 — зависимости приведенного момента в коленном шарнире от угла в этом же шарнире и последовательность характерных точек во времени; на фиг. 3 — графики реакций опор при движении в зависимости от темпа движения и максимальные величины углов подгибания для соответствующих темпов; на фиг. 4 — конструктивная схема протеза бедра; на фиг. 5 — конструкция коленного шарнира с запирающим устройством и рекуператором энергии (датчики угла и силы не показаны); на фиг. 6 — сечение А — А на фиг. 5; на фиг. 7 — сечение Б — Б на фиг. 5; на фиг. 8 — сечение  — В на фиг. 5; на фиг. 9 — функциональная схема системы управления протезом; на фиг. 10 — функциональная схема блока определения темпа движения; на фиг. 11 — функциональная схема блока управления двигателем; на фиг. 12 — работа тянок при <р = 0; на фиг. 13 — то же, при ср = y на фиг. 14— графики, иллюстрирующие формирование необходимых приведенных моментов в коленном шарнире протеза в процессе движения; на фиг. 15 — схема постоянного запоминающего устройства.

На фиг. 1 обозначено: р — угол в коленном шарнире;

М. « — приведенный момент в коленном шарнире;

t — текущее время;

Т вЂ” период двойного шага.

Согласно фиг. 2

Мкш = Мкш (фарш)

Для опорных участков движения а — с, Ь вЂ” d зависимости М- (ср ° ) практически совпадают с прямыми линиями, т.е.

Мкш = К1(рюш, Д =.

Ь в

М ш — К 2 ((pl Ill — (pK IU ) где К, К> — коэффициенты, характеризующие жесткость коленного сустава.

В протезе реализация этих прямых обеспечивается на участке а — с рекуператором энергии, а на участке b — d — тормозным устройством в сочетании с упругими элементами тянок голеностопного устройства. Управление коленным шарниром основано на анализе соответствия возникающих в коленном шарнире моментов и углов моментам и углам в коленном суставе инвалида на протезе голени.

Из графиков (фиг. 3) следует наличие соответствия между углами и реакциями опор. Таким образом, добиваясь соответствия между углами в коленном шарнире и реакциями опоры путем подстройки жесткости пружины рекуператора, производят подстройку протеза под темп движения.

Протез бедра (фиг. 4) состоит из культеприемника 1, гильзы 2 бедра, одноосного коленного шарнира 3 с узлом сцепления, датчика 4 силы, рекуператора 5 с автоматической регулировкой уровня накапливаемой энергии, голеностопного шарнира 6, гильзы 7 голени, стопы 8 протеза с тактильными датчиками, блока 9 управления протезом, связанного с устройством запирания коленного шарнира 3, тактильными датчи15 ками, рекуператором 5 и датчиком 10 угла и силы 4 реакции, передней 11 и задней 12 тянок, которые представляют собой плоскую резиновую ленту, тросики с пружинами и т.д.

Коленный шарнир 3 (фиг. 5) содер20 жит барабаны 13 сцепления с кривошипами 14, выполненными заодно с барабанами 13 сцепления, палец 15, соединяющий кривошипы 14 с шатуном 16, колодки 17 сцепления, разжимные кулачки 18, жестко связанные с гильзой бедра 2; два управляющих электромагнита 19. Элементы коленного шарнира собраны на оси 20 (фиг. 6), установленной в подшипниках 21 (фиг. 7), внешняя обойма которых запрессована в приливах скобы 22, вворачиваемой на резьЗ0 бе в гильзу 7 голени. Гильза 2 бедра и связанные с ней кулачки 18 свободно вращаются на оси 20. Начальная ориентация колодок 17 сцепления относительно разжимных кулачков 18, необходимая для нормальной работы коленного шарнира, обес35 печивается при помощи пальца 23 (фиг. 8), помещенного в фигурный паз консоли 24 (фиг. 5) гильзы 2 бедра; для предотвращения самопроизвольного сцепления колодки 17 сведены стягивающими пружинами (не показаны).

Рекуператор 5 состоит из шатуна 16, соединяющего через палец 15 и цапфы 25

KpHBoHlHHbl 14 с нажимным стаканом 26, рекуператора 5; пружины 27, выполняющей роль аккумулятора энергии; электродвига45 теля 28 с редуктором 29, выходной вал которого связан с регулировочным шнеком 30.

Нижний конец пружины 27 касается уступа 31 гильзы 7 голени. Верхний конец пружины 27 упирается в профилированную выемку нажимного стакана 26. Нажимной

50 стакан 26 может свободно перемещаться в гильзе 7 голени вдоль ее оси, при этом цапфы 25 могут перемещаться в продольных пазах гильзы 7 голени.

Электродвигатель 28 вместе с редуктором 29 имеют возможность по мере вворачивания регулировочного шнека 30 в пружину 27 свободно перемещаться в направляющих 32 (фиг. 8) нажимного стакана 26.

Шаг нарезки шнека 30 соответствует шагу

1351599

55 навивки пружины 27. При перемещении шнека внутри пружины 27 происходит замыкание части ее витков, что изменяет ее жесткость.

Система управления (фиг. 9) включает тактильные датчикй 33 и 34, расположенные в стопе 8, которые представляют собой, например, концевые выключатели, срабатывающие при нагрузке на передний и задний отделы стопы; блок 35 определения темпа движения по срабатыванию тактильных датчиков 33 и 34; постоянное запоми. нающее устройство 36 (ПЗУ), в котором хранятся углы р ш, которые должны иметь место в коленном шарнире 3 при данном темпе движения. ПЗУ 36 может быть выполнено на известных микросхемах, например

К155РЕЗ. Примерная схема такого ПЗУ, реализованного на микросхемах К155РЕЗ, приведена на фиг. 15. Необходимые углы ср выбираются по информации, поступающей на адресные входы ПЗУ 36 от блока 35.

Блок 35 определения темпа движения содержит счетчик 37 (фиг. 10), выполненный, например, на микросхемах К155ИЕ7.

Счетный вход счетчика 37 соединен с выходом схемы ЗИ 38. Один вход схемы ЗИ соединен с тактильным датчиком 33, другой — с генератором 39, а третий через инвертор 40 — с тактильным датчиком 34.

Выходы счетчика 37 соединены с информационными входами регистра 41, выполненного, например, на микросхемах К155ИР1.

Выходы регистра 41 являются выходами блока 35 и соединены с адресными входами ПЗУ 36. На информационных входах счетчика 37 выставлен код, соответствующий начальному темпу движения. Резистор 42 и конденсатор 43 соединены с установочным входом счетчика 37 и одним входом элемента 2И 44. Обнуляющий вход счетчика 37 соединен через схему 45 задержки с датчиком 34. Датчик 34 соединяется также с вторым входом элемента 2И

44, выход которого соединен с установочным входом регистра 41.

Выходы ПЗУ 36 соединены со схемой 46 сравнения, которая формирует разницу сигналов, приходящих на ее входы и представляет собой вычитающее устройство, причем один из его входов соединяется с ключевой схемой 47 через регистр.

С датчиком 10 угла и тактильным датчиком 33 через элемент И 48 связаны электромагниты 19. Датчик 4 силы реакций соединен с компаратором 49. Датчик 10 угла связан с ключевой схемой 47, которая также связана с компаратором 49. Выход ключевой схемы 47 связан со схемой 46 сравнения, вырабатывающей сигнал рассогласования между необходимым для данного темпа движения углом р и фактическим его значением. Выход схемы 46 сравнения соединен с блоком 50 управления электродви5

45 гателя 28. С электродвигателем 28 связан датчик 51 обратной связи, сигнал с которого поступает на блок 50 управления. С датчиком 10 угла и тактильным датчиком 33 через элемент И 48 связаны электромагниты 19. Блок 50 управления содержит усилители 52 и 53 мощности (фиг. 11), выходы которых соединены с электродвигателем 28. Входы усилителей 52 и 53 ° соединены со схемами ЗИ 54 и 55 соответственно. Первый и второй входы схем 54 и 55 соединены с датчиками 33 и 34. При этом третий вход схемы 54 соединен с выходом

«)» компаратора 56, а третий вход схемы 55 — с выходом «(» того же компаратора 56. Компаратор 56 выполнен на микросхеме четырехразрядного сумматора

К155ИМЗ. Первые входы компаратора 56 соединены с выходом схемы 46 сравнения, а вторые входы — с датчиком 51 обратной связи.

На фиг. 14 приняты следующие обозначения:

57 — график зависимости приведенного момента М .ш, создаваемого рекуператором от угла в коленном шарнире:

58 — график зависимости приведенного момента М - передней тянки от угла в коленном шарнире;

59 — график зависимости приведенного момента Ma задней тянки от угла в коленном шарнире;

60 — график зависимости результирующего приведенного момента М . от угла в коленном шарнире.

ПЗУ 36 содержит микросхемы 61 — 64 памяти (фиг. 15), например К155РЕЗ, и дешифратор 65, выполненный, например, на микросхемах К155ЛАЗ.

Протез работает следующим образом.

При включении источника питания счетчика 37 с помощью резистора 42 и конденсатора 43 устанавливается в исходное положение, определяемое кодом на информационных входах и соответствующее темпу движения, например произвольному. Информация с выхода счетчика 37 поступает на регистр ИР и затем — на адресные входы ПЗУ 36 и вызывает на его выходе сигнал, соответствующий углу в коленном шарнире 3 при данном темпе движения. Поступая на схему 46 сравнения, этот сигнал сравнивается с нулевым сигналом на выходе ключевой схемы 47.

Сигнал с выхода схемы 46 сравнения поступает на вход компаратора 56, где сравнивается с сигналом датчика 51 обратной связи. По результату сравнения на один из элементов ЗИ 54 или 55 подается сигнал с выхода ком паратора 56. Когда оба тактильных датчика 33 и 34 отпущены, сигнал с компаратора 56 проходит на соответствующий усилитель 52 (53) мощности и включает электродвигатель 28. Последний вращает регулировочный шнек 30 и устанав1351599 ливает его в положение, обеспечивающее жесткость пружины 27, необходимую для данного темпа движения. Необходимое положение шнека 30 определяется с помощью датчика 51 обратной связи. Когда коды с датчика 51 обратной связи и со схемы 46 сравнения совпадают, компаратор 56 убирает сигналы со своих выходов, и двигатель 28 останавливается. Информация о, величине угла

<р с датчика 10 поступает на ключевую схему 47. Одновременно производится измерение силы реакции опоры RÄ датчика 4, информация о которой поступает на компаратор 49, где сравнивается с заранее зао данным значением силы реакции опоры Ry, равным весу инвалида. При достижении углом (р величины ф и срабатывании датчика 33 схема И 48 включает электромагниты 19, якори которых нажимают на колодки 17 сцепления, чем создается начальный момент сцепления, который позволяет кулачку 18 провернуться относительно колодок 17. Кулачок 18, проворачиваясь относительно колодок 17 начинает их разжимать, в результате чего их внешние поверхности соприкасаются с барабаном 13 сцепления. Этот процесс в конечном игоге обеспечивает силовое замыкание между барабаном 13 сцепления и гильзой бедра 2. Дальнейшее вращение гильзы бедра происходит совместно с барабаном 13 сцепления и кривошипами 14. Это вращение через палец 15, шатун 16 и цапфы 25 передается на нажимной стакан 26, что вызывает его движение вдоль оси гильзы голени 7.

При своем движении стакан 26 через фигурный паз и регулировочный шнек 30 сжимает пружину 27. В результате происходит накопление энергии в рекуператоре 5.

При подгиба нии до угла р .= р момент . Мз., создаваемый задней тянкой 12, изменяется по линии 59. В момент 1) = <р ° в задняя тянка 12 расслабляется, что обеспечивается ее регулировкой, и создаваемый его момент становится равным нулю. Этот момент времени соответствует включению рекуператора 5. Момент, создаваемый передней тянкой 11, при подгибании изменяется по линии 58. При достижении силой реакции R.. величины уровня компарации

К компаратор 49 выдает сигнал на ключевую схему 47, что разрешает прохождение информации об угле р в данный момент на схему 46 сравнения, где производится ее запоминание. Процесс накопления энергии в рекуператоре 5 и передней тянке 11 при подгибании продолжается до тех пор, пока <р ° не станет равс ным ч) .. После этого начинается процесс разгибания протеза, происходящий под действием передней тянки ll и рекуператора 5 и сопровождающийся отдачей накопленной энергии. В процессе разгибания пружина 27 давит через замкнутые шнеком 30 витки на нажимной стакан 26, который через цапфы 25 и шатун 16 передает усилие пружины на кривошипы 14, создавая разгибающий момент М« . Этот момент через сцепление колодки 17 и кулачки 18 передается на гильзу бедра 2, что приводит к разгибанию протеза. Этот процесс продолжается до тех пор, пока (1) не станет равным ср ш. В этот момент включается в работу задняя тянка 21.

По достижении гр величины, равной р шш, пружина 27 рекуператора 5 полностью разряжена, и момент Mi., создаваемый рекуператором 5, становится равным нулю. Разжимные кулачки 18 проворачиваются под действием моментов М ., М «, создаваемых передней 11 и задней 12 тянками, относительно колодок сцепления 17 и перестают прижимать их к барабану 13 сцепления. Под действием стягивающих пружин колодки 17 сходятся к центру и выходят из зацепления с барабаном 13 сцепления. Дальнейшее движение гильзы бедра 2 относи20 тельно гильзы голени 7 осуществляется путем поворота оси 20 в подшипниках 21 под действием моментов М)«, Мз-, создаваемых задней 12 и передней 11 тянками.

Разгибание протеза продолжается до ц:

=rp . Этому движению соответствует изменение момента M в коленном шарнире 3 по участку f,„ãðàôèêà 60. На участке d — b происходит функциональное укорочение конечности (начальная фаза сгибания) . Моменты, возникающие при этом за счет статиgp ческих и динамических сил, развиваемых инвалидом, а также тянками 11 и 12 приводят к сгибанию протеза. При рш = ср 4 задняя тянка 12 расслабляется и ее момент

Мз - становится равным нулю. При р .

d.

= с1) передняя тянка 11 ложится на ось 20

3 и создаваемый ею момент М - становится равным нулю. Этот момент соответствует отрыву носка стопы 8 протеза от поверхности опоры и началу фазы переноса.

При опоре на поверхность протеза срабатывает тактильный датчик 33 и разрешает40 ся прохождение импульсов с генератора 39 на счетчик 37 через схему ЗИ 38. В мо1 мент р- = р- срабатывает расположенный в носке стопы 8 датчик 34. Сигнал с датчика 34 проходит через инвертор 40 на

4> схему ЗИ 38 и запрещает прохождение импульса генератора 39 на счетчик 37. Одновременно он поступает через схему 2И 44 на установочный вход регистра 41 и перезаписывает в него показания счетчика. После этого, проходя через схему 45 задерж 0 ки, сигнал с датчика 34 обнуляет счетчик 37. Таким образом, измеряя количество импульсов, пришедших на счетчик 37 с генератора 39 между срабатываниями датчиков 33 и 34, можно определить темп движения, так как этот промежуток меняется

5 в зависимости от темпа. Информация с регистра 41 поступает на адресные входы

ПЗУ 36 и по ней из ПЗУ вызывается

H) информация об угле р, соответствую1351599 щем данному темпу движения. Эта информация поступает на схему 46 сравнения, где происходит ее сравнение с р«, ранее поступившим от датчика 10 угла, об истинном ytле в коленном шарнире. Полученное рассогласование поступает на блок 50 управления двигателя, на который уже поступили сигналы размещения работы с тактильных датчиков 33 и 34. Блок 50 управления двигателем по информации с датчика 51 обратной связи устанавливает с помощью электродвигателя 28 регулировочный шнек 30 в новое относительно пружины 27 положение. Это положение шнека 30 относительно пружины 27 придает пружине 27 новую жесткость, что позволяет уменьшить рассогласование Ау и приблизить момент М -, развиваемый рекуператором, к требуемому для данного темпа движения инвалида.

После отрыва носка стопы 8 протеза от поверхности опоры при <р ° = ср происходит свободное вращение гильзы голени 7 на оси 20, подобное движению физического маятника. При р = р. передняя тянd1 ка 11 отделяется от оси 20 и возникает момент М2.», который способствует разгибанию Голени 7. При фарш = (фки начинает натягиваться задняя тянка, что приводит к торможению голени и к моменту касания поверхности опоры р. = О, а протез полностью выпрямлен. Далее цикл протеза повторяется.

Формула изобретения

1. Протез бедра с управляемым коленным шарниром, содержащий культеприемни1, гильзу бедра, гильзу голени, коленный шарнир и устройство для запирания коленного шарнира, отличающийся тем, что, с целью уменьшения асимметрии походки и энергозатрат инвалида, в состав протеза введен блок управления, содержащий тактильные датчики, схему определения темпа движения, схему управления электродвигателем, датчик перемещения, схему сравнения, ключевую схем у, постоянное запоминающее устройство, датчик силы реакции, компаратор, датчик угла, элемент И и электромагниты, при этом тактильные датчики связаны со схемой определения темпа движения и схемой управления электродвигателя, схема управления элек-, тродвигателя связана с датчиком перемещения и схемой сравнения, которая связана с ключевой схемой и информационными выходами постоянного запоминающего устройства, адресные входы постоянного запоминающего устройства связаны со схемой определения темпа движения, датчик силы реакции через компаратор связан с ключевой схемой, которая связана с датчиком угла, электромагниты связаны с выходом элемента И, входы которой связаны с одним из тактильных датчиков и датчиком угла, блок управления связан с устройством запирания коленного шарнира, выполненным в виде последовательно соединенных узла сцепления и рекуператора.

2. Протез бедра по п. 1, отличающийся тем, что узел сцепления содержит барабан сцепления с кривошипами, колодки сцепления, связанные пружинами, и разжимные кулачки, жестко соединенные с гильзой бедра, и расположенные на барабане сцепления электромагниты, связанные с блоком управления, якори которых выполнены с возможностью касания фрикционных поверхностей колодок сцепления, при этом разжимные кулачки расположены в фигурных вырезах колодок сцепления.

3. Протез бедра по и. 1, отличающийся тем, что рекуператор содержит нажимной стакан, электродвигатель с редуктором, выходной вал которого связан с регулировочным шнеком, контактирующим с витками пружины с возможностью перемеЗо щения вдоль нее.

4. Протез бедра по п. 1, отличающийся тем, что гильза голени и гильза бедра связаны передней и задней силовыми тянками, при этом передняя тянка выполнена с возможностью касания оси колен35 ного шарнира.

5. Протез бедра по п. 1, отличающийся тем, что блок определения темпа движения содержит счетчик, элемент И, регистр, схему задержки, инвертор, причем выход генератора соединен с первым вхо4О дом первого элемента И, к второму входу которого через инвертор подключен через элемент задержки R-вход счетчика, а непосредственно — первый вход второго элемента И, второй вход которого соединен с

45 С-входом счетчика, выходы которого подключены к регистру, и только С-вход регистра соединен с выходом второго элемента И, выход первого элемента И соединен с входом «+1» счетчика.

1351599

Фс Г 3

1351599

1351599 фиРЯ

1351599

1351599

Составитель В. Ваганов

Редактор H. Швыдкая Техред И. Верес Корректор Л. Патай

Заказ 5253/4 Тираж 595 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раугиская нгб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,4