Управляемый электроникой протезный коленный сустав, протезный узел и способ управления вращением электронного протеза коленного сустава

Управляемый электроникой протезный коленный сустав, протезный узел и способ управления вращением электронного протеза коленного сустава

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к протезным суставам, а в частности, к управляемым тормозным системам для протезных коленных суставов.

Описание аналогов

В прошлом в протезных коленных суставах использовалось три типа тормозов с изменяющимся моментом: (1) сухие фрикционные тормоза, в которых поверхность одного материала трется о другую поверхность с изменяющейся силой; (2) тормоза с вязким моментом, использующие жидкость, выдавливаемую через сопло изменяющегося размера или пластину ограничения потока; и (3) магнитореологические (МР) тормоза или амортизаторы, в которых МР жидкость (содержащая мелкие железные частицы, находящиеся в воде в состоянии взвеси) выдавливается через фиксированное сопло или пластину ограничения потока, причем вязкость жидкости меняется в ответ на приложенное магнитное поле. Каждая из этих технологий, при обычной практике в области протезирования, может предъявлять определенные недостатки.

Хотя сухие фрикционные тормоза в общем случае могут обеспечить значительный диапазон момента для их размера, но при этом они часто нежелательно сложны для управления. После длительного использования фрикционные площадки изнашиваются, тем самым меняя фрикционные характеристики тормоза и ответ момента на заданный скомандованный момент. Как недостаток, это может вызвать ненадежную работу амортизатора, а следовательно, неблагоприятно воздействовать на походку человека без ноги, а также вызвать у него дискомфорт. Следовательно, сухие фрикционные тормоза могут нуждаться в частом обслуживании и/или замене, что нежелательно увеличивает стоимость.

При условиях высокой нагрузки тормоза с вязким моментом чувствительны к потере гидравлической жидкости и, вероятно, к другим повреждениям из-за чрезмерного наращивания давления. Как недостаток, это может выразиться в необратимом состоянии, т.к. когда один тормозной блок перегружен, он не может вернуться в нормальное состояние. Следовательно, такой тормоз с вязким моментом для протезного сустава предрасположен к катастрофическим повреждениям, а следовательно, он ненадежен и вреден для безопасности человека без ноги.

Термин "клапанный режим" относится к управлению потоком МР жидкости через сопло путем применения переменного магнитного поля перпендикулярно направлению течения в том месте, где механический клапан используется в обычных тормозах с вязким моментом. Как недостаток, МР тормоз, работающий в "клапанном режиме", также развивает наращивание внутреннего давления жидкости и следовательно так же подвержен традиционному повреждению в результате давления, тем самым подвергая человека без ноги риску.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, как в части протезного коленного сустава, так и протезного узла, по технической сущности и достигаемому при использовании техническому результату, является управляемый электроникой протез коленного сустава, содержащий источник магнитного поля и магнитореологическую жидкость для получения изменяемого амортизирующего момента коленного сустава (DE 19754690 A (Biedermann Motech GMBH, 1999).

Сущность изобретения

Соответственно, одной главной целью и преимуществом настоящего изобретения является преодоление некоторых или всех упомянутых ограничений путем обеспечения протезного коленного сустава с изменяющимся моментом, приводимого в действие магнитореологически, при этом коленный сустав использует множество разнесенных и чередующихся роторов и статоров для сдвигания магнитореологической жидкости в промежутки, сформированные между ними. В качестве преимущества, при работе в "распределенном режиме" практически нет наращивания или изменения давления жидкости, либо оно совсем незначительно. Более того, желательно, чтобы многочисленные промежутки для МР жидкости или поверхности контакта с потоком позволяли получать высокий момент на низкой скорости, либо останавливаться без использования передачи, а также достигать широкого диапазона динамического момента и добавлять универсальности изобретению. Одно выполнение изобретения позволяет роторам и статорам закрывать промежутки между ними для создания составляющей фрикционного момента, тем самым формируя "гибридную" тормозную систему, которая обеспечивает общий момент или амортизацию, которые являются сочетанием вязкого момента и фрикционного момента.

В соответствии с одним предпочтительным выполнением предложен роторный протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически, для точного и скоростного управления движением нижней конечности. Этот протезный коленный сустав в общем случае содержит практически центральный сердечник и пару боковых пластин, множество помещенных с промежутками и чередующихся магнитно-мягких роторов и магнитно-мягких статоров, электромагнит, расположенный между сердечником и роторами и статорами, и пару подшипников. Сердечник и боковые пластины сформированы из магнитно-мягкого материала для создания магнитного возвратного контура. Роторы и статоры расположены так, чтобы формировать между собой промежутки. Промежутки содержат магнитореологическую жидкость, которая сдвигается во время вращения коленного сустава. Электромагнит реагирует на электрический сигнал для создания переменного магнитного поля, чтобы вызвать управляемое изменение вязкости магнитореологической жидкости. Подшипники находятся во вращательной связи с роторами и голенной частью нижней конечности для передачи стойкого к вращению момента от протезного коленного сустава на голенную часть.

В соответствии с другим предпочтительным выполнением предложен управляемый магнитореологический тормоз для искусственного коленного сустава для амортизации вращения коленного сустава. Магнитореологический коленный сустав в общем случае содержит множество установленных по очереди и разнесенных намагничиваемых роторов и намагничиваемых статоров, магнитореологическую жидкость и магнит. Роторы и статоры расположены концентрически вокруг продольной оси вращения искусственного коленного сустава. Магнитореологическая жидкость остается во множестве промежутков, сформированных между роторами и статорами. Магнит реагирует на прикладываемое напряжение и адаптируется, чтобы вырабатывать переменное магнитное поле, которое проходит через роторы, статоры и магнитореологическую жидкость. Сдвиг магнитореологической жидкости в промежутки между роторами и статорами создает изменяющийся момент, который точно управляет вращением искусственного коленного сустава.

В соответствии еще с одним предпочтительным выполнением предложен управляемый электроникой протезный коленный сустав для выработки широкого диапазона динамического момента. Протезный коленный сустав в общем случае содержит множество роторов, множество статоров и жидкость, приспособленную подвергаться реологическому изменению в ответ на приложенное магнитное поле. Роторы содержат железистый материал. Роторы могут вращаться и поперечно переноситься по продольной оси вращения протезного коленного сустава. Статоры содержат железистый материал и расположены с разнесением по очереди с роторами для формирования промежутков между ними. Статоры могут поперечно переноситься по оси вращения протезного коленного сустава. Жидкость остается в промежутках, сформированных между роторами и статорами. Приведение в действие магнитного поля вырабатывает управляемый изменяющийся момент амортизации коленного сустава во время вращения коленного сустава.

В соответствии еще с одним предпочтительным выполнением предложен вращающийся протезный коленный сустав для людей без ноги. Протезный коленный сустав в общем случае содержит вращающуюся внутреннюю рейку, множество роторов, находящихся в зацеплении с внутренней рейкой, множество статоров, расположенных с разнесением по очереди с роторами, внешнюю рейку, находящуюся в зацеплении со статорами, и магнитно управляемую среду, остающуюся во множестве герметичных промежутков между роторами и статорами. Магнитно управляемая среда приспособлена подвергаться управляемому изменению объемного свойства в ответ на приложенное магнитное поле, так что вращение роторов, которые сдвигают магнитно управляемую среду, точно управляется, а вращение протезного коленного сустава изменяемо амортизируется для обеспечения достаточно естественной походки для человека без ноги.

В соответствии с одним предпочтительным выполнением предложен магнитореологический тормоз с изменяющимся моментом для протезного коленного сустава. Тормоз в общем случае содержит практически центральный сердечник, первую боковую пластину, соединенную с первым концом сердечника, вторую боковую пластину, соединенную со вторым концом сердечника, и лопасть, способную вращаться и перемещаться в поперечном направлении, расположенную между первой боковой пластиной и второй боковой пластиной. Тормоз далее содержит магнитореологическую жидкость в паре микропромежутков, сформированных между лопастью и пластинами, и магнит для выработки такого магнитного поля, чтобы через сердечник, первую боковую пластину, вторую боковую пластину, лопасть и магнитореологическую жидкость создавалась магнитная цепь. Микропромежутки имеют размер, оптимально минимизированный так, что при нулевом значении магнитного поля между лопастью и боковыми пластинами практически нет фрикционного контакта, что позволяет протезному колену раскачиваться свободно и обеспечивать широкий динамический диапазон.

В соответствии с другим предпочтительным выполнением предложен управляемый вращающийся амортизатор для искусственного коленного сустава. Этот амортизатор в общем случае содержит множество разнесенных внутренних роторов и внешних роторов, множество пленок магнитореологической жидкости, пару боковых пластин и электромагнит. Внутренние роторы и внешние роторы установлены концентрически вокруг продольной оси протезного коленного сустава. Пленки магнитореологической жидкости находятся во множестве промежутков между внутренними роторами и внешними роторами. Пара боковых пластин с двух сторон сжимают внутренние роторы и внешние роторы, и по меньшей мере одна из боковых пластин может двигаться в поперечном направлении по продольной оси искусственного коленного сустава. Электромагнит приспособлен создавать магнитное поле через внутренние роторы, внешние роторы, магнитореологическую жидкость и боковые пластины. Относительное вращение между внутренними роторами и внешними роторами и поперечное движение по меньшей мере одной из боковых пластин вырабатывает изменяемый амортизирующий момент для управления вращением искусственного коленного сустава.

В соответствии с одним предпочтительным выполнением предложен способ быстрого и точного управления вращением электронного протезного коленного сустава. Протезный коленный сустав в общем случае содержит множество разнесенных в чередующемся порядке магнитно-мягких роторов, магнитно-мягких статоров и магнитореологической жидкости, находящейся во множестве промежутков, сформированных между роторами и статорами. Способ содержит операцию создания силы притяжения между роторами и статорами путем приложения магнитного поля, чтобы вызвать фрикционный контакт между соседними роторами и статорами. Это вызывает фрикционную амортизацию вращения протезного коленного сустава. Магнитореологическая жидкость, находящаяся в промежутках, сформированных между роторами и статорами, сдвигается для вязкой амортизации вращения упомянутого протезного коленного сустава. Магнитное поле регулируется для быстрого и точного изменения вязкости магнитореологической жидкости и силы притяжения между соседними роторами и статорами. Это обеспечивает изменяющееся вращательное сопротивление скручиванию для управления гибкостью и растягиванием протезного коленного сустава.

Для подытоживания изобретения и преимуществ, достигнутых по сравнению с аналогами, некоторые объекты и преимущества были описаны здесь выше. Конечно, должно быть понятно, что не все такие объекты и преимущества могут быть достигнуты в соответствии с любым конкретным выполнением изобретения. Таким образом, например, специалист поймет, что изобретение может быть воплощено или выполнено таким способом, который достигает или оптимизирует одно преимущество или группу преимуществ, как описано здесь, без необходимости достигать других объектов или преимуществ, как может быть описано или предложено здесь.

Имеется в виду, что все эти варианты выполнения входят в объем изобретения, раскрытый здесь. Эти и другие варианты выполнения настоящего изобретения будут ясны специалисту из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения, имеющих ссылки на приложенные чертежи, и изобретение не ограничивается любым(и) конкретным(и) описанным(и) предпочтительным(и) вариантом(-ами) выполнения.

Краткое описание чертежей

Подытожив таким образом общую природу изобретения и присущие ему характеристики и преимущества, некоторые предпочтительные выполнения и их модификации будут ясны специалисту из подробного описания со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг.1 является схематическим чертежом одного нормального цикла передвижения человека, иллюстрирующего различные положения конечности в фазах ходьбы и стояния на месте;

Фиг.2 является схематической иллюстрацией протезного комплекта для нижней конечности, содержащего управляемый электроникой протезный коленный сустав и имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.3 является упрощенным схематическим чертежом, показывающим обычную общую конфигурацию одного предпочтительного выполнения протезного коленного сустава по настоящему изобретению;

Фиг.4 является подробным изображением в разобранном виде протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.5 является видом поперечного сечения протезного коленного сустава по фиг.4;

Фиг.6 является видом в перспективе сердечника по фиг.4, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.7 является видом сбоку сердечника по фиг.6;

Фиг.8 является видом с торца сердечника по фиг.6;

Фиг.9 является видом спереди одной из боковых пластин сердечника по фиг.4, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.10 является видом сзади боковой пластины сердечника по фиг.9;

Фиг.11 является видом поперечного сечения по линии 11-11 на фиг.9;

Фиг.12 является увеличенным видом области 12-12 на фиг.11;

Фиг.13 является видом спереди объединенного сердечника и связанной с ним боковой пластины, имеющих характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.14 является видом поперечного сечения по линии 14-14 на фиг.13;

Фиг.15 является видом с торца внутренней рейки по фиг.4, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.16 является видом поперечного сечения по линии 16-16 на фиг.15;

Фиг.17 является увеличенным видом области 17-17 на фиг.16;

Фиг.18 является видом спереди одного из роторов по фиг.4, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.19 является видом сбоку ротора по фиг.18;

Фиг.20 является видом спереди одного из статоров по фиг.4, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.21 является видом сбоку статора по фиг.20;

Фиг.22 является видом в перспективе внешней рейки по фиг.4, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.23 является видом с торца внешней рейки по фиг.22;

Фиг.24 является видом сверху внешней рейки по фиг.22;

Фиг.25 является видом поперечного сечения по линии 25-25 на фиг.23;

Фиг.26 является видом в перспективе сердечника, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.27 является видом сбоку сердечника по фиг.26;

Фиг.28 является видом с торца сердечника по фиг.26;

Фиг.29 является видом в перспективе первой боковой пластины сердечника, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.30 является видом спереди боковой пластины сердечника по фиг.29;

Фиг.31 является видом сзади боковой пластины сердечника по фиг.29;

Фиг.32 является видом поперечного сечения по линии 32-32 на фиг.31;

Фиг.33 является увеличенным видом области 33-33 на фиг.32;

Фиг.34 является видом в перспективе второй боковой пластины сердечника, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.35 является видом сзади боковой пластины сердечника по фиг.34;

Фиг.36 является видом поперечного сечения по линии 36-36 на фиг.35;

Фиг.37 является видом в перспективе магнитной катушки, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.38 является видом сзади магнитной катушки по фиг.37;

Фиг.39 является видом поперечного сечения по линии 39-39 на фиг.38;

Фиг.40 является видом в перспективе внутренней рейки, имеющей характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.41 является видом сзади внутренней рейки по фиг.40;

Фиг.42 является видом сбоку внутренней рейки по фиг.40;

Фиг.43 является увеличенным видом области 43-43 на фиг.41;

Фиг.44 является увеличенным видом области 44-44 на фиг.42;

Фиг.45 является видом спереди ротора, имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.46 является видом сбоку ротора по фиг.45;

Фиг.47 является увеличенным видом области 47-47 на фиг.45;

Фиг.48 является видом спереди статора, имеющего характеристики и преимущества в соответствий с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения;

Фиг.49 является видом сбоку статора по фиг.48;

Фиг.50 является увеличенным видом области 50-50 на фиг.48; и

Фиг.51 является схематическим видом поперечного сечения другого предпочтительного выполнения протезного коленного сустава, приводимого в действие магнитореологически, в котором магнитный возвратный контур проходит через внешнюю часть коленного сустава.

Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения

Понимание нормального хождения/бега человека обеспечивает основу для конструкции и разработки эффективных протезов нижних конечностей с управляемым движением. Обычное передвижение или походка человека могут быть описаны как последовательность ритмических чередующихся движений нижних конечностей и туловища, которые выражаются в продвижении вперед центра тяжести тела.

Один типичный цикл походки, как схематически показано на фиг.1, содержит действие, которое проявляется между ударом пяткой одной нижней конечности 10 и последующего удара пяткой той же конечности 10. Конечность или нога 10 в общем случае содержит стопу 12, голенную часть 14, соединенную или сочлененную с бедренной частью 16 коленом или коленным суставом 18. В течение единственного цикла походки каждая нижняя конечность проходит одну фазу 20 стояния или вытягивания и одну фазу 22 ходьбы.

Фаза 20 стояния начинается с удара 24 пяткой, когда пятка касается пола или поверхности земли, и стоящее колено начинает слегка сгибаться. Это сгибание позволяет самортизировать воздействие и также поддерживает центр тяжести тела в более постоянном вертикальном положении при стоянии.

Сразу после удара 24 пяткой ступня контактирует с землей в начале фазы 26 плоской ступни. После того как в стоящем колене достигнуто наибольшее сгибание, сустав начинает снова вытягиваться, пока не будет достигнуто максимальное вытягивание в средней фазе стояния 28, когда вес тела переносится на поддерживающую конечность и продолжает вращать ступню.

Когда масса тела над лодыжкой продолжает вращаться вперед, пятка отрывается от земли в точке 30 отрыва пятки. Сразу после этого тело продвигается вперед мощным действием икроножных мышц (отталкивание). Фаза отталкивания заканчивается, когда вся ступня отрывается от земли в точке 32 отрыва пальцев.

В момент окончания стояния колено опорной ноги сгибается в подготовке к отрыву ступни от земли для шага. На это явление в литературе обычно ссылаются как на "тормоз коленного сустава". В это время соседняя ступня ударяет по земле и тело находится в "режиме двойной опоры", то есть обе ноги поддерживают вес тела.

В точке 32 отрыва пальцев, когда бедро сгибается и колено достигает определенного угла в тормозе коленного сустава, ступня отрывается от земли и колено продолжает сгибаться в фазе ходьбы. В начале фазы ходьбы ступня ускоряется. После достижения максимального сгиба в средней фазе 34 ходьбы колено начинает выпрямляться и ступня замедляется. После того как колено достигло полного выпрямления, ступня снова опускается на землю в точке 24' удара пятки, и начинается следующий цикл передвижения.

Обычно анатомическим положением является вертикальное положение, поэтому сгибание является движением тела частично из выпрямленного, стоящего или анатомического положения. Таким образом, сгибание коленного сустава является коленным сгибанием. Выпрямление является движением конечности в анатомическое положение, таким образом, выпрямление коленного сустава является движением в направлении "выпрямления".

В процессе обычного перемещения ходьбой в основном по ровной поверхности максимальный угол α_F сгибания меняется от 70° до 80°. Максимальный угол α_E выпрямления обычно равен 180° или близок к нему. Таким образом, при ходьбе по равнине обычное колено человека вращается в диапазоне примерно 70°-80° от положения полного выпрямления в ранней и средней фазе стояния до 70°-80° сгибания сразу после отрыва пальцев. В других ситуациях, например, в сидячем положении, максимальный угол α_F сгибания может быть 140°-150°.

Обзор системы

Фиг.2 является схематической иллюстрацией протезного комплекта или протеза 100 для нижней конечности, содержащего управляемый электроникой протезный коленный сустав и имеющего характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения. Как описано ниже с большими подробностями, предпочтительно, чтобы активный коленный протез содержал магнитореологическую (МР) тормозную систему 110 с изменяющимся моментом для обеспечения сил сопротивления, чтобы практически моделировать положения и движения естественного коленного сустава при хождении и/или другой передвижной деятельности, выполняемой человеком без ноги. Одним концом искусственное колено 110 связано или механически соединено с углублением 102 для оставшейся конечности, которое принимает оставшуюся конечность или бедренную часть 104 человека без ноги, тогда как другой конец протезного коленного сустава 110 связан или механически соединен с опорной или голенной частью 106, которая, в свою очередь, связана или механически соединена с протезной или искусственной ступней 108.

В качестве преимущества, протезный коленный сустав по настоящему изобретению позволяет человеку без ноги передвигаться и/или комфортно и безопасно адаптироваться к большому множеству обстоятельств. Например, при хождении, беге, сидении, либо при обнаружении небольших или серьезных изменений в окружающей среде или внешних условиях, таких как те, когда пользователь поднимает чемодан или идет вниз по наклонной поверхности.

Искусственный коленный сустав 110 обеспечивает контроль за стоянием для ограничения прогиба, когда на конечность прикладывается вес. Кроме того, протезный коленный сустав 110 обеспечивает воздушный контроль за ходьбой, так что колено достигает полного выпрямления прямо перед или в момент удара пяткой плавным и естественным образом. Более того, протезный коленный сустав 110 путем регулировки и/или тонкой настройки диапазона и/или величины уровня резистивного момента может быть приспособлено для использования широким кругом пациентов, имеющих различный вес тела, рост и уровни активности.

Предпочтительно искусственный коленный сустав 100 по настоящему изобретению используется для пациентов с трансбедренной ампутацией (выше коленного сустава, В/К). Альтернативно или опционально, протезный коленный сустав может быть приспособлен для использования пациентами с экзартикуляцией коленного сустава (Э/К), когда ампутация проходит через коленный сустав, как необходимо или желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения в основном естественного ощущения и/или безопасного протезного устройства, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь.

Фиг.3 является упрощенным схематическим чертежом вращающегося протезного коленного сустава или магнитореологической (МР) тормозной системы 110 в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения. Коленный привод 110 включает в себя практически центральный сердечник 112, в основном окруженный или обернутый электромагнитом или магнитной катушкой 114, и находится в механическом соединении с парой боковых пластин или дисков 116, 118. Путем пропускания переменного управляемого тока через электромагнит 114 создается переменное магнитное поле. Предпочтительно сердечник 112 и боковые пластины 116, 118 изготавливаются из железистого, намагничиваемого или магнитного материала и т.п. Более предпочтительно, сердечник 112 и боковые пластины 116, 118 изготавливаются из магнитно-мягкого материала с высокой индукцией насыщения и высокой магнитной проницаемостью.

Протезный коленный сустав 110 далее включает в себя множество внутренних лопастей или пластин 120, находящихся в механической связи с внутренней рейкой 122. Внутренняя рейка 122 в общем случае описывает или окружает электромагнит 114 и связана или механически соединена с боковыми пластинами 116, 118. Лопасти 120 предпочтительно расположены концентрически вокруг тормозной оси 124 вращения. Внутренняя рейка 122 предпочтительно способна вращаться вокруг оси 124 вращения коленного сустава, а следовательно, также и лопасти или роторы 120 и боковые пластины 116, 118 сердечника. Вращение внутренней рейки 122 соответствует вращению или движению нижней (ниже коленного сустава) части ноги.

Протезный коленный сустав 110 также содержит множество внешних лопастей или пластин 130 в механической связи с внешней рейкой 132. Внешняя рейка 132 в общем случае окружает или обертывает внутреннюю рейку 122. Лопасти 130 предпочтительно расположены концентрически вокруг тормозной оси 124 вращения. Внешняя рейка 132 предпочтительно способна вращаться вокруг оси 124 вращения коленного сустава, а следовательно, так же вращаются и лопасти или статоры 130. Вращение внешней рейки 132 соответствует вращению или движению верхней (выше коленного сустава) части ноги. Предпочтительно внешняя рейка или корпус 132 содержит средство облегчения соединения протезного коленного сустава 110 с пригодным углублением для культи или ему подобным. Внешняя рейка 132, а следовательно, и статоры 130 предпочтительно либо связаны без вращения с углублением для культи или с оставшейся конечностью, либо без возможности вращения по отношению к нему.

Множество роторов 120 и статоров 130 разнесены в чередующемся порядке и промежутки между соседними лопастями 120 и 130 содержат магнитореологическую (МР) жидкость 134, которая, таким образом, остается в полости или проходе, сформированном между внутренней рейкой 122 и внешней рейкой 132. В одном предпочтительном выполнении МР жидкость 134 в промежутках или микропромежутках между соседними роторами 120 и статорами 130 находится в форме тонких смазочных пленок между соседними роторами 120 и статорами 130. Сдвиг МР жидкости, происходящий между боковыми пластинами 116, 118 и соседними статорами 130, также может внести вклад в амортизацию коленного сустава.

Во время вращения коленного сустава, МР жидкость во множестве промежутков между роторами 120 и статорами 130 сдвигается для выработки амортизирующего момента для управления вращением конечности. Лопасти или диски 120 и 130 предпочтительно сформированы из железистого, намагничиваемого или магнитного материала и т.п. Более предпочтительно, лопасти или диски 120 и 130 сформированы из материала с высокой магнитной проницаемостью и магнитной мягкостью, так как это механически практично.

Коленный сустав 110 далее включает в себя пару шарикоподшипников 126, 128, соединенных или связанных с соответствующими боковыми пластинами 116, 118. Шарикоподшипники 126, 128 далее соединены или связаны с соответствующими боковыми стенками или крепежными вилками 136, 138. Таким образом, между внутренней рейкой 122 и монтажными вилками 136, 138 создается вращательное соединение. Монтажные вилки 136, 138 в сочетании с внешней рейкой 132 формируют один основной внешний каркас коленного сустава 110. Предпочтительно, боковые стенки или монтажные вилки 136, 138 содержат средства для облегчения соединения протезного коленного сустава 110 с пригодной опорой, голенной частью или чем-то подобным, как описано ниже.

Предпочтительно, центральный сердечник 112 и электромагнит 114 также вращаются вместе с вращением внутренней рейки 122, роторов 120, боковых пластин 116, 118 сердечника и крепежных вилок 136, 138. Статоры 130 вращаются вместе с вращением внешней рейки 132.

Роторы 120 закреплены с возможностью вращения относительно внутренней рейки 122, а статоры 130 закреплены с возможностью вращения относительно внешней рейки 132. Роторы 120 могут вращаться в течение различных этапов передвижения или вращения коленного сустава и вокруг оси вращения 124 коленного сустава, тогда как статоры 130 практически неподвижны в отношении вращения, либо статоры 130 могут вращаться, тогда как роторы 120 практически неподвижны в отношении вращения, либо как роторы 120, так и статоры 130 могут одновременно вращаться, либо быть практически неподвижными в отношении вращения. Термины "ротор" и "статор" используются, чтобы разделить внутренние лопасти 120 и внешние лопасти 130, хотя как роторы 120, так и статоры 130 могут вращаться, и показать, что между роторами 120 и статорами 130 создается относительное вращательное движение (с МР жидкостью, которая начинает сдвигаться в промежутки между соседними роторами 120 и статорами 130). Если требуется, лопасти 120 можно называть "внутренними роторами", а лопасти 130 можно называть "внешними роторами".

Приведение магнита 114 в действие заставляет вырабатывать или создавать в коленном суставе 110 магнитное поле, цепь или контур 140. В одном предпочтительном выполнении магнитное поле 140 проходит через центральный сердечник 112, выходит в радиальном направлении наружу через боковую пластину 118, в поперечном направлении через разнесенный набор роторов 120 и статоров 130 и магнитореологическую жидкость 134, и в радиальном направлении внутрь через боковую пластину 116. Часть магнитного поля 140, проходящая через сердечник 112 и боковые пластины 116, 118, в общем случае определяет магнитный возвратный контур, тогда как активное или функциональное магнитное поле в общем случае определяется магнитным контуром через роторы 120, статоры 130 и МР жидкость 134.

Магнитореологическая (МР) жидкость 134 подвергается изменению реологии или вязкости, которое зависит от величины приложенного магнитного поля. В свою очередь, это изменение вязкости жидкости определяет величину сдвигающей силы/усилия, выработанного момента или сопротивления скручиванию, а следовательно, и степень амортизации, обеспечиваемой протезным коленом 110. Таким образом, путем управления величиной этого магнитного поля управляется вращательное движение искусственной конечности, например, для управления сгибанием и выпрямлением во время фаз ходьбы и стояния на месте, чтобы обеспечить более естественное передвижение человека без ноги.

В одном предпочтительном выполнении роторы 120 и/или статоры 130 могут переноситься в поперечном направлении 142, а следовательно, под воздействием магнитного поля могут тереться о соседние роторы 120 и/или статоры 130 с переменным усилием, определяемым напряженностью магнитного поля, для создания "гибридного" магнитореологического и фрикционного амортизирующего тормоза. В другом предпочтительном выполнении роторы 120 и статоры 130 зафиксированы в продольном направлении в положении относительно планок 122 и 132, и следовательно тормозящий эффект в основном чисто магнитореологический или вязкий. Альтернативно, некоторые роторы 120 и/или статоры 130 могут быть зафиксированы в продольном направлении, тогда как остальные могут смещаться в продольном направлении, как требуется или как желательно, с уделением должного внимания целям обеспечения практически естественного ощущения и/или безопасного протезного устройства, и/или достижения одной или более выгод и преимуществ, как описано или предложено здесь. В одном выполнении боковые пластины 116, 118 могут смещаться в поперечном направлении и способствовать фрикционной амортизации из-за фрикционного контакта с соседними статорами 130.

Является преимуществом тот факт, что при работе в распределенном режиме в протезном колене, приводимом в действие магнитореологически, по настоящему изобретению не имеется либо имеется совсем незначительное наращивание давления. Это существенно устраняет или уменьшает шансы на утечку жидкости и повреждение коленного сустава, а следовательно, желательно увеличивает безопасность устройства.

Также является преимуществом тот факт, что множественные поверхности сдвига или поверхности контакта с потоком, обеспеченные предпочтительными вариантами выполнения настоящего изобретения, ведут себя как усилитель момента и позволяют уровню вязкого момента останавливаться на желаемом максимальном значении без использования дополнительной передачи или другой вспомогательной составляющей. Например, если две поверхности контакта с потоком могут обеспечить максимальный вязкий момент примерно 1 Н/м, то 40 поверхностей контакта с потоком будут способны обеспечить вязкий амортизирующий момент примерно 40 Н/м. Напротив, если для увеличения вязкого момента используется повышающая передача 40:1, как недостаток, нежелательно увеличиваются не только инерция, отраженная системой, усиленная коэффициентом 1600, но и вес, размер и сложность системы.

Множественные поверхности сдвига или поверхности контакта протезного коленного сустава в предпочтительных вариантах выполнения также в качестве преимущества позволяют достигать широкого диапазона динамического момента, что обеспечивает безопасное и/или более естественное передвижение пациента. Желательно, чтобы протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически, в предпочтительных вариантах выполнения, обеспечивал быструю и точную реакцию. Опять-таки, это позволяет пациенту передвигаться безопасным и/или более естественным образом.

Протезный коленный сустав, приводимый в действие магнитореологически

Фиг.4 и 5 показывают управляемый вращательный протезный коленный сустав 210, имеющий характеристики и преимущества в соответствии с одним предпочтительным выполнением настоящего изобретения. Протезный коленный сустав 210 вырабатывает управляемые рассеивающие усилия, предпочтительно в основном вдоль или вокруг оси вращения 224 коленного сустава.

Управляемое электроникой колено 210 в общем случае содержит практически центральный сердечник 210, находящийся в механической связи с парой способных вращаться боковых пластин 216, 218, электромагнит 214, множество лопастей или роторов 220, находящихся в механической связи со способно