Искусственная стопа

 

Изобретение относится к медицинской технике Цель изобретения приближение характера ходьбы искусственной стопы к естественному. Синхронизацию работы устройства обеспечивают светодиод 1, фотодиод 2, первьш усилитель 3, первый 4 и второй 10 ждущие мультивибраторы, первая 5 и вторая 8 дифференцирующие цепочки, первый 6, второй 9 ограничители и триггер 1, В управлении работой стопы участвуют третий ждущий м шьтивибратор 11. ВТОРОЙ усилитель 12, канал 13 (Л 00 4 N со СП ю Фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (111 (5D 4 А 61 F 2 66

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3852343/28-14 (22) 30.01.85 (46) 15. 10.87. Бюл. В 38 (75) Л.А. Максименко (53) 615.475(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 806024, кл. А 61 F 2/66, 1981. (54) ИСКУССТВЕННАЯ СТОПА (57) Изобретение относится к медицинской технике, Цель изобретения приближение характера ходьбы искусственной стопы к естественному. Синхронизацию работы устройства обеспечивают светодиод 1, фотодиод 2, первый усилитель 3, первый 4 и второй

10 ждущие мультивибраторы, первая 5 и вторая 8 дифференцирующие цепочки, первый 6, второй 9 ограничители и триггер 7. В управлении работой стопы участвуют третий ждущий мультивибратор 11. второй усилитель 1?, канал 13

1344350! отрицательной обратной связи и усилитель 14 мощности. Конструкция стопы

15 состоит из верхней возвратной пружины 16, сердечника 17 из немагнитного материала, железного сердечника

18, верхней 19 и нижней 20 направляющих, соленоида 21, штока 22 голени

23, шарнира 24 привода, шарнира 25 голеностопного сустава, стопы 26, Изобретение отйосится к медицине и может быть, в частности, использовано в протезировании при конструировании искусственных протезов ног человека и в конструкциях шагающих аппаратов.

Цель изобретения — приближение характера ходьбы искусственной стопы к естественному.

На фиг.1 изображена блок".схема искусственной стопы и схематически показаны устройство стопы и принцип ее работы; на фиг.2 " эпюры напряжений с выхода блоков устройства при движении ноги вперед и назад в пределах одного периода, на фиг.3 — график процесса демпфирования колебаний стопы в конце отталкивания при выполнении движений.

Устройство состоит из светодиода

1 (фиг. 1), фотодиода 2, первого усилителя 3, первого ждущего мультивибратора 4, первой дифференцирующей цепочки 5, первого ограничителя 6, триггера 7, второй дифференцирующей цепочки 8, второго ограничителя 9, второго ждущего мультивибратора 10.

Перечисленные элементы обеспечивают синхронизацию работы устройства.

Далее устройство состоит из тре-. тьего ждущего мультивибратора 11, второго усилителя 12, канала 13 отрицательной обратной связи и усилителя 14 мощности. Эти элементы участвуют в управлении работой искусственной стопы 15. Конструкция искусственной стопы 15 состоит из верхней возвратной пружины 16, сердечника 17 из немагнитного материала, железного сердечника 18, верхней направляющей

40 опорной площадки 27, нижней возвратной пружины 28, верхней 29 и нижней

30 опоры. Светодиод 1 и фотодиод 2 укреплены на противоположных сторонах ног напротив друг друга. При этом в момент сближения ступней ног световой поток светодиода 1 попадает на фотодиоц 2. 3 ил. !

19, нижней направляющей 20, соленоида 21, штока 22 голени †корпу 23, шарнира 24 привода, шарнира 25 голеностопного сустава, собственно стопы

26, опорной площадки 27, нижней воз вратной пружины 28, верхней опоры

29 и нижней опоры 30. Канал 13 отрицательной обратной связи состоит из последовательно включенного пикового детектора„ усилителя и интегрирующей цепочки. Усилитель 12 имеет два входа с блоков 11 и 13, соединяющиеся через развязывающие резисторы на базе транзистора усилителя 12, работающего в режиме класса С. Светодиод 1 и фотодиод 2 укреплены на противоположных сторонах ног напротив. друг друга с таким расчетом, чтобы световой поток светодиода 1 попадал на фотодиод 2 в момент сближения ступеней противоположных ног.

Искусственная стопа работает следующим образом.

При движении в момент прохождения обеих ног вертикального положения световой луч светодиода 1 попадает на фотодиод 2, на выходе которого возникает ЭДС в виде импульса 31 (фиг.1 и 2), который усиливается усилителем 3. Усиленный импульс 31 поступает на запуск первого ждущего мультивибратора 4, с выхода которого снимается импульс 32 прямоугольной формы. Длительность импульса регулируется ° После прохождения первой дифференцирующей цепочки 5 прямоугольный импульс 32 дифференцируется на два остроконечных импульса 33 положительной и отрицательной полярности.

Первый ограничитель 6 пропускает

1344350

3 только импульсы 34 отрицательной полярности, которые поступают на .запуск триггера 7, с выхода которого снимаются импульсы прямоугольной формы 35, После прохождения через вторую дифференцирующую цепочку 8 импульсы 35 разделяются на импульсы 36 положительной и отрицательной полярности.

Второй ограничитель 9 пропускает только импульсы 37 положительной по- 10 лярности, Эти импульсы запускают второй ждущий мультивибратор 10 с выхода которого снимается прямоугольный импульс 38 регулируемой длительности.

Этот широкий импульс 38 поступает в 15 качестве напряжения питания на третий ждущий мультивибратор 11, генерирующий серию коротких импульсов 39, количество которых при неизменной частоте определяется длительностью 20 широкого импульса 38. Серия коротких импульсов 39 проходит через усилитель

12 и поступает с его выхода на последовательно соединенные пиковый детектор, усилитель и интегрирующую цепочку канала 13 отрицательной обратной связи и одновременно с выхода усилителя 12 поступает на усилитель

14 мощности. Одновременно с выхода блока l3 сигналы поступают на вход усилителя 12. Блок 13 с усилителем l2 замыкают канал отрицательной обратной связи. Блок 13 под действием пришедшего первого импульса генери- рует экспоненциальное напряжение, нарастающее по экспоненте к 20 мс и угасающее также по экспоненте к

300 мс. Полярность этого двухкомпонентного напряжения противоположна полярности импульса, поступающего на вход блока 12 от блока 11, Блок

13 является колебательным звеном.

С выхода блока 12 за счет действия отрицательной обратной связи, образованной колебательным звеном блока

13, снимается импульсное напряжение

41, переходной процесс которого носит колебательно-затухающий режим.

Колебательно-затухающий режим полу50 чается за счет колебательного процесса суммирования двухкомпонентных экспонент, формируемых блоком 13.

Каждый пришедший импульс вызывает свое двухкомпонентное экспоненциаль- 5 ное напряжение, пропорциональное амплитуде вызвавшего его импульса, поступающего в канал отрицательной обратной связи. Экспоненты суммируют4 ся и поступают с выхода блока 13 на блок 12. После усиления усилителем

14 мощности усиленные импульсы типа

41 с колебательно-затухающим переход. ным процессом поступают на обмотку соленоида 21.

Сгибание стопы происходит следующим образом.

Под действием пришедшего импульсного напряжения вида 41 соленоид 21 создает магнитное поле. Под действием магнитного поля железный сердечник

18 втягивается внутрь соленоида. Железньп4 сердечник жестко связан со штоком 22, который перемещается вдоль направляющих 19 и 20. При этом преодолевается сопротивление пружин 16 и 28. Немагнитный сердечник 17 сделан несколько большего диаметра, чем шток 22, для того, чтобы пружина 16 при сжатии упиралась на верхнюю часть немагнитного сердечника 17 и не изгибалась. Движение штока 22 вверх приводит к сгибанию механизма стопы 26 относительно голеностопного шарнира

25. Дальнейшее движение штока 22 вверх приводит к отталкиванию стопы от земли 27. Опоры 29 и 21 укреплены непосредственно на голени 23. Свободному перемещению стопы способствует шарнирное соединение 24 штока 22 со стопой 26.

Устройство предназначено для конструирования искусственной стопы одной ноги (левой или правой). Поэтому устройство управления движением стопы реагирует только на импульс "Назадн

31, который образуется при движении ноги вперед и в момент прохождения ногой вертикального положения. От импульса Вперед" 31 устройство управления не срабатывает благодаря режиму работы триггера 7. Короткие импульсы

39 управления формируются с задержкой относительно импульса "Назад", необходимой для постановки ноги на опору после прохождения вертикального положения при движении ноги вперед. В момент постановки ноги на опору (или чуть позже) на соленоид поступают короткие импульсы 40, вызывая ее сгибание. Задержка начала сгибания регулируется длительностью импульса 32, а продолжительность сгибания регулируется длительностью импульса 38. Оптимальный режим сгибания подбирается частотой следования коротких импульсов 39, их длительностью и амплиту1344350 дой. Следующее сгибание стопы происходит после появления очередного импульса "Назад" 31 и т,д. каждый раз после появления очередного импульса

"Назад". Разгибание стопы осуществляется после прекращения серии коротких импульсов 40. Гашение упругих колебаний стопы в конце процесса сгибания наглядно иллюстрирует фиг.3.

Если бы сигнал управления подавался 10 на обмотку соленоида в виде немодулированных импульсов 39 (фиг.2), то переходной процесс сгибания стопы проходил бы по инерции по колебательнозатухающему режиму 41, т.е. стопа ра- 15 ботала бы в режиме перерегулирования .и движения были бы прыгающими. Однако из-за того, что на привод подается модулированный сигнал вида 40 с огибающей 42, то в.момент положительного20 выброса 41 сгибания стопы управляющий сигнал 40, уменьшается по амплитуде, предотвращая перерегулирование. А в момент следующей за положительной полуволной (+) отрицательной полувол- 25 ной (-) сгибающая управляющего сигнала с отрицательной полярности (-) переходит в положительную полярность (+), компенсируя вторичное перерегулирование. Огибающие кривых 41 и 42 30 находятся в противофазе в виде зеркальных отображений, Поэтому движения стопы при сгибании происходят плавно по кривой 43.

Формула и з обретения

Искусственная стопа, содержащая корпус, голеностоп, амоптизатор и фг МЮ . УР

1 электромеханический привод, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью приближения характера ходьбы искусст-, венной стопы к естественному путем исключения колебаний стопы, в нее введен синхронизатор в виде последовательно соединенных светодиода, фотодиода, первого усилителя, ждущего мультивибратора,, блока дифференцирования, первого ограничителя, триггера, второго блока дифференцирования, второго ограничителя, второго и третьего ждущих мультивибраторов, второго усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, и усилителя мощности, электромеханическая стопа выполнена в виде верхней возвратной пружины, сердечника из немагнитного материала, железного сердечника, верхней и нижней направляющих, соленоида, штока, причем выход второго усилителя соединен с усилителем мощности, к выходу которого подключена обмотка соленоида, верхняя возвратная пружина соединена с сердечником из немагнитного материала, который соединен со штоком, шток соединен с железным сердечником, свободно перемещающимся внутри соленоида, а железный сердечник через продолжение штока соединен с нижним концом шарнира привода, сердечник из немагнитного материала и нижняя часть штока свободно перемещаются в вертикальном направлении вдоль направляющих, шарнир„ включающий спиральную пружину, соединяет голеностоп. со штоком, оР

1344350

Составитель В. Ваганов

Редактор M. Келемеш Техред А.Кравчук Корректор С.Черни

Заказ 4870/S Тираж 594

BHHHQH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

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