Протез предплечья на расщепленную культю

 

Использование: изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам протезирования. Существо изобретения: Протез содержит гильзу предплечья 1, искусственную кисть 33 с электроприводом схвата, электропривод ротации кисти 29, исполнительные механизмы 45, задающий рычаг 12, закрепленный на лучевой бранше 2, каналы управления схватом и ротацией, включающие датчики управления 8, сумматоры 46, импульсные преобразователи 47, 48 и усилители мощности 49, контуры электрической и механической обратной связи. Задающий рычаг 6 скреплен с задающим ротором 7 датчика 8 управления канала схвата кисти, задающий статор 9 которого с возможностью поворота размещен в подшипнике кронштейна с рычагом, конец которого шарнирно соединен с задающим ротором датчика управления канала ротации кисти, статор 15 которого закреплен на поворотной части гильзы предплечья, причем задающий ротор каждого датчика управления соединен с роликом соответствующего задающего статора посредством упругого элемента 21, а оси датчиков управления расположены взаимно перпендикулярно. Во втором варианте исполнения электроприводы схвата 27 и ротации 39 устанавливаются, например, на поясе или гильзе предплечья инвалида-оператора и кинематически связываются с соответствующими исполнительными механизмами посредством гибких тросовых передач, протез повышает удобство управления благодаря связанным движениям схвата и ротации кисти, сокращается время целенаправленных действий в пространстве рабочей зоны, движения приближаются к естественному виду. Обеспечивается непрерывный чувствительный контроль за двигательной ситуацией. Протез повышает уровень социально-трудовой реабилитации инвалида с расщепленной культей предплечья. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, в частности, к протезированию.

Известен протез на расщепленную культю предплечья с электрическим приводом и контактной системой управления (См. "Справочник по протезированию", под ред. В.И.Филатова, изд. "Медицина", Лениниградское отделение, 1978, с. 141, 142, рис. 74, 75).

В гильзе предплечья протеза фиксируется локтевая бранша. Для управления используется подвижность лучевой бранши. В дистальной части гильзы располагаются два контакта датчика, один из которых срабатывает при пронационно-приводящих движениях лучевой бранши, а другой при супинационно-отводящих, что соответствует схвату кисти и пронационной ротации, либо раскрытию кисти и супинационной ротации.

Устройство содержит исполнительные механизмы схвата и ротации, электроприводы, датчики управления, блок коммутации и импульсный преобразователь.

В зависимости от резкости нажатия на кнопку датчика выполняется та или иная функция и изменяется скорость ее выполнения.

К недостаткам устройства можно отнести недостаточную точность выполнения двигательного акта ввиду дискретности работы канала управления.

Известен также протез предплечья на расщепленную культю, содержащий гильзу предплечья, внутри которой зафиксирована локтевая бранша, искусственную кисть с электроприводом и исполнительным механизмом схвата, задающий рычаг, закрепленный на лучевой бранше, канал управления схватом кисти, включающий датчик управления, сумматор (балансовый усилитель), импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи (См. SU, авторское свидетельство N 1662548, кл. A 61 F 2/56).

К недостаткам устройства можно отнести узкие функциональные возможности ввиду отсутствия механизмов ротации, а также отсутствие компенсации нежелательной возможности обгона датчиком управления по угловому положению исполнительного механизма, что приводит к потере контроля за двигательной ситуацией оператором-инвалидом.

Наиболее близким по технической сущности является протез предплечья на расщепленную культю по а.с. N 1724209, кл. A 61 F 2/56, содержащий гильзу предплечья, внутри которой зафиксирована локтевая бранша, искусственную кисть и исполнительный механизм схвата с электроприводом, электропривод ротации кисти, задающий рычаг, закрепленный на лучевой бранше, канал управления схватом кисти, включающий датчик управления, сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, канал управления ротацией кисти, включающий датчик управления (См. SU, авторское свидетельство N 1724209, кл. A 61 F 2/56).

К недостаткам известного протеза можно отнести недостаточную точность отслеживания движений ротации ввиду дискретности процесса управления (отсутствие пропорционального отслеживания), невозможность одновременного управления ротацией и схватом кисти, что приводит к потере естественности движений, а также отсутствие компенсации нежелательной возможности обгона датчиком управления по угловому положению исполнительного механизма, что приводит к потере контроля за двигательной ситуацией оператором-инвалидом.

В процессе создания устройства по первому варианту исполнения были поставлены следующие задачи: повышение качества управления протезом; расширение функциональных возможностей; повышение удобства управления протезом; повышение уровня социально-трудовой реабилитации инвалидов с расщепленной культей предплечья.

Указанные задачи реализованы с помощью обеспечения следующих характеристик: повышение точности отслеживания движений ротации кисти; обеспечение одновременного связанного управления ротацией и схватом кисти; обеспечение непрерывного контроля за двигательной ситуацией оператором-инвалидом; сокращение времени выполнения целенаправленных действий в пространстве рабочей зоны.

Для решения указанных задач в первом варианте исполнения в протез, содержащий гильзу предплечья, внутри которой зафиксирована локтевая бранша, искусственную кисть с исполнительным механизмом схвата и электроприводом, электропривод ротации кисти, задающий рычаг, закрепленный на лучевой бранше, канал управления схватом кисти, включающий датчик управления, сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, канал управления ротацией кисти, включающий датчик управления, а именно, в канал управления схватом кисти введен контур механической обратной связи в виде гибкой тросовой передачи, кинематически связывающий ротор электропривода с задающим статором датчика управления, а в канал управления ротацией кисти дополнительно введены сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, причем, выход датчика обратной связи соединен со входом сумматора, на выходе которого включены импульсные преобразователи, соединенные с усилителем мощности, на выходе которого включен электропривод; задающий рычаг скреплен с задающим ротором датчика управления канала схвата кисти, задающий статор которого с возможностью поворота размещен в подшипнике кронштейна с рычагом, конец которого шарнирно соединен с задающим ротором датчика управления канала ротации кисти, статор которого закреплен на поворотной части гильзы предплечья, причем, задающий ротор каждого датчика управления соединен с роликом соответствующего статора посредством упругого элемента, а оси датчика управления расположены взаимно перпендикулярно.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема протеза по первому варианту исполнения, на фиг. 2 кинематическая схема протеза по второму варианту исполнения, на фиг. 3 функциональная схема протеза (для обоих вариантов исполнения).

Устройство по первому варианту исполнения выполнено следующим образом (см. фиг. 1).

Расщепленная культя содержит локтевую 1 и лучевую 2 бранши, которые размещены в гильзе предплечья 3. Локтевая бранша 1 зафиксирована в ложементе 4, закрепленном внутри гильзы предплечья 3. На окончание лучевой бранши 2 надето кольцо 5 с возможностью скольжения вдоль бранши 2 на небольшую величину за счет податливости ее кожно-мышечных тканей. К кольцу 5 шарнирно присоединен задающий рычаг 6, прикрепленный к задающему ротору 7 датчика управления 8, задающий статор 9 которого с возможностью поворота, но без возможности осевого смещения размещен в подшипнике 10 кронштейна с рычагом 11, конец которого шарнирно соединен с концом рычага 12, скрепленного с задающим ротором 13 датчика 14, задающий статор 15 которого с помощью кронштейна 16 закреплен на поворотной части 17 гильзы предплечья 3.

Оси датчиков управления 8 и 14 расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Задающие статоры 9 и 15 датчиков управления 8 и 14 соответственно имеют ролики 18 и 19, соединенные с соответствующими задающими роторами 7 и 13 с помощью упругих элементов 20 и 21.

Поворотная часть 17 гильзы предплечья 3 вращается во фланцевом подшипнике 22. На оси 23 поворотной гильзы 17 установлен ролик 24, соединенный тросовой передачей 25 с роликом 26, установленным на оси электропривода 27, закрепленного на гильзе 3. Ось 23 соединена также с ротором датчик обратной связи 28, статор которого закреплен во внутренней полости гильзы 3.

Поворотная часть гильзы 17, ось 23, ролик 24 и искусственная кисть 33 образуют исполнительный механизм ротации кисти 29.

На оси 23 закреплен подшипник скольжения 30, в котором с трением поворачивается ось 31, обеспечивая тугую пассивную подвижность сгибания кисти. На оси 31 закреплен кронштейн 32, на котором установлена искусственная кисть 33 и шарнирно закреплены внешние плечи рычага большого пальца 34 и рычага блока пальцев 35. Внутреннее плечо 36 рычага большого пальца 34 с помощью шатуна 37 шарнирно связано с роликом 38, закрепленным на оси электропривода 39, установленного на кронштейне 32, на котором установлен также датчик обратной связи 40, ротор которого также скреплен с осью электропривода. Внутреннее плечо 41 рычага блока пальцев 34 шарнирно с помощью тяги 42 связано с шарниром, расположенным в промежуточной точке внутреннего плеча 36 рычага большого пальца 34. Ролик 38 соединен гибкой механической передачей, содержащей тросы 43, размещенные в гибких оболочках 44, с роликом 18 статора 9 датчика 8.

Электропривод 39, ролик 38, шатун 37, двуплечие рычаги 34/36 и 35/41 и тяга 42 образуют исполнительный механизм схвата кисти 45.

Канал управления схватом кисти (см. фиг. 3) представляет собой следящую систему, включающую последовательно соединенные задающий рычаг 6, задающий ротор 7 датчика управления 8, упругий элемент 20, ролик 18, задающий статор 19 датчика управления 8, сумматор 46, импульсные преобразователи 47 и 48, включенные параллельно друг другу, усилитель мощности 49 и электропривод 39 на оси которого закреплены ролик 38 и ротор датчика обратной связи 40, электрически соединенный со вторым входом сумматора 46.

Канал управления ротацией кисти (см. фиг. 3) представляет собой следящую систему, включающую последовательно соединенные задающий рычаг 6, задающий ротор 13 датчика управления 14, упругий элемент 21, ролик 19, задающий статор 15 датчика управления 14, сумматор 50, импульсные преобразователи 51 и 52, включенные параллельно друг другу, усилитель мощности 53 и электропривод 27, на оси которого закреплен ролик 26, связанный тросовой передачей 25 с роликом 24 закрепленным на оси 23, с которой связан датчик обратной связи 28, электрически соединенный со вторым входом сумматора 50. С внешним плечом рычага большого пальца 34 связаны конечные выключатели 54, 55, подключенные к усилителю мощности 49, а с поворотной частью 17 гильзы 3 конечные выключатели 56, 57, подключенные к усилителю мощности 53.

Устройство по первому варианту исполнения работает следующим образом.

Работа устройства возможна в режиме раздельного управления только схватом кисти или только ротацией кисти, либо в режиме связного управления обоими движениями.

В режиме раздельного управления схватом кисти (исходным считается состояние сомкнутого схвата) инвалид осуществляет вертикальное перемещение вверх лучевой бранши 3, например, из нижнего положения (бранши 1 и 2 сомкнуты). При этом, происходит смещение кольца 5 и задающего рычага 6 и соответствующий поворот задающего рычага 6 и соответствующий поворот задающего ротора 7 датчика управления 8 относительно его задающего статора 9 против часовой стрелки.

Электрический сигнал рассогласования от датчика управления 8 поступит на первый вход сумматора 46, преобразуется на импульсном преобразователе 47 (или на преобразователе 48 при сигнале другого знака) в серию импульсов определенной ширины и скважности, усиливается на усилителе мощности 49 и далее поступит на электропривод 39, вращение которого передается ролику 38. Вращательное движение ролика 48 против часовой стрелки преобразуется в поступательно-качательное движение шатуна 37 по чертежу влево, которое вызывает качательное движение двуплечего рычага 34/36 против часовой стрелки, а также кинематически связанного с ним двуплечего рычага 35/41 по часовой стрелке, что приводит к срабатыванию исполнительного механизма 45 и раскрытию схвата кисти. Закрытие схвата кисти происходит в обратном порядке при управляющем движении лучевой бранши 2 вниз на смыкание с локтевой браншей 1. По мере отработки следящей системой сигнала рассогласования увеличивающийся сигнал обратной связи с датчика 40 поступает на второй ("отрицательный") вход сумматора 46, выходной сигнал которого все более уменьшается и при достижении заданной позиции раскрытия схвата становится равным нулю и соответственно останавливается электропривод 39. "Списание" рассогласования осуществляется одновременно также с помощью дополнительной механической обратной связи от ролика 38, размещенного на оси электропривода 39, на ролик 18 задающего статора 9 датчика управления 8 с помощью гибкой механической передачи тросами 43 в оболочках 44.

В режиме раздельного управления ротацией кисти (исходным состоянием считает расположение рычагов 34/36 и 35/41 и лучевой бранши 2 в вертикальной плоскости (инвалид осуществляет смещение лучевой бранши 2, например, вправо от себя. При этом, происходит смещение кольца 5 и задающего рычага 6 также вправо. В этом же направлении сместится и кронштейн с рычагом 11, который повернет по часовой стрелке (при взгляде от инвалида) рычаг 12 и задающий ротор 13 датчика управления 14. Электрический сигнал рассогласования от датчика управления 14 поступит на первый вход сумматора 50, преобразуется на импульсном преобразователе 51 (или на преобразователе 52 при сигнале 52 другого знака) в серию импульсов определенной ширины и скважности, усиливается на усилителе мощности 53 и далее поступит на электропривод 27, вращение которого будет передано на ролик 24, срабатывает исполнительный механизм 45, который начнет разворачивать ось 23 ротации кисти по часовой стрелке (при взгляде от инвалида). Процесс ротации кисти против часовой стрелки происходит аналогично, но в обратном направлении.

По мере отработки следящей системой сигнала рассогласования увеличивающийся сигнал обратной связи с датчика обратной связи 28 поступает на второй ("отрицательный") вход сумматора 50, выходной сигнал которого все более уменьшается, при достижении заданной позиции угла ротации кисти становится равным нулю и соответственно останавливается электропривод 27. "Списание" рассогласования осуществляется одновременно с помощью дополнительной механической обратной связи вследствие поворота задающего статора 15 датчика управления 14, т.к. задающий статор 15 жестко скреплен с поворотной частью 17 гильзы 3.

Возможно также одновременное (связное) управление обоими движениями кисти, как схватом, так и ротацией. В этом случае, оператор перемещает лучевую браншу 2 относительно локтевой бранши 1 как в направлении "на раздвижение", так и в перпендикулярном "боковом" направлении. В этом случае происходит совместное отслеживание заданных позиций схвата и ротации кисти описанными выше следящими системами с электроприводами 27 (39) и исполнительными механизмами 29 (45).

Введенная в следящие системы дополнительная механическая связь не позволяет датчикам управления 8, 14 обгонять по угловому положению соответствующие исполнительные механизмы 29, 45 на нерегламентированную величину, превышающую пределы заданной деформации соответствующего упругого элемента 29 (21). Благодаря этому, процесс движения контролируется оператором-инвалидом постоянно. Утратить контроль за двигательной ситуацией становится невозможным. Кроме того при упоре исполнительного механизма в какой-либо предмет оператор-инвалид начинает ощущать его податливость (или жесткость) через задающее устройство, т.е. прямо через орган управления, что увеличивает естественность процесса управления.

Конечные выключатели 54-57 исключают раскрытие схвата или достижение углом ротации пределом антропоморфности, а также исключает работу электродвигателей на пусковых токах в крайних положениях звеньев (на упоре), в крайних точках их ходов.

Предлагаемое техническое решение по первому варианту исполнения повышает удобство оператора-инвалида при одновременном управлении движениями схвата и ротации кисти.

Повышается качество выполнения движений, в том числе их точность, за счет дублирования электрических обратных связей механическими, снижается напряженность в работе оператора-инвалида, сокращается время выполнения целенаправленных действий в пространстве рабочей зоны, движения приближаются к естественному виду.

Указанные качества достигаются благодаря автоматизации процесса с одновременным использованием кожно-мышечного сустава инвалида.

Заявленное техническое решение, по мнению авторов, не является очевидным, а его изобретательский уровень достаточно высок.

Возможность промышленного применения предполагаемого изобретения не вызывает сомнений, так как: устройство предназначено для применения в конкретной отрасли, а именно, в здравоохранении;
возможность реализации подтверждается с помощью представленных в описании технических средств;
устройство способно обеспечить заявленный авторами технический эффект;
возможность изготовления устройства реальна, т.к. применены традиционные узлы и детали доступные для освоения в производстве.

При создании устройства по второму варианту исполнения ставилась дополнительная задача снижение нагрузок оператора путем уменьшения масс и маховых моментов движущихся частей протеза.

Для решения указанной дополнительной задачи, наряду с решением задач, заявленных по первому варианту исполнения, в протез, содержащий гильзу предплечья, внутри которой зафиксирована локтевая бранша, искусственную кисть с исполнительным механизмом схвата и электроприводом, электропривод ротации кисти, задающий рычаг, закрепленный на лучевой бранше, канал управления схватом кисти, включающий датчик управления, сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, канал управления ротацией кисти, включающий датчик управления, а именно, в канал управления схватом кисти введен контур механической обратной связи в виде гибкой тросовой передачи, кинематически связывающий ротор электропривода с задающим статором датчика управления, а в канал управления ротацией кисти дополнительно введены сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, причем выход датчика обратной связи соединен со входом сумматора, на выходе которого включены импульсные преобразователи, соединенные с усилителем мощности, на выходе которого включен электропривод, при этом электроприводы схвата и ротации кисти кинематически связаны с соответствующими исполнительными механизмами посредством гибких тросовых передач и установлены, например, на поясе или гильзе предплечья инвалида-оператора; задающий рычаг скреплен с задающим ротором датчика управления канала схвата кисти, задающий статор которого с возможностью поворота размещен в подшипнике кронштейна с рычагом, конец которого шарнирно соединен с задающим ротором датчика управления канала ротации кисти, статор которого закреплен на поворотной части гильзы предплечья, причем задающий ротор каждого датчика управления соединен с роликом соответствующего статора посредством упругого элемента, а оси датчиков управления расположены взаимно перпендикулярно.

Устройство по второму варианту исполнения выполнено следующим образом (см. фиг. 2 и 3).

Описание устройства по поз. 1-57 полностью идентично с описанием устройства по первому варианту исполнения.

В устройстве по второму варианту исполнения электроприводы 27 и 39 установлены на дополнительных кронштейнах 58 и 59 соответственно, которые могут закрепляться например, на поясе или гильзе предплечья оператора-инвалида. Передача вращения от электропривода 27 с ролика 26 на ролик 24 оси 23 исполнительного механизма ротации кисти 29 осуществляется с помощью тросов 60, размещенных в гибких оболочках 61, образующих гибкую механическую передачу. Передача вращения от электропривода 39 с ролика 62 на ролик 63, закрепленный на оси 64 исполнительного механизма схвата кисти 45 осуществляется с помощью тросов 65, размещенных в гибких оболочках 66, образующих гибкую механическую передачу.

Работа устройства по второму варианту исполнения полностью идентична работе устройства по первому варианту исполнения.

Устройство по второму варианту исполнения полностью обеспечивает получение всех технических эффектов, достигнутых по первому варианту исполнения и дополнительно обеспечивает снижение нагрузок оператора путем уменьшения масс и маховых моментов движущихся частей протеза за счет снятия с них электроприводов и размещения их на поясе или на гильзе предплечья.

Возможность промышленного применения изобретения по второму варианту исполнения и доказательство этого положения идентичным таковым, представленным для первого варианта исполнения.

Формула изобретения

1. Протез предплечья на расщепленную культю, содержащий гильзу предплечья, внутри которой зафиксирована локтевая бранша, искусственную кисть с исполнительным механизмом схвата и электроприводом, электропривод ротации кисти, задающий рычаг, закрепленный на лучевой бранше, канал управления схватом кисти, включающий датчик управления, сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, канал управления ротацией кисти, включающий датчик управления, отличающийся тем, что в канал управления схватом кисти введен контур механической обратной связи в виде гибкой тросовой передачи, кинематически связывающей ротор электропривода с задающим статором датчика управления, а в канал управления ротацией кисти дополнительно введены сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, причем выход датчика обратной связи соединен со входом сумматора, на выходе которого включены импульсные преобразователи, соединенные с усилителем мощности, на выходе которого включен электропривод.

2. Протез по п.1, отличающийся тем, что задающий рычаг скреплен с задающим ротором датчика управления канала схвата кисти, задающий статор которого с возможностью поворота размещен в подшипнике кронштейна с рычагом, конец которого шарнирно соединен с задающим ротором датчика управления канала ротации кисти, статор которого закреплен на поворотной части гильзы предплечья, причем задающий ротор каждого датчика управления соединен с роликом соответствующего статора посредством упругого элемента, а оси датчиков управления расположены взаимоперпендикулярно.

3. Протез предплечья на расщепленную культю, содержащий гильзу предплечья, внутри которой зафиксирована локтевая бранша, искусственную кисть с исполнительным механизмом схвата и электроприводом, электропривод ротации кисти, задающий рычаг, закрепленный на лучевой бранше, канал управления схватом кисти, включающий датчик управления, сумматор, импульсный преобразователь, усилитель мощности и датчик обратной связи, канал управления ротации кисти, включающий датчик управления, отличающийся тем, что в канал управления схватом кисти введен контур механической обратной связи в виде гибкой тросовой передачи, кинематически связывающей ротор электропривода с задающим статором датчика управления, а в канал управления ротацией кисти дополнительно введены сумматор, импульсные преобразователи, усилитель мощности и датчик обратной связи, причем выход датчика обратной связи соединен со входом сумматора, на выходе которого включены импульсные преобразователи, соединенные с усилителем мощности, на выходе которого включен электропривод, при этом электроприводы схвата и ротации кисти кинематически связаны с соответствующими исполнительными механизмами посредством гибких тросовых передач и установлены, например, на поясе, гильзе предплечья инвалида-оператора.

4. Протез по п. 3, отличающийся тем, что задающий рычаг скреплен с задающим ротором датчика управления канала схвата кисти, задающий статор которого с возможностью поворота размещен в подшипнике кронштейна с рычагом, конец которого шарнирно соединен с задающим ротором датчика управления канала ротации кисти, статор которого закреплен на поворотной части гильзы предплечья, причем задающий ротор каждого датчика управления соединен с роликом соответствующего статора посредством упругого элемента, а оси датчиков управления расположены взаимно перпендикулярно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3