МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ПРОТЕЗ РУКИ Российский патент 1995 года по МПК A61F2/56 

Известен многофункциональный активный протез руки, который содержит искусственную электромеханическую кисть, наплечник, приводные устройства и исполнительные механизмы сгибания плеча и предплечья, сгибания кисти, ротации кисти, три усилителя мощности, датчик управления с преобразователями сигналов и электромеханический переключатель.

Известное устройство позволяет осуществлять одновременное и независимое управление двумя исполнительными механизмами ориентации кисти, а также одновременно механизма кисти.

Недостатком этого устройства является низкая скорость выполнения рабочей операции при одновременном выполнении движений сгибания-разгибания плеча и предплечья, так как оператор-инвалид должен следить за движением двух независимых активных шарниров.

Известно также устройство для управления исполнительными механизмами протезов рук с внешним источником энергии, которое содержит наплечник с корпусом, шарнирно соединенным с подпружиненным рычагом управления, снабженным плечевой накладкой и два потенциометра.

Недостатком известного устройства является невозможность его использования для управления связным движением звеньев протеза путем позиционирования надплечья в вертикально-сагиттальной плоскости, что увеличивает время выполнения рабочих операций.

Известен также многофунциональный активный протез руки, частично устраняющей указанные недостатки.

Устройство содержит искусственную электромеханическую кисть с электроприводом и исполнительным механизмом схвата, наплечник, датчики независимого управления, приводные устройства и исполнительные механизма сгибания плеча и предплечья, сгибания и ротации кисти, а также три усилителя мощности, преобразователи сигналов, два датчика управления связными движениями, два датчика углов, два сумматора и четыре функциональных преобразователя, а также плоский двузвенник в виде шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости.

Недостатком известного устройства являются малые функциональные возможности, что объясняется низкой скоростью выполнения рабочих операций, так как в одновременном связном движении участвует только два активных шарниров, а остальные, за исключением кисти, не имеют постоянной готовности к работе и требуют дополнительных затрат времени на выбор и переключение очередной пары приводов.

Кроме того, недостатком устройства также являются малые функциональные возможности, так как оно обеспечивает возможность связного позиционного управления только двумя активными шарнирами протеза, что является минимальным их числом. Кроме того, устройство управления размещено внутри наплечника. В этом случае управляющие перемещения надплечья ограничены размерами наплечника и весьма малы. Размеры двухзвенного кинематического аналога тоже малы и не превышают размеров зоны перемещений надплечья внутри наплечника, в связи с чем масштаб копирования линейных перемещений также мал. Соответственно чем меньше масштаб копирования, тем ниже точность отслеживания управляющих движений и, как следствие, больше требуется коррекций положения исполнительного устройства в процессе работы, а следовательно, больше времени выполнения рабочих операций.

Целью изобретения является повышение функциональных возможностей, а именно сокращение времени выполнения протезов рабочих операций путем увеличения числа звеньев, участвующих в связном движении, то есть путем использования связного движения не только звеньев плеча и предплечья, но и кисти, а также за счет увеличения общего количества активных шарниров, постоянно готовых к работе. А также повышение точности координирования связных движений звеньев протеза путем расширения масштаба копирования и функциональной возможности управления, кроме того, повышение надежности путем обеспечения податливости устройства управления при отклонениях от вертикально-сагиттальной плоскости.

Поставленные цели достигаются тем, что многофункциональный активный протез руки, содержащий искусственную электромеханическую кисть с электроприводом и исполнительным механизмом схвата, наплечник, датчик независимого управления, приводные устройства и исполнительные механизмы сгибания плеча и предплечья, сгибания и ротации кисти, а также три усилителя мощности, преобразователи сигналов, два датчика управления связным движением, два датчика углов, два сумматора и четыре функциональных преобразователя, а также плоский двузвенник в виде шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости, снабжен дополнительным третьим датчиком управления связным движением, третьим датчиком угла, третьим сумматором, пятым и шестым функциональными преобразователями, двумя концевыми выключателями привода сгибания кисти, четвертым и пятым усилителями мощности с соответствующими приводами, при этом первый и второй датчики управления посредством первого преобразователя сигналов соединены с первым усилителем мощности, который соединен с первым приводом, а третий и четвертый датчики управления посредством второго преобразователя сигналов соединены с вторым усилителем мощности, который соединен с вторым приводом, причем первый и второй функциональные преобразователи соединены с третьим усилителем мощности, подключенным к третьему приводу, который выполнен с двумя концевыми выключателями, третий и четвертый функциональные преобразователи соединены с четвертым усилителем мощности, подключенным к четвертому приводу, а пятый и шестой функциональные преобразователи соединены с пятым усилителем мощности, подключенным к пятому приводу.

Кроме того, цели достигаются тем, что в устройстве на конце первого рычага плоского двузвенника закреплен третий потенциометр, подключенный через блок управления к приводу сгибания кисти, и его ось соединена с базовым кронштейном-фиксатором начальных координат, закрепленным на поясе оператора-инвалида, при этом первый и второй потенциометры, подключенные через блок управления соответственно к приводам сгибания предплечья и плеча, закреплены на втором рычаге, причем ось первого потенциометра соединена с вторым концом первого рычага, ось второго посредством кронштейна - с нижней частью наплечника, причем плоский двузвенник в исходном положении развернут на оси второго потенциометра на 180^о в вертикально-сагиттальной плоскости относительно исходного положения исполнительного устройства.

Кроме того, ось третьего потенциометра с рычагом-аналогом звена кисти посредством упругого звена прикреплена к подпружиненному поводку, соединенному с базовым кронштейном-фиксатором начальных координат с возможностью перемещения вертикально вниз.

Предложенная конструкция многофункционального активного протеза руки в совокупности новых признаков ранее не применялась и позволяет получить дополнительный эффект, а именно повысить функциональность активного протеза руки за счет сокращения времени выполнения рабочих операций путем увеличения числа звеньев, участвующих в связном движении и повышения точности координирования движений.

На фиг.1 представлена структурная схема многофункционального активного протеза руки, обеспечивающего сгибание-разгибание плеча и предплечья, а также кисти; на фиг.2 - двузвенник для управления связным движением протеза руки.

Многофункциональный активный протез руки содержит наплечник 1, исполнительные механизмы 2-8, датчики индивидуального независимого управления 9, 10, 11, 12, датчики управления связным движением 13, 14, 15, преобразователи сигналов 16, 17, датчики углов 18, 19, 20 сгибания плеча, предплечья и кисти, усилители мощности 21, 22, 23, 24, 25, приводные устройства 26, 27, 28, 29, 30, три сумматора 31, 32, 33, шесть функциональных преобразователя 34, 35, 36, 37, 38, 39, два концевых выключателя 40, 41.

Каналы индивидуального независимого управления приводами определяются такими цепями элементов.

Датчики 9, 10 соединены с преобразователем сигналов 16, который соединен с усилителем мощности 24, подключенным к приводному устройству 29, и соединенному с исполнительным механизмом 4 ротации кисти. Аналогично датчики 11, 12 соединены с преобразователем сигналов 17, который соединен с усилителем мощности 25, подключенным к приводному устройству 30, соединенному с исполнительным механизмом кисти.

Каналы связного управления приводами определяются следующими цепями составляющих элементов.

Датчики 15, 20 соединены с сумматором 33, который подключен к функциональным преобразователям 38, 39. Эти преобразователи соединены с усилителем мощности 23, который подключен к приводному устройству 28, соединенному с исполнительным механизмом 3 сгибания кисти. Исполнительный механизм 3 снабжен концевыми выключателями 40, 41, соединенными с усилителем мощности 23.

Датчики 14, 19 соединены с сумматором 32, который подключен к функциональным преобразователям 36, 37, соединенным с усилителем мощности 22, а усилитель мощности подключен к приводному устройству 27, соединенному с исполнительным механизмом 5 сгибания предплечья. Датчики 13, 18 соединены с сумматором 31. Сумматор подключен к функциональным преобразователям 34, 35, соединенным с усилителем мощности 21, который подключен к приводному устройству 26. Приводное устройство соединено с исполнительным механизмом 8 сгибания плеча.

Устройство работает следующим образом.

Управление приводами 30 кисти и 29 ротации кисти осуществляется с использованием каналов индивидуального управления. Приводы 30 и 29 постоянно готовы к работе в режимах прямого и реверсивного движениях по сигналам от датчиков соответственно 9, 10 и 11, 12. Оператор-инвалид, воздействующий на один из датчиков прямого или реверсного движения, например 11 или 1, подает сигнал управления на преобразователь сигнала 17, далее сигнал поступает на усилитель мощности 25, с которого подается на приводное устройство 30, приводящее в действие исполнительный механизм 2 кисти.

Управление ротацией кисти выполняется по аналогичной схеме. Сигнал с одного из датчиков 9 или 10 поступает на преобразователь сигналов 16, далее через усилитель мощности 24 - на приводное устройство 28, приводящее в движение исполнительный механизм 4.

Управление связным движением сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти осуществляют воздействием надплечья на устройство управления. При этом происходит одновременное воздействие на датчики 13, 14, 15.

Сигналы, например, датчика 13 (задающего датчика плеча) и с датчика угла 18 (датчика обратной связи по положению плеча) поступают на сумматор 31 и после преобразования посредством функциональных преобразователей 34, 35 поступают на усилитель мощности 21, который управляет работой приводного устройства 26 и соответственно исполнительным механизмом 8.

Контуры управления исполнительными механизмами 5 предплечья и 3 сгибания кисти аналогичны и работают по той же схеме.

Система управления суставами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти представляет собой позиционную следящую систему, где задающие воздействия U_з с датчиков управления 13, 14, 15 сравнивают соответственно с уровнем сигналов с датчиков обратной связи U_о.с., т.е. с датчиков углов 18, 19, 20. Сравнение осуществляют посредством сумматоров 31, 32, 33, а далее сигналы поступают через функциональные преобразователи 34, 35, 36, 37 и 38, 39 на усилители мощности 21, 22, 23.

Определяется величина сигнала рассогласования ΔU - по каждому каналу управления.

Изменением полярности сигнала Δ U обеспечивается реверс привода, а изменением его величины - скорость движения выходного вала. При Δ U= 0 происходит остановка привода и, таким образом, позиционирование соответствующего исполнительного механизма при достижении соответствующими датчиками 13, 14, 15 углов поворота звеньев протеза.

Для исключения перегибания кисти в процессе слежения за пределы антропоморфности с целью исключения работы двигателя на упоре в крайних точках сгибания установлены концевые выключатели 40, 41.

Плоский двузвенник, представляющий собой устройство управления, выполнен в виде кинематического аналога исполнительного устройства по трем степеням подвижности, а именно по сгибанию- разгибанию звеньев плеча, предплечья и кисти.

Устройство содержит рычаги 42, 43, кронштейн 44, базовый кронштейн 45 с поводком 46, снабженным упругим звеном 47 и пружиной 48, а также рычаг 49 - аналог звена кисти, ограничитель хода 50, регулирующий поджатие пружины 48, и пояс 51.

Датчики управления 13, 14 установлены на концах рычага 42, при этом ось датчика 13 посредством кронштейна 44 присоединена к наплечнику 1, рычаг 43 установлен на подвижной оси датчика 14, а на конце рычага 43 закреплен датчик 15, ось которого соединена с рычагом 49 - аналогом звена кисти. Рычаг 49 посредством гибкого звена 47 с поводком 46 соединен с базовым кронштейном 45, закрепленным на поясе 51. При этом поводок установлен в кронштейне 45 с возможностью вертикального поступательного перемещения. Поводок подпружинен пружиной 48 и удерживается ею в верхнем крайнем положении, которое ограничивается посредством ограничителя хода 50, прикрепленного к поводку.

Функционирование осуществляется в такой последовательности.

Инвалид, перемещая надплечье с закрепленным на нем наплечником 1 в вертикально-сагиттальной плоскости, приводит к движение кронштейн 44, на котором закреплен плоский кинематический аналог исполнительного устройства. При этом концевое звено плоского рычажного механизма рычаг 49 сохраняет свое положение относительно пояса 51, на котором закреплен. В процессе движения кронштейна 44 приходит в движение плоский рычажный механизм, совершая эволюции синхронные движениям надплечья.

При взаимных поворотах рычагов 42, 43 происходит разворот осей или корпусов датчиков 13, 14, 15, которые таким образом вырабатывают сигналы, пропорциональные углам поворота рычага 42, 43, относительно друг друга, кронштейна 44 и рычага 49. Движение надплечья при исполнении данного устройства может осуществляться в пределах наибольшей зоны подвижности надплечья и совместно с поясничной подвижностью, что позволяет в несколько раз увеличить рабочий ход механизма. Благодаря этому может быть в 2-3 раза увеличен масштаб копирования следящей системы устройств, а следовательно, повышена ее точность.

Рычаг 49, сохраняя свое положение относительно кронштейна 45, обеспечивает постоянное положение кисти в процессе манипулирования, например горизонтальное. Компенсацию избыточной подвижности и отклонение от вертикальной плоскости осуществляют за счет податливости упругого звена 47 и поводка 46, имеющего возможность движения вниз.

Предложенное устройство протеза может быть применено после одностороннего и двустороннего вычленения плечевых суставов, а также после наиболее тяжелых травм плечевого пояса - вычленения ключицы и лопатки.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении удобства оператора-инвалида в процессе одновременного управления несколькими суставами. Увеличение числа таких суставов, а также увеличение числа суставов, постоянно готовых к работе, повышение точности манипулирования способствует снижению напряженности в работе оператора-инвалида, сокращению времени целенаправленной ориентации искусственной руки в пространстве рабочей зоны, приближению действий протеза к естественным.

Время выполнения рабочих операций с помощью предлагаемых устройств по сравнению с прототипами сокращается не менее чем в 1,5 раза.

Использование: изобретение относится к области медицины, а именно к протезам верхних конечностей. Изобретение позволяет сократить время выполнения протезом рабочих операций, повысить точность координированных связных движений протеза и повысить надежность устройства управления. Сущность изобретения: устройство содержит функционально связанные между собой наплечник, исполнительные механизмы, датчики индивидуального независимого управления, датчики управления связным движением, преобразователи сигналов, датчики углов, усилители мощности, приводные устройства, три сумматора, функциональные преобразователи, два концевых выключателя, кроме того, рычаги, кронштейн, базовый кронштейн с поводком, снабженным упругим звеном и пружиной, а также рычаг - аналог звена кисти, ограничитель хода, регулирующий поджатие пружины, и пояс. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ПРОТЕЗ РУКИ, содержащий искусственную электромеханическую кисть с электроприводом и исполнительным механизмом схвата, наплечник, два потенциометра, датчики независимого управления, приводные устройства и исполнительные механизмы сгибания плеча и предплечья, сгибания и ротации кисти, а также три усилителя мощности, преобразователи сигналов, два датчика управления связным движением, два датчика углов, два сумматора и четыре функциональных преобразователя, плоский двузвенник в виде шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости, отличающийся тем, что он снабжен третьим датчиком управления связным движением, третьим датчиком угла, третьим сумматором, пятым и шестым функциональными преобразователями, двумя концевыми выключателями привода сгибания кисти, четвертым и пятым усилителями мощности с соответствующими приводами, при этом первый и второй датчики управления посредством первого преобразователя сигналов соединены с первым усилителем мощности, который соединен с первым приводом, а третий и четвертый датчики управления посредством второго преобразователя сигналов соединены с вторым усилителем мощности, который соединен с вторым приводом, причем первый и второй функциональные преобразователи соединены с третьим усилителем мощности, подключенным к третьему приводу, который выполнен с двумя концевыми выключателями, третий и четвертый функциональные преобразователи соединены с четвертым усилителем мощности, подключенным к четвертому приводу, а пятый и шестой функциональные преобразователи соединены с пятым усилителем мощности, подключенным к пятому приводу. 2. Протез по п.1, отличающийся тем, что на конце первого рычага закреплен третий потенциометр, подключенный через блок управления к приводу сгибания кисти, и его ось соединена с базовым кронштейном-фиксатором начальных координат, закрепленным на поясе оператора-инвалида, при этом первый и второй потенциометры, подключенные через блок управления соответственно к приводам сгибания предплечья и плеча, закреплены на втором рычаге, причем ось первого потенциометра соединена с вторым концом первого рычага, ось второго посредством кронштейна - с нижней частью наплечника, причем плоский двузвенник в исходном положении развернут на оси второго потенциометра на 180^o в вертикально-сагиттальной плоскости относительно исходного положения исполнительного устройства. 3. Протез по п.1, отличающийся тем, что ось третьего потенциометра с рычагом-аналогом звена кисти посредством упругого звена прикреплена к подпружиненному поводку, соединенному с базовым кронштейном-фиксатором начальных координат с возможностью перемещения вертикально вниз.