МЕХАНИЗМ КОЛЕННОГО ШАРНИРА Российский патент 1995 года по МПК A61F2/64 

Изобретение относится к машиностроению в области медицинской техники, а именно к протезированию нижних конечностей.

Известны протезы бедра, в которых механизм коленного шарнира выполнен в виде верхней опорной площадки, нижнего кронштейна, переднего и заднего звена, соединяющихся с помощью кинематических пар вращения.

Недостатком данного устройства является недостаточная величина уменьшения функциональной длины протеза в фазе переноса, что пpиводит к значительным компенсаторным движениям и асимметрии при ходьбе.

Известен механизм коленного шарнира протеза бедра, содержащий опорную площадку для крепления к гильзе бедра, кронштейн для крепления трубки голени и соединенных между собой с помощью переднего (кривошипа) и заднего (кулисы) звеньев через вращательные и поступательные кинематические пары.

Недостатком указанного механизма коленного шарнира протеза бедра является нагружение поступательной кинематической пары (кулиса-ползун) максимальным изгибающим моментом в фазе опирания на протез.

Данное явление приводит к быстрому износу (разбалтыванию) поступательной кинематической пары, появлению люфтов, стуков и т.д. в механизме коленного шарнира, делающим невозможным его дальнейшую эксплуатацию.

Сущность изобретения заключается в том, что в механизме коленного шарнира, содержащего верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра, нижний кронштейн для крепления трубки голени, соединенных передним и задним звеном с помощью вращательных и поступательной кинематических пар, верхняя опорная площадка и нижний кронштейн снабжены выступами с упорными поверхностями, взаимодействующими между собой, а переднее звено выполнено в виде скобы, защищающей указанные выступы с упорными поверхностями.

Техническим результатом изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание механизма коленного шарнира кулисного типа с повышенным ресурсом, за счет исключения воздействия максимального изгибающего момента на поступательную кинематическую пару в фазе опирания на протезе.

На фиг. 1 изображен предлагаемый механизм коленного шарнира в сагиттальной плоскости; на фиг.2 - промежуточное положение деталей и звеньев механизма в процессе ходьбы (отклонение трубки голени на угол ϕ); на фиг.3 - схема нагружения нижнего кронштейна с ползуном механизма коленного шарнира (кулисного типа) в фазе опирания; на фиг.4 - схема нагружения нижнего кронштейна с ползуном предлагаемого механизма коленного шарнира в фазе опирания.

Механизм коленного шарнира протеза бедра состоит из верхней опорной площадки 1 с выступом 2, содержащим упорную поверхность 3, нижнего опорного кронштейна 4 с выступом 5, содержащим упорную поверхность 6, и соединяемого с трубкой голени с помощью клеммного зажима 7. Верхняя опорная площадка 1 и нижний кронштейн 4 соединены между собой передним звеном 8, выполненным в виде скобы, с помощью цилиндрических шарниров 9 и 10, а также задним звеном 11 (кулиса) с помощью цилиндрического шарнира 12 и поступательной кинематической пары в виде ползуна 13, жестко соединенного с нижним кронштейном 4.

Эластичный демпфер 14 закреплен на верхней опорной площадке 1 в выступе 2 с выступанием за упорную поверхность 3, служит для исключения стука и демпфирования при динамичном соприкосновении упорных поверхностей 3 и 6 в процессе ходьбы.

Декоративный колпачок 15 служит для придания необходимых внешних обводов и косметичности.

В фазе опирания на протез упорные поверхности 3 и 6 механизма коленного шарнира находятся в соприкосновении, образуя силовую связь. При повороте коленного шарнира (на угол ϕ) в фазе переноса упорные поверхности 3 и 6 перемещаются по соответствующим траекториям, не препятствуя друг другу, за счет поворота переднего 8 и заднего 11 звеньев.

Подкосоустойчивость протеза бедра с данным механизмом коленного шарнира обеспечивается за счет смещения осей шарниров 9, 10 и 12 назад относительной линии действия силы тяжести.

Под действием указанных на фиг.3 внешних воздействий М и Q, а также реакций R₁, R₂, R₃ и R₄ нижний кронштейн и жестко связанный с ним ползун находятся в равновесии.

Уравнения равновесия имеют следующий вид:
1. R₁sin α = R₃-R₂
2. R₁cos α = R₄ + Q 3. Σ M_b= 0 R₂ h + R₁ ˙ cos α l₁-R₁ ˙ sin α l₃ = M
Система 3 уравнений имеет четыре неизвестных.

Дополнительное уравнение, определяющее соотношение реакций R₂ и R₃, определяется из условия равновесия заднего звена (кулиса)
R₂ ˙ l₂ = R₂(l₂ + h) где М - изгибающий момент;
Q - масса протезируемого;
R₁ - усилие от переднего звена;
R₂ и R₃ - усилие (боковые) на ползун от заднего звена;
R₄ - осевая (упорная) сила на кронштейн от заднего звена в фазе опирания.

Под действием указанных на фиг.4 внешних воздействий М и Q, а также реакций R₅, R₆ и Т нижний кронштейн 4 и жестко связанный с ним ползун 13 находятся в равновесии.

Уравнения равновесия имеют следующий вид:
1. Q + R₅ ˙cosβ=R₆˙cosβ+T˙sinβ
2. R₆ ˙sinβ-Tcosβ=R₅˙sinβ
3. Tl₄ + R₆ ˙ l₅ = M где R₅ - усилие от переднего звена 8;
R₆ - нормальное усилие на упорную площадку 6 от упорной площадки 3;
Т - касательное усилие на упорную площадку 6.

Из сравнения приведенных на фиг.3 и 4 схем нагружения видно, что в предлагаемом механизме коленного шарнира отсутствуют боковые усилия (в направлении, перпендикулярном оси поступательной кинематической пары) на ползун 13 от воздействия заднего звена (кулиса) 11.

Создание в механизме коленного шарнира замкнутой силовой связи посредством упорных площадок 3 и 6 (на верхней опорной площадке 1 и нижнем кронштейне 4) исключает поперечное нагружение поступательной кинематической пары заднего звена 11 (кулиса) и ползуна 13 (жестко связанного с кронштейном 4) и, как следствие, позволяет повысить ресурс механизма (увеличить срок эксплуатации протеза).

Использование: изобретение относится к машиностроению в области медицинской техники, а именно к протезированию нижних конечностей. Механизм коленного шарнира протеза бедра позволяет увеличить ресурс за счет исключения воздействия максимального изгибающего момента на поступательную кинематическую, пару в фазе опирания на протез. Существо изообретения: механизм содержит верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра, нижний кронштейн для крепления трубки голени, соединенных передним 8 и задним звеном 11 через вращательные и поступательные кинематические пары. Верхняя площадка и нижний кронштейн имеет выступы с опорными поверхностями, взаимодействующими между собой. Переднее звено выполнено в виде скобы, защищающей выступы площадки и кронштейна. 4 ил.

МЕХАНИЗМ КОЛЕННОГО ШАРНИРА, содержащий опорную площадку для крепления гильзы бедра, кронштейн для крепления трубки голени, соединенные передним и задним звеньями при помощи вращательных и поступательных кинематических пар, отличающийся тем, что переднее звено выполнено в виде скобы, при этом на опорной площадке и кронштейне выполнены выступы с упорными поверхностями для взаимодействия между собой.