МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АКТИВНЫЙ ПРОТЕЗ РУКИ Российский патент 1996 года по МПК A61F2/56 

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к протезам верхних конечностей.

Известен многофункциональный активный протез руки, который содержит искусственную электромеханическую кисть с электроприводом, наплечник, 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, а также плоский двузвенник в виде шарнирно-соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости (SU, авт. св. N 1099438).

Недостатком известного устройства являются его малые функциональные возможности, что объясняется большим временем выполнения сложного двигательного акта, так как в одновременном связном движении участвуют только два активных шарнира, 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, устройство управления размещено внутри наплечника, что ограничивает зону управляющих движений, уменьшает масштаб копирования линейных перемещений, а следовательно, снижает точность и увеличивает время выполнения рабочих операций.

Известен протез руки, содержащий искусственную электромеханическую кисть с электроприводом и исполнительным механизмом cхвата, наплечник, датчики независимого управления, приводные устройства и исполнительные механизмы сгибания плеча и предплечья, сгибания и ротации кисти, а также пять усилителей мощности, преобразователи сигналов, три датчика управления связным движением, три датчика угла, три сумматора, шесть функциональных преобразователей, а также плоский двузвенник в виде шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости, а кроме того устройство содержит пояс и кронштейн-фиксатор начальных координат, соединенный с конечным звеном плоского двузвенника (Конструкции протезно-ортопедических изделий /Под ред. А. П. Кужекина. М. Легкая и пищевая промышленность, 1984, с. 161, рис. 165).

Недостатком известного устройства является то, что плоский двузвенник, представляющий собой прибор управления связным движением, обеспечивает управление системой приводов только с электрической обратной связью. В процессе управления плечевой пояс оператора-инвалида обладает значительно более высокими динамическими характеристиками, чем система приводов протеза. Благодаря этому обстоятельству оператор-инвалид при попытке ускоренной координации двузвенника обгоняет исполнительное устройство. Возникает такое рассогласование задающих и исполнительных осей в шарнирах связного движения, когда оператор-инвалид теряет контроль двигательной ситуации и вынужден ожидать согласования системы. Система согласуется автоматически. Время выполнения рабочей операции возрастает, оператор-инвалид не ощущает непредвиденного рассогласования системы и вынужден при наличии зрительной обратной связи производить коррекцию своих действий, теряя контроль за положением исполнительного устройства. Для восстановления контролируемого слежения двузвенник должен быть остановлен.

Задача изобретения сокращение времени выполнения рабочих операций путем повышения качества управления за счет введения принудительного согласования звеньев плоского двузвенника с исполнительным устройством.

Задача решается за счет того, что в многофункциональным активном протезе руки, содержащем искусственную электромеханическую кисть с электроприводом и исполнительным механизмом схвата, наплечник, датчики независимого управления, приводные устройства и исполнительные механизмы сгибания плеча и предплечья, сгибания и ротации кисти, а также усилитель мощности, преобразователи сигналов, три датчика управления связным движением, три датчика углов, три сумматора, шесть функциональных преобразователей, два концевых выключателя привода сгибания кисти, плоский двузвенник в виде шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости, пояс и кронштейн-фиксатор начальных координат, соединенный с конечным звеном первым рычагом плоского двузвеника, приводы плеча и предплечья каждый дополнительно снабжен двумя концевыми выключателями, а в каждый контур управления их связным движением дополнительно введены задающие ротор, статор и упругий элемент, причем концевые выключатели попарно соединены с соответствующими усилителями мощности и установлены с возможностью взаимодействия с выходными валами своих приводов, а каждый из датчиков управления плечом и предплечьем выполнен поворотным, при этом ротор и статор этих датчиков кинематически соединены соответственно с задающими ротором и статором, которые соединены друг с другом посредством упругого элемента, статор датчика управления электрически соединен с соответствующим ему преобразователем сигнала, а задающий статор соединен механически с исполнительным механизмом.

Кроме того, задача решается посредством того, что исполнительное устройство снабжено двумя роликами, закрепленными на предплечье и плече соосно с осями их сгибания, двумя промежуточными роликами, установленными шарнирно на оси сгибания плеча четырьмя тросами в гибких оболочках, выполненных, например, в виде спиральных пружин, навитых виток к витку, при этом второй конец первого рычага плоского двузвенника (аналога предплечья) соединен с первым задающим ротором, который установлен соосно с первым задающим статором, соединен с ним посредством упругого элемента и неподвижно соединен с ротором датчика управления связным движением предплечья, выполненным, например, в виде потенциометра, причем статор потенциометра соединен с задающим статором, выполненным с роликом и шарнирно установленным на первом конце второго рычага плоского двузвенника (аналога плеча), второй конец второго рычага соединен с кронштейном, закрепленным на наплечнике, второй задающий статор также выполнен с роликом, на оси второго задающего ротора установлены шарнирно два промежуточных ролика двузвенника, равные по диаметру промежуточным роликом исполнительного устройства, при этом на ролике первого задающего статора закреплены два троса гибкой механической передачи, которые через промежуточные ролики двузвенника, первую и вторую гибкие оболочки и промежуточные ролики исполнительного устройства соединены с роликами предплечья исполнительного устройства, а на ролике второго задающего статора также закреплены два троса гибкой механической передачи, которые через третью и четвертую гибкие оболочки соединены с роликом плеча исполнительного устройства.

Предлагаемая конструкция многофункционального активного протеза руки в совокупности новых признаков ранее не применялась и позволяет получить дополнительный эффект, а именно сократить время выполнения рабочих операций за счет введения принудительного согласования звеньев плоского двузвенника с исполнительным устройством.

На фиг. 1 представлена структурная схема многофункционального активного протеза руки, обеспечивающего одновременное сгибание-разгибание плеча, предплечья и кисти с принудительным согласованием задающих и исполнительных звеньев плеча и предплечья; на фиг. 2 кинематическая схема устройства.

Многофункциональный активный протез руки содержит наплечник 1, исполнительные механизмы 2 8, датчики индивидуального независимого управления 9 12, датчики управления связным движением 13 15, преобразователи сигналов 16 и 17, датчики углов 18 20 сгибания плеча, предплечья и кисти, усилители мощности 21 25, приводные устройства 26 30, три сумматора 31 33, шесть функциональных преобразователей 34 39, шесть концевых выключателей 40 45, задающего роторы 46 и 47, упругие элементы 48, 49 и задающие статоры 50 и 51.

Каналы индивидуального независимого управления приводами определяются такими цепями элементов.

Датчики 8, 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 и 12 соединены с преобразователем сигналов 17, который соединен с усилителем мощности 25, подключенным к приводному устройству 30, соединенному с исполнительным механизмом 2 схвата кисти.

Каналы связного управления приводами определяются следующими цепями составляющих элементов.

Датчики 15 и 20 соединены с сумматором 33, который подключен к функциональным преобразователям 38 и 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 и 41, соединенными с усилителем мощности 23.

Датчики 14 и 19 соединены с сумматором 32, который подключен к функциональным преобразователям 36 и 37, соединенным с усилителем мощности 22, а усилитель мощности подключен к приводному устройству 27, соединенному с исполнительным механизмом 5 сгибания предплечья. При этом концевые выключатели 42 и 43 исполнительного механизма 5 соединены с усилителем мощности 22. Кроме того, датчик 14 соединен с задающими ротором 46 и статором 50, связанными друг с другом посредством упругого элемента 48, а статор 50 соединен с исполнительным механизмом 5.

Датчики 13 и 18 соединены с сумматором 31, который подключен к функциональным преобразователям 34 и 35, соединенным с усилителем мощности 21, который подключен к приводному устройству 26. Приводное устройство соединено с исполнительным механизмом 8 сгибания плеча. При этом концевые выключатели 44 и 45 исполнительного механизма 8 соединены с усилителем мощности 21. Кроме того, датчик 13 соединен с задающими ротором 47 и статором 51, связанными друг с другом посредством упругого элемента 49, а статор 51 соединен также с исполнительным механизмом 8.

Предлагаемый многофункциональный активный протез руки состоит из задающей и исполнительной части. При этом кроме датчиков 13 15, задающих роторов 46 и 47, статоров 50, 51 и упругих элементов 48, 49 задающая часть содержит первый и второй рычаги 52, 53 двузвенника, кронштейн 54, кронштейн-фиксатор начальных координат 55, ролик задающего статора предплечья 56, ролик задающего статора плеча 57, тросы гибкой механической передачи 58 и 59 предплечья в гибких оболочках 60, 61 и плеча 62, 63 в гибких оболочках 64 и 65, а также промежуточные ролики 66.

В состав исполнительной части при этом входят ролик плеча 67 и ролик предплечья 68, два промежуточных ролика 69, а также крепежный фланец 70, кронштейн отведения плеча 71, гибкая механическая передача сгибания плеча в составе роликов 72, 73 и тросов 74, 75, звено плеча 76, гибкая механическая передача сгибания предплечья в составе роликов 77, 78 и тросов 79, 80 в гибких оболочках, также гибкие оболочки 81 и 82 исполнительной части тросов 58 и 59, звено предплечья 83. Кроме указанного устройство протеза содержит еще пояс 84.

Задающая часть, представляющая собой устройство управления, установлена на кронштейне 54, закрепленном на наплечнике 1. При этом на кронштейне 54 шарнирно установлен задающий статор 51 плеча с роликом 57. Статор 51 соединен со статором датчика 13, а с ротором датчика 13 соединен задающий ротор 47 плеча. Кроме того, на оси роторов установлены шарнирно два промежуточных ролика 66 двузвенника. При этом задающий ротор соединен с упругим элементом 49, установленным между двумя упорами задающего статора плеча. На задающем роторе 47 неподвижно закреплен второй рычаг 53 двузвенника, на котором также шарнирно установлен задающий статор 50 предплечья с роликом 56. Статор 50 соединен со статором датчика 14, а с ротором датчика 14 соединен задающий ротор 46 предплечья. При этом задающий ротор соединен с упругим элементом 48, установленным между двумя упорами задающего статора предплечья. На задающем роторе 46 неподвижно закреплен первый рычаг 52 двузвенника, на первом конце которого закреплен статор датчика 15. Ротор датчика 15 соединен с кронштейном-фиксатором начальных координат 55, который закреплен на поясе 84 инвалида-оператора.

На ролике 56 закреплены два троса 58 и 59, которые через промежуточные ролики 66 пропущены внутрь гибких оболочек 60, 61, закрепленных на кронштейне 54 с одной стороны и на кронштейне 71 исполнительного устройства с другой. Оба троса 58 и 59 проведены по промежуточным роликам 69 и далее через гибкие оболочки 81, 82 выведены на ролик 68 предплечья и закреплены на нем. На ролике 57 закреплены два троса 62 и 63, которые пропущены внутрь гибких оболочек 54, 65, закрепленных на кронштейне 54 с одной стороны и на кронштейне 71 исполнительного устройства с другой. Оба троса 62 и 63 выведены на ролик 67 плеча и закреплены на нем.

Ролик 67 плеча закреплен на оси сгибания плеча, с которой соединен ротор датчика 18, статор датчика 18 при этом соединен с роликом 72, закрепленным на кронштейне 1, который в свою очередь шарнирно с тугой подвижностью в плоскости отведения плеча закреплен на крепежном фланце 70 исполнительного устройства.

На оси сгибания плеча закреплено собственно звено плеча 76, на котором установлено приводное устройство 26 сгибания плеча, соединенное посредством гибкой механической передачи в составе ролика 78 и закрепленных на нем тросов 74 и 75 с роликом 72.

На звене 76 также установлено приводное устройство 27 cгибания предплечья, соединенных посредством гибкой механической передачи в составе ролика 77 и закрепленных на нем тросов проходящих в гибких оболочках 79 и 80 с роликом 78. Ролик 68 и 78 установлены на одной оси, оси сгибания предплечья, соединенной с ротором датчика 19. На звене плеча 76 также выполнен шарнир исполнительного механизма ротации 6 плеча с тугой пассивной подвижностью.

На звене предплечья 83, неподвижно соединенного с осью сгибания предплечья, установлено приводное устройство ротации кисти 29, на валу которого закреплен исполнительный механизм сгибания кисти 3, с осью которого соединены вал приводного устройства сгибания 28 кисти и ротор датчика 20. Сам привод 28 и статор датчика 20 соединены со звеном 83 предплечья.

С осью сгибания кисти также скреплено приводное устройство схвата кисти 2.

Многофункциональный активный протез руки работает следующим образом.

При перемещении надплечья вместе с наплечником 1 изменяется взаимное расположение кронштейнов 54 и 55. При этом кронштейн 55 начинает смещать звено 52, поворачивая ротор датчика 15 и задающий ротор 46, а также звено 53 и задающий ротор 47.

Задающий ротор 46 воздействует на упругий элемент 48 и смещается по угловому положению относительно задающего статора 50 с роликом 56 на величину, пропорциональную усилию воздействия, но не более чем до одного из упоров, между которыми размещен упругий элемент 48. Одновременно с поворотом задающего ротора поворачивается ротор датчика 14 связного движения, появляется рассогласование между положением осей датчика 14 и датчика угла 19 исполнительного устройства.

У приводного устройства 27 сгибания предплечья, управляемого сигналами рассогласования, приходит в движение выходной вал, например, в направлении сгибания предплечья. Предплечье 83 поворачивается, увлекая закрепленный на его оси ролик 68 предплечья, гибкая передача посредством тросов 58 и 59 поворачивает ролик 56 задающего статора 50 предплечья и одновременно статор датчика 14 в сторону уменьшения величины рассогласования. Таким образом, согласование положений задающей и исполнительной осей происходит по электрическому контуру двух датчиков 14 и 19, а также по механическому контуру двух осей (задающей и исполнительной) предплечья.

Задающее устройство в процессе управления не может обогнать исполнительное устройство, обеспечивая постоянный контроль положения исполнительного устройства.

Аналогично осуществляется управление движением звена плеча. Одновременно с надплечьем в движение приходят все звенья задающего устройства (двузвенника), в том числе, звено 53 (аналог звена плеча) с задающим ротором 47. Задающий ротор 47 воздействует на упругий элемент 49 и смещается по угловому положению относительно задающего статора 51 с роликом 57 на величину пропорциональную усилию воздействия. Это перемещение ограничено упорами, между которыми размещен упругий элемент.

Одновременно с поворотом задающего ротора поворачивается ротор датчика 13 связного движения, появляется рассогласование между положением осей датчика 13 и датчика угла 18 исполнительного устройства. У приводного устройства 26 сгибания плеча, управляемого сигналом рассогласования, приходит в движение выходной вал, например, в направлении сгибания плеча. Плечо 76 поворачивается, увлекая закрепленный на его оси ролик 67 плеча; гибкая передача посредством тросов 62 и 63 поворачивает ролик 57 со статором 51 и одновременно с закрепленным на нем статором датчика 13 в сторону уменьшения величины рассогласования. Движение продолжается до тех пор, пока величина рассогласования не станет равной нулю. Здесь также обеспечивается постоянный контроль положения исполнительного устройства с помощью задающего устройства. Одновременное управление датчика 13 15, определяемое кинематикой двузвенника, обеспечивает связное движение звеньев исполнительного устройства в целом.

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 движения по сигналам от датчиков, соответственно 9, 10 и 11, 12.

Оператор-инвалид, воздействуя на один из датчиков прямого или реверсивного движения, например, 11 или 12, подает сигнал управления на преобразователь сигнала 17, далее сигнал поступает на усилитель мощности 15 с которого подается на приводное устройство 30, приводящее в действие исполнительный механизм 2 кисти.

Управление ротацией кисти выполняется по аналогичной схеме. Сигнал от 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 15.

Сигналы, например, с датчика 15 (задающего датчика сгибания кисти) и с датчика угла 20 (датчика обратной связи по положению кисти) поступают на сумматор 33 и после преобразования посредством функциональных преобразователей 38 и 39 поступают к усилителю мощности 23, который управляет работой приводного устройства 28 и, соответственно, исполнительным механизмом 3.

Сигналы с датчика 14 (задающего датчика сгибания предплечья) и с датчика 19 (датчика обратной связи по положению предплечья) поступают на сумматор 32 и после преобразования посредством функциональных преобразователей 36 и 37 поступают на усилитель мощности 22, который управляет работой приводного устройства 27 и, соответственно, исполнительный механизмом 5. Исполнительный механизм 5, отрабатывая управляющее воздействие, воздействует на задающий статор 50, который через упругий элемент 48 замкнут на задающий ротор и одновременно соединен со статором датчика 14. Таким образом, при изменении положения исполнительного механизма синхронно с исполнительным механизм и принудительно изменяет положение статор задающего датчика, уменьшая рассогласование положений задающей и исполнительной осей.

Контур управления исполнительным механизмом 8 работает аналогично контуру управления механизмом 5.

Системы управления суставами сгибания-разгибания плеча, предплечья и кисти представляют собой позиционные следящие системы. При этом задающие воздействия U₃ с датчиков 13 15 сравнивают с уровнем сигналов с датчиков обратной связи U_oc, т. е. с датчиков угла 18 20. Сравнение осуществляют с помощью сумматоров 31 33, а далее сигналы поступают через функциональные преобразователи, соответственно 34 37 и 38, 39 на усилители мощности 21 23. Определяется величина сигнала рассогласования по каждому каналу управления. Изменение полярности сигнала DU обеспечивает реверс привода, а изменение его величины скорость движения выходного вала. При ΔU = 0 происходит остановка привода, а таким образом, позиционирование соответствующего исполнительного механизма.

В отличие от канала управления сгибанием кисти, в каналах управления плеча и предплечья введен еще контур механической обратной связи, что не позволяет задающим датчикам 13 и 14 обогнать по угловому положению исполнительные механизмы 8 и 5 на недозволенную величину, не более того смещения, которое достигается при деформации соответствующего упругого элемента 49 и 48.

Предлагаемый протез может быть применен после одностороннего и двустороннего вычленения плечевых суставов, а также после наиболее тяжелых травм плечевого пояса вычленения ключицы и лопатки.

Фрагментарно данный протез может быть использован при более низких уровнях ампутации.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении удобства оператора-инвалида в процессе одновременно управления несколькими суставами. Повышение качества выполнения движений, в том числе, их точность, способствует снижению напряженности в работе оператора-инвалида, сокращению времени целенаправленных действий в пространстве рабочей зоны, приближению действий протеза к естественным.

Указанные качества достигаются благодаря возложению части функций управления на автоматику и использованию кожно-мышечного чувства оператора.

Время выполнения рабочих операций (двигательных актов) с помощью предлагаемых устройств по сравнению с прототипом сокращается до 1,5 раза.

Предлагаемое техническое решение, по мнению авторов, не является очевидным, а его изобретательский уровень достаточно высок. Возможность промышленного применения изобретения не вызывает сомнений, так как:
устройство предназначено для использования в конкретной отрасли народного хозяйства, а именно, в здравоохранении;
возможность реализации устройства подтверждается с помощью описанных в заявке технических средств;
устройство способно обеспечить достижение заявленного технического эффекта;
возможность изготовления устройства также не вызывает сомнений, так как применены технологические узлы и детали, освоенные в производстве.

Использование: при протезировании верхних конечностей для сокращения времени выполнения рабочих операций и повышения качества управления, в том числе точности за счет введения принудительного согласования движений звеньев при управлении несколькими суставами одновременно. Сущность изобретения: протез содержит звенья плеча и предплечья, искусственную электрическую кисть с электроприводом, наплечники 1, датчики, исполнительные механизмы, каналы независимого и связного управления, плоский двузвенник - кинематический аналог предплечья, концевые выключатели приводов 40 и 41, сумматоры 33, функциональные преобразователя 38 и 39, усилители мощности 23, задающие роторы и статоры, упругий элемент 49, ролики и тросы управления, пояс и закрепленный на нем кронштейн-фиксатор начальных координат. Каналы управления представляют собой следящие позиционирующие приводы с координированным управлением. Протез может быть применен после одностороннего и двухстороннего вычленения плечевых суставов, а также после вычленения ключицы и лопатки. Фрагментарно устройство может быть применено и при более низких уровнях ампутации. Устройство также способствует снижению напряженности психологического состояния инвалида и приближает функционирование протеза к естественному. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Многофункциональный активный протез руки, содержащий искусственную электромеханическую кисть с электроприводом и исполнительным механизмом схвата, наплечник, датчики независимого управления, приводные устройства и исполнительные механизмы сгибания плеча и предплечья, сгибания и ротации кисти, усилители мощности, преобразователи сигналов, три датчика управления связным движением, три датчика углов, три сумматора, шесть функциональных преобразователей, два концевых выключателя привода сгибания кисти, плоский двузвенник в виде шарнирно соединенных рычагов с возможностью перемещения в вертикально-сагиттальной плоскости, пояс и кронштейн-фиксатор начальных координат, соединенный с конечным звеном первым рычагом двузвенника, отличающийся тем, что каждый привод плеча и предплечья дополнительно снабжен двумя концевыми выключателями, в каждый контур управления их связным движением дополнительно введены задающие ротор, статор и упругий элемент, причем концевые выключатели попарно соединены с соответствующими усилителями мощности и установлены с возможностью взаимодействия с выходными валами своих приводов, каждый из датчиков управления плечом и предплечьем выполнен поворотным, при этом ротор и статор этих датчиков кинематически соединены соответственно с задающим ротором и статором, которые соединены друг с другом посредством упругого элемента, статор датчика управления электрически соединен с соответствующим ему преобразователем сигнала, а задающий статор соединен механически с исполнительным механизмом. 2. Протез по п.1, отличающийся тем, что исполнительное устройство снабжено двумя роликами, закрепленными на предплечье и плече соосно с осями их сгибания, двумя промежуточными роликами, установленными шарнирно на оси сгибания плеча и четырьмя тросами в гибких оболочках, выполненных, например, в виде спиральных пружин, навитых виток к витку, при этом второй конец первого рычага плоского двузвенника соединен с первым задающим ротором, который установлен соосно с первым задающим статором, соединен с ним посредством упругого элемента и неподвижно соединен с ротором датчика управления связным движением предплечья, выполненным, например, в виде потенциометра, причем статор потенциометра соединен с задающим статором, выполненным с роликом и шарнирно установленным на первом конце второго рычага плоского двузвенника, второй конец второго рычага соединен с кронштейном, закрепленным на наплечнике, второй задающий статор также выполнен с роликом, на оси второго задающего ротора установлены шарнирно два промежуточных ролика двузвенника, равные по диаметру промежуточным роликам исполнительного устройства, при этом на ролике первого задающего статора закреплены два троса гибкой механической передачи, которые через промежуточные ролики двузвенника, первую и вторую гибкие оболочки и промежуточные ролики исполнительного устройства соединены с роликом предплечья исполнительного устройства, а на ролике второго задающего статора также закреплены два троса гибкой механической передачи, которые через третью и четвертую гибкие оболочки соединены с роликом плеча исполнительного устройства.