ИСКУССТВЕННЫЙ КОЛЕННЫЙ СУСТАВ Российский патент 1997 года по МПК A61F2/64 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно, к травматологии и ортопедии.

Известно усовершенствованное устройство искусственной ноги с коленным суставом, содержащее каркас, состоящий из тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, стабилизированный механизм коленного сустава, в состав которого входит полый тормозной барабан и расположенная внутри этого барабана тормозная колодка, причем барабан и колодка кинематически соединены с различными рычагами, а колодка может входить в фрикционное зацепление с внутренней поверхностью барабана для создания сопротивления изгибу ноги, когда последняя находится под нагрузкой [1]
Совпадающими с настоящим устройством признаками являются каркас, состоящий из тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, шарнирный узел с механизмом фиксации, кинематически соединенный с рычагами и предназначенный для создания сопротивления взаимному складыванию рычагов, когда они находятся под нагрузкой.

Устройство препятствует взаимному складыванию рычагов, когда они находятся под нагрузкой, независимо от направления их углового перемещения, что сужает область его применения.

Известно также устройство для шагового перемещения, содержащее каркас с элементами крепления к туловищу, шарнирно связанные с каркасом две пары рычагов, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к ногам, и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы для обуви. Каждый из шарнирных узлов, соединяющий рычаги, снабжен механизмом фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением в виде сегмента с наклонными зубьями и взаимодействующей с ними собачкой и средством управления собачкой [2]
Совпадающими с настоящим устройством признаками являются каркас в виде пары рычагов с элементами крепления к конечности, каждая из которых состоит из соединенных между собой посредством шарнирных узлов тазобедренного и голеностопного рычагов и шарнирно связанные со свободными концами голеностопных рычагов опорные платформы. Шарнирные узлы, соединяющие рычаги, снабжены механизмом фиксации шарнирного узла со средствами управления им.

Устройство обеспечивает поддержание и передвижение пользователя, но не обладает достаточным удобством применения, так как механизм фиксации шарнирного узла с храповым зубчатым зацеплением излишне усложнен и имеет недостаточное количество зон фиксации.

Ближайшим аналогом является искусственный коленный сустав, содержащий каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов, с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки, соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима; указанный рычаг является регулируемым (по углу) относительно корпуса; поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным [3]
Общими с предлагаемым техническим решением признаками являются каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающей детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки, соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима; указанный рычаг является регулируемым (по углу) относительно корпуса; поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом, является эксцентричным и подвижным.

Устройство применяется в протезировании, но не предназначено для использования в экзоскелетонах, а механизм фиксации кольцевого зажима не обеспечивает подкосоустойчивость шарнирного узла при вертикальном отклонении голеностопного рычага относительно опорной платформы, кроме того, отсутствует возможность изменения порогового усилия сжатия кольцевого зажима без помощи рук пользователя.

В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство, в котором новое конструктивное выполнение механизма фиксации кольцевого зажима шарнирного узла и рычагов, позволяет получить шарнирное сочленение с расширенными функциональными возможностями и областями применения.

Поставленная задача решается устройством, содержащим каркас, в виде тазобедренного голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел включает в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, в состав которой входят корпус, поворотный в направлении втулки, соединенный с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычаг, поворотный в направлении указанного конца зажима и соединенный с другим концом зажима, указанный рычаг является регулируемым (по углу) относительно корпуса; поворотный палец, соединяющий указанные две части элемента с тазобедренным рычагом является эксцентричным и подвижным, при этом механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит на верхнем конце голеностопного рычага упор с выступом и взаимодействующие между собой поворотный кулачек, расположенный на оси шарнирного узла, и ползун, подвижный относительно указанного рычага, который взаимодействует с роликом, расположенным на нижней части тазобедренного рычага, на кулачок и ползун дополнительно воздействует пружина, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, а опорная платформа содержит фаланговую платформу, которая кинематически связана с кулачком.

Отличительными признаками настоящего устройства является то, что механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит на верхнем конце голеностопного рычага упор с выступом и взаимодействующие между собой поворотный кулачок, расположенный на оси шарнирного узла, и ползун, подвижный относительно указанного рычага, который взаимодействует с роликом, расположенным на нижней части тазобедренного рычага, на кулачок и ползун дополнительно воздействует пружина, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом, указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, а опорная платформа содержит фаланговую платформу, которая кинематически связана с кулачком.

Совокупность вышеперечисленных признаков устройства позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что обеспечивается динамическое изменение усилия сжатия кольцевого зажима в зависимости от величины взаимного углового перемещения тазобедренного и голеностопного рычагов, удерживание перпендикулярности положения голеностопного рычага относительно опорной платформы, тем самым повышается подкосоустойчивость шарнирного узла, удобство применения при спуске с лестницы и приседании.

На фиг. 1 изображен искусственный коленный сустав, вид сбоку; на фиг. 2
голеностопный рычаг с опорной платформой, вид сбоку; на фиг. 3 опорная платформа вид сверху.

Устройство (фиг. 2, 3) содержит каркас в виде опорной платформы 1, располагаемой внутри обуви, элементы крепления к конечности, тазобедренный рычаг 2, голеностопный рычаг 3, голеностопный шарнир с осью 4, выступами 5, регулировочными винтами 6 с гайками 7, трос 8, фланговую платформу 9, шарнирно соединенную с опорной платформой осью 10, на опорной платформе расположены направляющая втулка 11, а на фаланговой платформе крепежная втулка для конца троса 12, шарнирный узел (фиг. 1), включающий муфту свободного хода с обоймой 13 и ступицей, которая расположена на поворотном пальце 14, жестко закрепленной в верхней части 15 голеностопного рычага, на вершине которого расположены упор с выступом 16, механизм фиксации, состоящий из кольцевого зажима 17, один конец которого шарнирно соединен с нижней частью 18 тазобедренного рычага, коленчатого рычага 19, который осью 20 связан другим концом кольцевого зажима, а второй осью 21 шарнирно соединен с верхним концом тазобедренного рычага, эксцентричного пальца 22 с осью 23, крепежных винтов 24, 25, регулировочного винта 26 с пружиной 27, ползуна 28 с прорезями 29 и упорами 30, кулачка 31, пружины 32 с осью 33, ролика 34 с осью 35, дополнительно тазобедренный и голеностопный рычаги могут содержать резьбовое соединение с отверстиями 36 для регулирования длины этих рычагов.

Работа устройства следующая. Конечности и тело пользователя с помощью элементов крепления крепятся к каркасу экзоскелетона, либо протезу. Предварительно, с помощью регулировочных винтов 6 с гайкой 7, устанавливается такая величина возможного углового перемещения голеностопного рычага 3 относительно опорной платформы 1, которая обеспечивает, при согнутой в шарнирном узле конечности, нахождение вертикальной проекции поворотного пальца 14 на уровне носка обуви. При вертикальном расположении выправленной конечности, масса тела пользователя воздействует на тазобедренный рычаг 2, через ось 21 на кольцевой зажим 17 и коленчатый рычаг 19, который через ось 20 удерживает второй подвижный конец кольцевого зажима. Кольцевой зажим 17 упирается в жесткую конструкцию образованную обоймой 13 муфты свободного хода, расположенной на поворотном пальце 14, верхнюю часть голеностопного рычага 15, голеностопный рычаг 3, голеностопный шарнир с осью 4, опорную платформу 1. В связи с тем, что подвижный конец кольцевого зажима 17 в исходном состоянии под действием пружины 27 отодвигается, коленчатый рычаг 19, поворачиваясь относительно осей 20, 21, упирается своим клиновидным концом в крепежный винт 24. В результате, обойма 13 не будет находиться в жестком фрикционном зацеплении с кольцевым зажмом 17 и шарнирный узел не препятствует взаимному складыванию тазобедренного и голеностопного рычагов. Поэтому, при воздействии массы тела на тазобедренный рычаг 2, ролик 34 с осью 35 упирается в выступ 16 и под действием эффекта скольжения-качения перемещается по выступу вдоль фронтальной поверхности ползуна 28. От возможного взаимного складывания рычагов 2, 3 в противоположном направлении, предохраняет упор, расположенный в верхней части 15 голеностопного рычага 3. Если фаланговая платформа 9 находится в одной плоскости с опорной платформой, то трос 8 не натянут и выступ кулачка 31, под действием пружины 32, выводится из контакта с тыльной стороной ползуна 28. В результате, под действием другого конца пружины 32 ползун 28 перемещается на упорах 30 вдоль прорезей 29 в сторону поворотного пальца 14, что позволяет ролику 34 вместе с тазобедренным рычагом 2 также передвинуться в сторону поворотного пальца, жестко соединенного с тазобедренным рычагом и ступицей муфты свободного хода. Так как клиновидный конец коленчатого рычага 19, при нахождении ролика на выступе 16, уже упирался в крепежный винт 24, то указанное перемещение тазобедренного рычага в сторону поворотного пальца 19 приводит к угловому перемещению вместе с ним на оси 21 и коленчатого рычага 19. При этом, короткое плечо коленчатого рычага также перемещается, сжимая пружину 27 и сближая концы кольцевого зажима 17. Происходит полное торможение обоймы 13 муфты свободного хода относительно тазобедренного рычага 2. В связи с заложенным свойством муфты свободного хода одностороннего вращательного движения, шарнирный узел блокирует взаимное складывание голеностопного и тазобедренного рычагов, не препятствуя их расправлению.

Таким образом, при вертикальном положении тела и нижних конечностей пользователя без осуществления шагового перемещения, полностью разгружается скелетно-мышечный аппарат и лишь частично используется мышечные усилия для блокирования подвижности в тазобедренных и голеностопных суставах. При этом, масса пользователя и груза поддерживаются в тазобедренной и голеностопных областях на жестком каркасе, образованном тазобедренными и голеностопными рычагами с элементами крепления к конечностям.

Работа устройства в динамике отличается тем, что свобода перемещения нижних конечностей пользователя достигается перенесением центра тяжести на опорную ногу и освобождением за счет этого опорной платформы 1 неопорной конечности. Соответственно, под действием усилия пружины 27 и массы голеностопного рычага усилие прижатия кольцевого зажима к обойме 13 муфты свободного хода уменьшается и она обретает свободу вращения в противоположном направлении. Тем самым появляется возможность свободного распрямления в коленном суставе неопорной конечности. При движении вниз по лестнице, либо приседании, появляется необходимость в частичном подтормаживании кольцевым зажимом 17 муфты свободного хода. При этом, предварительно с помощью 24, 25 устанавливается такой угол поворота коленчатого рычага 19, который обеспечивает требуемый эффект подтормаживания, при условии перемещения ползуна 28 в сторону поворотного пальца 14. Для этого наклоняют конечность и перемещают центр тяжести на носок опорной конечности, фаланговая платформа 9 осуществляет угловое перемещение на оси 10 относительно опорной платформы 1 и трос 8 вытягивается из направляющей втулки 11. В результате, кулачок 31 поворачивается на поворотном пальце 14 в направлении против часовой стрелки и ползун 28 обретает требуемую подвижность.

Дополнительно, имеется возможность принудительного полного разблокирования шарнирного узла. Для этого, перемещают вниз эксцентричный рычаг 22, чем достигается принудительное перемещение вверх до упора коленчатого рычага 19. В результате, независимо от величины нагрузки на шарнирный узел он остается полностью разблокированным.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями, появилась возможность получить устройство с расширенными функциональными возможностями и областями применение.

Использование: устройство позволяет получить технический результат, заключающийся в том, что обеспечивается динамическое изменение усилия сжатия кольцевого зажима в зависимости от величины взаимного углового перемещения тазобедренного и голеностопного рычагов, удерживание перпендикулярности положения голеностопного рычага относительно опорной платформы, тем самым повышается подкосоустойчивость шарнирного узла, удобство применения при спуске с лестницы и приседании. Существо изобретения: искусственный коленный сустав содержит каркас 1 в виде тазобедренного 2 и голеностопного 1 рычагов с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце. Шарнирный узел кинематически связан с каркасом, механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит на верхнем конце голеностопного рычага упор 30 с выступом и взаимодействующие между собой поворотный кулачок 31, расположенный на оси шарнирного узла, и ползун 28, подвижный относительно указанного рычага, который взаимодействует с роликом 34, расположенным на нижней части тазобедренного рычага, кулачок и ползун соединены общей пружиной сжатия, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом, указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, а опорная платформа содержит фланговую платформу, которая кинематически связана с кулачком. 3 ил.

Искусственный коленный сустав, содержащий каркас в виде тазобедренного и голеностопного рычагов с элементами крепления к конечности, связанные шарнирным узлом, состоящим из муфты свободного хода с возможностью одностороннего вращательного движения, расположенной на поворотном пальце, шарнирный узел, включающий в себя механизм фиксации кольцевого зажима, расположенного вокруг обоймы муфты свободного хода, состоящий из двухэлементной разгибающейся детали, состоящей из корпуса, поворотного в направлении втулки, соединенного с тазобедренным рычагом, и одного конца кольцевого зажима, а также рычага, поворотного в направлении указанного конца зажима, соединенного с другим концом зажима и выполненного регулируемым относительно корпуса, поворотного пальца, соединяющего указанные две части элемента с тазобедренным рычагом и выполненного эксцентричным и подвижным, отличающийся тем, что механизм фиксации шарнирного узла дополнительно содержит на верхнем конце голеностопного рычага упор с выступом и взаимодействующие между собой поворотный кулачок, расположенный на оси шарнирного узла, и ползун, подвижный относительно указанного рычага, который связан с роликом, расположенным на нижней части тазобедренного рычага, причем кулачок и ползун соединены общей пружиной сжатия, каркас дополнительно содержит опорную платформу, шарнирно соединенную с нижним концом голеностопного рычага, при этом указанное шарнирное соединение выполнено с возможностью ограничения углового перемещения, а опорная платформа содержит фаланговую платформу, которая кинематически связана с кулачком.